袁盼盼,李賽飛,韓長(zhǎng)杰,張靜,徐陽(yáng)
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊市,830052)
通訊作者:韓長(zhǎng)杰,男,1980年生,河南遂平人,博士,教授;研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備。E-mail: hcj_627@163.com
紅棗耐鹽堿,耐干旱,可防風(fēng)固沙,改善惡劣的自然環(huán)境,具有良好的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-3]。2017年新疆紅棗種植面積已達(dá)到476 khm2,年產(chǎn)量超過(guò)347萬(wàn)t[4],其效益突出,惠民成效顯著,近幾年紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[5-6],隨著紅棗種植面積的擴(kuò)大,但落地紅棗撿拾環(huán)節(jié)仍舊是依靠傳統(tǒng)人工作業(yè),勞動(dòng)強(qiáng)度大,撿拾效率低,成本高[7-8],因此,落地棗撿拾亟需實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。
國(guó)外紅棗種植面積較少,研究集中在樹(shù)上紅棗的收獲[9]。國(guó)內(nèi)紅棗收獲研究多集中在小型氣力式撿拾機(jī)械為主,張學(xué)軍等、張鳳奎等[10-11]采用負(fù)壓原理對(duì)落地紅棗進(jìn)行撿拾輸送,需人工移動(dòng)吸拾管,勞動(dòng)強(qiáng)度較大;魯兵等利用“V”型清掃裝置和仿形鏟將落地紅棗聚攏并鏟起,再利用吸拾裝置將紅棗吸入棗箱,但在棗園中的適應(yīng)性稍差;潘俊兵等研究的氣吹式紅棗撿拾裝置,基于氣吹原理將落地紅棗吹入輸送裝置中,但需將地面紅棗進(jìn)行清掃聚攏后作業(yè)。
為解決小型氣力式落地棗撿拾作業(yè)前需將落地棗聚攏、人工輔助移動(dòng)吸拾管、勞動(dòng)強(qiáng)度大,且效率低等問(wèn)題,研制了一種清掃—?dú)馕郊t棗撿拾收獲機(jī)。為簡(jiǎn)化機(jī)械動(dòng)力傳遞,及滿足撿拾機(jī)的集果、卸料、自走等功能需求,設(shè)計(jì)的清掃—?dú)馕綋焓皺C(jī)采用液壓傳動(dòng),液壓傳動(dòng)可平穩(wěn)、較易的實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速[12]。本文對(duì)清掃—?dú)馕綋焓皺C(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),對(duì)關(guān)鍵液壓元件進(jìn)行選型計(jì)算,并進(jìn)行了田間試驗(yàn),研究成果以期為撿拾機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化和液壓技術(shù)在果園機(jī)械的應(yīng)用提供一定參考。
清掃—?dú)馕郊t棗撿拾機(jī)主要由集果裝置、吸拾系統(tǒng)、駕駛室升降裝置、自走底盤(pán)、卸料裝置、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)組成,如圖1所示。
撿拾機(jī)集果裝置位于機(jī)器前方,吸拾裝置位于駕駛室下方,料箱位于機(jī)器后部。作業(yè)時(shí),首先通過(guò)門(mén)式提升機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)集果裝置的離地高度,由集果裝置的兩個(gè)對(duì)旋清掃頭對(duì)落地紅棗進(jìn)行清掃聚攏;隨后,吸拾系統(tǒng)通過(guò)氣吸頭利用負(fù)壓吸拾原理對(duì)聚攏成條后的落地紅棗進(jìn)行撿拾;撿拾的紅棗儲(chǔ)存于料箱;撿拾作業(yè)完成后,由卸料裝置完成紅棗的自動(dòng)卸料作業(yè)。根據(jù)紅棗撿拾要求,可由一人位于駕駛室內(nèi),進(jìn)行獨(dú)立操作完成整個(gè)“清掃—撿拾—卸料”作業(yè)過(guò)程。
圖1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Prototype structure drawing1.駕駛室 2.門(mén)式提升機(jī)構(gòu) 3.離心風(fēng)機(jī) 4.料箱 5.集果裝置 6.吸拾裝置 7.自走底盤(pán) 8.發(fā)動(dòng)機(jī) 9.卸料裝置
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括工作系統(tǒng)和行走系統(tǒng)兩個(gè)部分,各液壓系統(tǒng)需要完成工作如圖2所示。
圖2 液壓系統(tǒng)功能圖Fig. 2 Function diagram of hydraulic system
根據(jù)紅棗撿拾機(jī)功能對(duì)工作液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),液壓原理圖如圖3所示。
圖3 工作液壓系統(tǒng)原理圖Fig. 3 Schematic diagram of working hydraulic system1.集果箱舉升油缸 2.駕駛室升降油缸 3.右清掃頭調(diào)節(jié)油缸 4.三位四通O型電磁換向閥 5.左清掃頭調(diào)節(jié)油缸 6.清掃盤(pán)液壓馬達(dá) 7.節(jié)流閥 8.三位四通P型電磁換向閥 9.兩位三通電磁換向閥 10.兩位四通電磁換向閥 11.定量泵 12.油箱 13.溢流閥 14.過(guò)濾器 15.集果箱翻轉(zhuǎn)油缸 16.分流集流閥
該液壓系統(tǒng)中液壓泵動(dòng)力由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)取力器進(jìn)行提供,執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)和液壓缸,控制元件主要為電磁換向閥、流量閥,輔助元件為溢流閥。
工作液壓系統(tǒng)共分六個(gè)子部分,a主要實(shí)現(xiàn)清掃頭旋轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),應(yīng)對(duì)不同棗園落地紅棗分布差異性和適應(yīng)不同作業(yè)速度,保證集果效果。該部通過(guò)兩位三通電磁閥控制清掃頭啟動(dòng)和停止,當(dāng)其斷電時(shí),液壓馬達(dá)P、T口連通,清掃頭可以在外力作用下旋轉(zhuǎn),防止外力對(duì)清掃頭造成機(jī)械破壞,影響使用;為達(dá)到清掃頭轉(zhuǎn)速同步效果,選用兩個(gè)同型號(hào)液壓馬達(dá)進(jìn)行串聯(lián)控制。三位四通電磁換向閥和兩個(gè)調(diào)速閥共同控制清掃液壓馬達(dá)的供油量,實(shí)現(xiàn)60 r/min、80 r/min、100 r/min 的轉(zhuǎn)速變換,不同轉(zhuǎn)速下電磁閥得失電如表1所示。b、c控制左、右清掃頭的收放調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)整機(jī)清掃幅寬調(diào)節(jié)。d通過(guò)門(mén)式提升機(jī)構(gòu)完成駕駛室升降調(diào)節(jié),帶動(dòng)安裝在駕駛室底架上的清掃裝置和吸拾頭作上下移動(dòng),保證作業(yè)時(shí),兩者與地面良好接觸,轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)與地面保持一定距離。
表1 電磁閥線圈得失電表Tab. 1 Solenoid valve coil gain and loss meter
作業(yè)過(guò)程中,通過(guò)負(fù)壓撿拾的紅棗臨時(shí)儲(chǔ)存于料箱中。撿拾作業(yè)完成后,依靠卸料裝置將料倉(cāng)舉升、翻轉(zhuǎn)一定角度,紅棗受重力作用完成卸料。卸料裝置主要由兩組平行四桿機(jī)構(gòu)組成,對(duì)稱布置于料箱的兩側(cè),每組平行四桿舉升機(jī)構(gòu),各包含一個(gè)舉升油缸和一個(gè)翻轉(zhuǎn)油缸,e、f分別實(shí)現(xiàn)卸料過(guò)程中料箱的舉升和翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。為避免料箱受力不均、造成撿拾整機(jī)重心不穩(wěn),舉升油缸、翻轉(zhuǎn)油缸采用糾偏能力強(qiáng)、同步精度高的分流集流閥實(shí)現(xiàn)速度同步控制要求。
樣機(jī)自走底盤(pán)采用前輪轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動(dòng)的四輪行走方式。液壓原理圖如圖4所示。
該液壓系統(tǒng)主要由定量泵、單路穩(wěn)定分流閥、電磁溢流閥、電磁比例換向閥、液壓轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向油缸、液壓馬達(dá)組成。
底盤(pán)兩個(gè)前輪聯(lián)動(dòng),由單缸控制方向偏轉(zhuǎn),后輪由定量馬達(dá)為JHFT4.0-2400型后橋輸入動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)V型帶將動(dòng)力傳遞給定量泵,產(chǎn)生高壓油。當(dāng)機(jī)器無(wú)行走、轉(zhuǎn)向需求時(shí),系統(tǒng)中的電磁溢流閥斷電常開(kāi),油液直接回油箱,系統(tǒng)卸荷;當(dāng)機(jī)器轉(zhuǎn)向、行走時(shí),電磁溢流閥得電起溢流安全作用,系統(tǒng)有壓力,高壓油經(jīng)過(guò)單路穩(wěn)定分流閥分流,一部分供給轉(zhuǎn)向器、一部分供向行走馬達(dá)。供向液壓馬達(dá)的油液經(jīng)比例換向閥調(diào)節(jié),定量流入液壓馬達(dá),實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速功能,滿足不同狀態(tài)的前進(jìn)、后退速度需求。供向液壓轉(zhuǎn)向器的油液經(jīng)轉(zhuǎn)向器調(diào)節(jié),流入轉(zhuǎn)向油缸,完成轉(zhuǎn)向功能。
圖4 行走液壓原理圖Fig. 4 Traveling hydraulic schematic diagram1.油箱 2.過(guò)濾器 3.電磁溢流閥 4.電磁比例換向閥 5.定量液壓馬達(dá) 6.轉(zhuǎn)向油缸 7.液壓轉(zhuǎn)向器 8.單路穩(wěn)定分流閥 9.定量液壓泵
集果裝置通過(guò)兩個(gè)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)完成集果作業(yè),需要根據(jù)清掃頭的扭矩、轉(zhuǎn)速需求對(duì)馬達(dá)進(jìn)行選型計(jì)算。
田間工況復(fù)雜,清掃馬達(dá)載荷按清掃頭完全觸地進(jìn)行計(jì)算,由經(jīng)驗(yàn)公式[13]可得清掃頭的載荷。
(1)
式中:d——刷毛直徑,mm;
E——刷毛的彈性模量,Pa;
l——刷毛的自由長(zhǎng)度,mm;
h——刷毛的變形量,mm;
B——單個(gè)清掃頭的清掃寬度,mm;
v——機(jī)具作業(yè)速度,m/s;
n1——清掃頭轉(zhuǎn)速,r/min。
根據(jù)紅棗物理特性及撿拾要求,確定刷毛直徑為3 mm,長(zhǎng)度為30 mm,刷毛材質(zhì)為聚丙烯,其彈性模型為1.4×1011Pa,變形量為3 mm。根據(jù)前期研究[14],單個(gè)清掃頭的清掃寬度為700 mm,當(dāng)清掃轉(zhuǎn)速達(dá)到100 r/min,作業(yè)速度達(dá)到3 km/h,計(jì)算可得液壓馬達(dá)載荷N=643 N。
液壓馬達(dá)的輸出功率由式(2)計(jì)算可得。
(2)
式中:k——功率儲(chǔ)備因數(shù);
u1——盤(pán)刷刷束和土壤的摩擦系數(shù);
ηt——聯(lián)軸器機(jī)械傳遞效率。
功率儲(chǔ)備因數(shù)一般取1.1,盤(pán)刷刷束和土壤的摩擦系數(shù)取0.5,機(jī)械傳遞效率取0.95,代入數(shù)據(jù)可得P1=1.65 kW。
將上述計(jì)算得到的輸出功率P1=1.65 kW和清掃盤(pán)設(shè)計(jì)的最大轉(zhuǎn)速n1=100 r/min代入式(3),可得馬達(dá)輸出扭矩
(3)
為滿足上述扭矩和轉(zhuǎn)速參數(shù),因此,選取BMP-100型液壓馬達(dá),其轉(zhuǎn)速范圍9~615 r/min;排量98.2 mL/r;連續(xù)輸出扭矩191 N·m。
作業(yè)時(shí),清掃馬達(dá)需要液壓泵持續(xù)提供的高壓油,清掃頭最大轉(zhuǎn)速n1=100 r/min時(shí),流量消耗如式(4)所示。
(4)
式中:k2——系統(tǒng)泄露和溢流閥保持最小溢流量系數(shù);
Vg——液壓馬達(dá)排量,mL/r;
ηv——液壓馬達(dá)容積效率。
根據(jù)文獻(xiàn)[15]及上述選取馬達(dá)參數(shù),一般最小溢流量系數(shù)k2取1.3,液壓馬達(dá)排量Vg取98.2 mL/r,ηv容積效率取0.95,代入式(4)計(jì)算可得Q1流量消耗為13.4 L/min,因此,節(jié)流閥選用MSW-005-Y型,其流量調(diào)節(jié)范圍0~15 L/min,最大壓力25 MPa,滿足工作要求。
液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差由式(5)計(jì)算可得。
(5)
式中:ηt——液壓馬達(dá)機(jī)械效率。
液壓馬達(dá)機(jī)械效率一般取0.85,將P1=1.65 kW,Q1=13.4 L/min,代入式(5)計(jì)算可得進(jìn)出口壓差p1=8.7 MPa,因此,電磁換向閥選用DSG-01系列,最大流量為35 L/min,最大壓力35 MPa,滿足系統(tǒng)工作需求。
由于兩個(gè)液壓馬達(dá)串聯(lián)使用,工作液壓系統(tǒng)最大工作壓力可由式(6)計(jì)算。
∑p=2p1+Δp
(6)
式中: Δp——總管路壓力損失,MPa。
有節(jié)流閥調(diào)速時(shí),壓力損失Δp范圍0.2~0.5 MPa[16],本文取0.5 MPa,將p1=8.7 MPa代入式(6)計(jì)算可得,工作液壓系統(tǒng)最大工作壓力為17.9 MPa。
根據(jù)卸料裝置的設(shè)計(jì),舉升油缸最大負(fù)載為28 kN,舉升油缸以無(wú)桿腔為工作腔,油缸內(nèi)徑由式(7)計(jì)算可得。
(7)
式中:F——油缸負(fù)載,kN;
p——系統(tǒng)工作壓力,MPa;
η——油缸機(jī)械效率。
在農(nóng)用機(jī)械中液壓系統(tǒng)工作壓力一般選用10~18 MPa,屬中壓系統(tǒng)[17],此處系統(tǒng)壓力取16 MPa,油缸機(jī)械效率取0.9,將F=28 kN代入式(7)計(jì)算可得油缸內(nèi)徑D為49.9 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè),油缸內(nèi)徑圓整取值50 mm,選用DG-J50C-E1型液壓缸。
驅(qū)動(dòng)馬達(dá)輸出軸與后橋輸入軸通過(guò)花鍵套連接,JHFT4.0-2400型后橋總成傳動(dòng)比i為13.06。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速可根據(jù)式(8)進(jìn)行計(jì)算。
(8)
式中:i——后橋傳動(dòng)比;
R——車輪外徑,mm。
車輪外徑選取為650 mm,當(dāng)作業(yè)速度在1~3 km/h 內(nèi)變換時(shí),驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速在118.7~320 r/min內(nèi)變換。
撿拾機(jī)在田間行走速度較慢,忽略空氣阻力,受最大阻力狀態(tài)為在裝載后在斜坡啟動(dòng),液壓馬達(dá)輸出扭矩需要滿足滾動(dòng)阻力、加速阻力、斜坡阻力在后橋輸入軸上產(chǎn)生的扭矩
(9)
式中:m——整機(jī)滿載質(zhì)量,kg;
g——重力加速度,N/kg;
β——地面坡度角,°;
f——滾動(dòng)阻力系數(shù);
v——作業(yè)速度,km/h;
t——加速時(shí)間,s;
η2——后橋機(jī)械效率。
根據(jù)前期研究[14],整機(jī)滿載質(zhì)量為4 000 kg;田間坡度測(cè)量可知,撿拾機(jī)作業(yè)時(shí)的坡面坡度角最大約20°,滾動(dòng)阻力系統(tǒng)一般取0.09[18],機(jī)具作業(yè)速度設(shè)置為3 km/h,將重力加速度9.8 N/kg代入式(9),計(jì)算可得液壓馬達(dá)扭矩為522 N·m。
根據(jù)上述計(jì)算獲得的轉(zhuǎn)速與扭矩,選取BM5-160型液壓馬達(dá)作為行走驅(qū)動(dòng)馬達(dá),排量160 mL,容積效率取92%。
當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到320 r/min時(shí),按式(4)計(jì)算,可得流量需求為72.4 L/min。由式(5)計(jì)算可得液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差為14.85 MPa。
電磁比例換向閥選用4WREE10W75-20/G24型,中位機(jī)能為“P”型,AB口與P口連通,能夠保證液壓馬達(dá)在系統(tǒng)不供油時(shí)仍能進(jìn)行旋轉(zhuǎn),防止突然制動(dòng)時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生損傷,發(fā)生爆管、漏油等現(xiàn)象。
比例閥開(kāi)度調(diào)節(jié)由駕駛員通過(guò)位于駕駛室內(nèi)的電子油門(mén)進(jìn)行控制,完成行走液壓馬達(dá)的調(diào)速。
根據(jù)需求,液壓轉(zhuǎn)向器選用BZZ1-E100,額定流量7.5 L/min,單路穩(wěn)定分流閥選用恒流型FLD-7.5H,公稱流量7.5 L/min。
行走系統(tǒng)采用比例閥進(jìn)行調(diào)速,管路損失取1.5 MPa[19],系統(tǒng)壓強(qiáng)由式(3)可得為16.35 MPa。
行走液壓系統(tǒng)中液壓泵型號(hào)最終確定為CBT-F550型,該型號(hào)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕轉(zhuǎn)速高、壓力大、成本低等優(yōu)點(diǎn),額定壓強(qiáng)20 MPa,額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min,公稱排量50 mL/r,額定流量為93 L/min能夠滿足撿拾作業(yè)時(shí)行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需。
試驗(yàn)于2019年10月在新疆庫(kù)爾勒三十團(tuán)砂土壤棗園進(jìn)行田間性能試驗(yàn),種植模式為4 m×3 m(行距×株距),品種為灰棗,地勢(shì)平坦,田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。
圖5 田間試驗(yàn)Fig. 5 Field test
在試驗(yàn)田隨機(jī)選取3個(gè)紅棗行作為試驗(yàn)區(qū),每個(gè)紅棗行約100 m,試驗(yàn)區(qū)由穩(wěn)定區(qū)、測(cè)定區(qū)、非測(cè)定區(qū)、停車區(qū)組成。測(cè)定區(qū)長(zhǎng)度約為20 m,行頭留出10 m的穩(wěn)定區(qū)、行尾留出10 m停車區(qū),在剩余80 m內(nèi)取測(cè)試區(qū)。
1) 作業(yè)效率。在試驗(yàn)區(qū)每行取1個(gè)長(zhǎng)為80 m,寬為作業(yè)幅寬2 m的測(cè)試區(qū),將電磁比例換向閥的開(kāi)度調(diào)至50%,記錄樣機(jī)作業(yè)時(shí)通過(guò)3個(gè)測(cè)區(qū)的時(shí)間,通過(guò)式(10)計(jì)算機(jī)器的作業(yè)效率,取算數(shù)平均值為樣機(jī)的作業(yè)效率η1。
(10)
式中:S——測(cè)區(qū)面積,m2;
T2——樣機(jī)通過(guò)測(cè)區(qū)時(shí)間,s。
2) 拾凈率。在測(cè)試作業(yè)效率時(shí),在每個(gè)單獨(dú)測(cè)區(qū)中選取3塊面積為2 000 mm×2000 mm的測(cè)區(qū),共9塊。將每塊測(cè)區(qū)內(nèi)的紅棗撿出,稱量紅棗的質(zhì)量;記錄數(shù)值后再均勻散布于測(cè)區(qū)。撿拾作業(yè)完成后再撿出測(cè)區(qū)內(nèi)機(jī)器未撿拾的紅棗進(jìn)行稱量,通過(guò)式(11)計(jì)算樣機(jī)的拾凈率η2。
(11)
式中:M1——測(cè)區(qū)內(nèi)紅棗產(chǎn)量,g;
M2——測(cè)區(qū)內(nèi)機(jī)器未撿拾紅棗質(zhì)量,g。
將樣機(jī)作業(yè)速度控制在1.5 km/h左右時(shí)進(jìn)行作業(yè),進(jìn)行了3組試驗(yàn),每組試驗(yàn)進(jìn)行3次,取算數(shù)平均值,通過(guò)測(cè)區(qū)的時(shí)間如表2所示。
表2 作業(yè)效率測(cè)試Tab. 2 Work efficiency test
通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明,紅棗撿拾效率不低于0.29 hm2/h。
通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)地面內(nèi)撿拾前后的紅棗質(zhì)量進(jìn)行稱量,進(jìn)行拾凈率統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表3所示。
表3 拾凈率測(cè)試Tab. 3 Pickup rate test
速度在1.5 km/h時(shí),撿拾效率能夠達(dá)到0.29 hm2/h,拾凈率達(dá)到96.5%,速度調(diào)節(jié)良好,卸料過(guò)程,舉升、翻轉(zhuǎn)平穩(wěn),同步度較好,樣機(jī)各項(xiàng)動(dòng)作能夠滿足紅棗撿拾收獲要求,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
1) 針對(duì)清掃—?dú)馕郊t棗撿拾收獲機(jī)動(dòng)力傳遞與撿拾作業(yè)的功能需求,對(duì)撿拾機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),由工作系統(tǒng)和行走系統(tǒng)兩部分構(gòu)成,根據(jù)工況對(duì)關(guān)鍵元件進(jìn)行了計(jì)算選型,設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)可完成集果清掃盤(pán)旋轉(zhuǎn)、對(duì)置清掃盤(pán)位置調(diào)整、集果箱的舉升、下降、翻轉(zhuǎn)及回正、整機(jī)的行走與轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。
2) 田間試驗(yàn)結(jié)果表明:清掃頭轉(zhuǎn)速調(diào)速明顯,卸料舉升、翻轉(zhuǎn)平穩(wěn),同步度較好;當(dāng)紅棗撿拾機(jī)作業(yè)速度1.5 km/h時(shí),其撿拾效率達(dá)0.29 hm2/h,拾凈率達(dá)到96.5%,設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)滿足紅棗撿拾作業(yè)的各項(xiàng)功能需求,運(yùn)行穩(wěn)定,適應(yīng)不同復(fù)雜工況。