甜菜聯(lián)合收獲機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

邱田元，王琳琳, ，劉洋, ，李學(xué)強(qiáng)，孟鵬祥，楊善東

(1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博，255000；2. 山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，山東德州，253600)

0 引言

甜菜是制糖的重要原材料之一，也是一種經(jīng)濟(jì)作物，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，甜菜的種植面積逐年增加。甜菜的種植區(qū)域主要集中在我國(guó)的北方地區(qū)，如內(nèi)蒙古、新疆、河北、東北地區(qū)等。但是在甜菜主產(chǎn)區(qū)，其收獲方式主要以甜菜分段式或人工收獲為主，甜菜被挖出后仍然依靠人工進(jìn)行撿拾、清選、裝車(chē)等工序[1-2]，北方地區(qū)秋季降溫快，低溫會(huì)導(dǎo)致甜菜的含糖量下降，而上述的收獲方式不利于搶占農(nóng)時(shí)且勞動(dòng)強(qiáng)度大，嚴(yán)重影響著甜菜生產(chǎn)收獲的品質(zhì)，同時(shí)也制約甜菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。

國(guó)外甜菜收獲機(jī)自動(dòng)化程度高，例如德國(guó)生產(chǎn)的自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)，除行走系統(tǒng)，整機(jī)的挖掘、輸送、集倉(cāng)等作業(yè)均有液壓系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，生產(chǎn)效率高。自走式聯(lián)合收獲機(jī)采用的仿形、自動(dòng)對(duì)行、振動(dòng)等技術(shù)也是通過(guò)液壓控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；美國(guó)生產(chǎn)的牽引式聯(lián)合甜菜收獲機(jī)通過(guò)液壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)挖掘和清選輸送環(huán)節(jié)的控制調(diào)節(jié)。國(guó)內(nèi)針對(duì)甜菜收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行液壓系統(tǒng)研究較多，整機(jī)采用液壓系統(tǒng)控制研究較少，大都是機(jī)械傳動(dòng)，且以小型收獲機(jī)為主[5-6]。

我國(guó)甜菜收獲機(jī)械裝備技術(shù)水平與國(guó)外差距較大，機(jī)具的自動(dòng)化程度低，當(dāng)前的收獲方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適應(yīng)甜菜大面積種植模式的收獲作業(yè)。因此針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了六行甜菜聯(lián)合收獲機(jī)液壓系統(tǒng)，通過(guò)液壓控制系統(tǒng)完成甜菜收獲過(guò)程中各個(gè)工作環(huán)節(jié)的操作控制，重點(diǎn)介紹該收獲機(jī)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、液壓元件選型以及試驗(yàn)等內(nèi)容。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

六行甜菜聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由挖掘裝置、清選輸送裝置、行走裝置、裝車(chē)輸送裝置和牽引裝置等部件組成。甜菜聯(lián)合收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。在進(jìn)行甜菜收獲作業(yè)時(shí)，該機(jī)通過(guò)牽引裝置掛接在拖拉機(jī)后方牽引前進(jìn)，牽引架油缸工作推動(dòng)機(jī)架下降，挖掘裝置隨機(jī)架下降到一定的深度，圓盤(pán)挖掘鏟切碎土壤，同時(shí)夾持住甜菜，甜菜隨圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)上升到一定位置。由撥送器將甜菜及土雜一起拋向分離輸送裝置，經(jīng)過(guò)絞龍輥筒、桿條式鏈篩和橡膠尾篩等部件的清選輸送，實(shí)現(xiàn)了甜菜與土雜分離，土雜掉落至田間；甜菜進(jìn)入回轉(zhuǎn)提升帶繼續(xù)提升輸送，經(jīng)換向輪換向后回轉(zhuǎn)提升帶由豎直輸送變?yōu)樗捷斔椭赁D(zhuǎn)運(yùn)篩，轉(zhuǎn)運(yùn)篩將甜菜輸送至料斗中暫存，由裝車(chē)輸送臂將料斗內(nèi)的甜菜輸送至跟車(chē)車(chē)廂中，完成收獲作業(yè)。

表1 甜菜聯(lián)合收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)工作原理

通過(guò)對(duì)甜菜聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理的分析，綜合作業(yè)參數(shù)和生產(chǎn)成本等因素考慮，該機(jī)設(shè)計(jì)為兩個(gè)開(kāi)式液壓系統(tǒng)即工作系統(tǒng)和操作系統(tǒng)兩部分。

如圖2所示，工作系統(tǒng)由油箱、液壓馬達(dá)、過(guò)濾器、優(yōu)先型壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)閥組、雙聯(lián)齒輪泵、單向閥、溢流閥等液壓元件組成，拖拉機(jī)后輸出軸輸出動(dòng)力經(jīng)變速箱驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)齒輪泵，從油箱吸油，油液分為兩路：前泵回路和后泵回路，經(jīng)單向閥、優(yōu)先型壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)閥組，到達(dá)各液壓馬達(dá)。其中前泵回路控制回轉(zhuǎn)提升帶馬達(dá)，后泵回路控制桿條式鏈篩馬達(dá)、轉(zhuǎn)運(yùn)篩馬達(dá)和橡膠尾篩馬達(dá)等，通過(guò)手動(dòng)操作壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)閥來(lái)控制回路中流量的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，該液壓系統(tǒng)能夠滿足桿條式鏈篩升運(yùn)、橡膠尾篩輸送、回轉(zhuǎn)提升帶提升輸送、轉(zhuǎn)運(yùn)篩轉(zhuǎn)運(yùn)等動(dòng)作的要求，實(shí)現(xiàn)了控制不同輸送篩轉(zhuǎn)速的目的。

圖2 收獲機(jī)工作系統(tǒng)液壓原理圖

如圖3所示，操作系統(tǒng)由快換接頭、過(guò)濾器、油缸、卸荷閥、比例閥、插裝閥、雙平衡閥、液壓鎖等組成，拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)供給壓力油，壓力油分三路分別流向裝車(chē)輸送臂油缸、車(chē)輪轉(zhuǎn)向油缸和牽引架油缸，每個(gè)回路由電磁比例閥根據(jù)輸入的電信號(hào)變化規(guī)律連續(xù)成比例控制壓力油的輸出量，能夠滿足控制裝車(chē)輸送臂的伸展、車(chē)輪轉(zhuǎn)向和牽引架的限深等動(dòng)作的要求，該設(shè)計(jì)思路優(yōu)點(diǎn)是確保每個(gè)回路工作時(shí)互不干擾，提高工作穩(wěn)定性。采用雙向平衡閥和液壓鎖能夠在不同油路中對(duì)油缸起到保護(hù)作用。雙向平衡閥確保裝車(chē)輸送臂油缸伸展時(shí)不受承重載荷的影響，保持裝車(chē)輸送臂平衡穩(wěn)定工作，油缸收縮時(shí)不會(huì)因失速造成沖擊、振動(dòng)；雙向液壓鎖的作用是截止回油，鎖止轉(zhuǎn)向油缸和牽引架油缸，使其不受外界載荷影響，保持工作壓力[7]。

圖3 收獲機(jī)操作系統(tǒng)液壓原理圖

2.2 液壓元件功能介紹

前、后泵回路均采用優(yōu)先型壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)閥組，如圖4所示，其中包括溢流閥和手動(dòng)三通壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)閥，溢流閥起到溢流穩(wěn)壓作用，油路壓力超過(guò)調(diào)定壓力時(shí)開(kāi)啟溢流，進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，確保油路不會(huì)超負(fù)荷工作。

圖4 優(yōu)先型壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)閥組原理圖

工作時(shí)液壓油從進(jìn)油口①流入，從調(diào)節(jié)油口③流出的液壓油流量保持不變，不受調(diào)節(jié)油口下游回路或旁路通口②的負(fù)載壓力變化影響，即液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與負(fù)載和壓力無(wú)關(guān)。因此三通壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)閥b將只通過(guò)橡膠尾篩馬達(dá)所需的流量，而多余的流量將通過(guò)旁路通口進(jìn)入調(diào)節(jié)閥c；三通壓力補(bǔ)償調(diào)節(jié)閥c將只通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)篩馬達(dá)所需的流量，多余的流量通過(guò)旁路通口進(jìn)入調(diào)節(jié)閥d，實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，確保了各篩能夠正常工作。

2.3 工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 確定液壓馬達(dá)主要參數(shù)

根據(jù)各液壓馬達(dá)不同負(fù)載要求確定主要工作參數(shù)和選型。分別根據(jù)桿條式鏈篩、轉(zhuǎn)運(yùn)篩、橡膠尾篩的最大轉(zhuǎn)速要求，確定各馬達(dá)轉(zhuǎn)速取值范圍；根據(jù)回轉(zhuǎn)提升帶的質(zhì)量，確定回轉(zhuǎn)提升帶馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩、流量，并選型。通過(guò)確定以上液壓馬達(dá)型號(hào)進(jìn)而確定工作液壓系統(tǒng)雙聯(lián)齒輪泵的選型。

1) 桿條式鏈篩馬達(dá)計(jì)算。根據(jù)甜菜聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)桿條式鏈篩的運(yùn)行速度要求在0.8～2.0 m/s范圍內(nèi)，確定桿條式鏈篩的驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速

(1)

式中：Vmax——桿條式鏈篩的最大運(yùn)行速度，取2.0 m/s；

r1——桿條式鏈篩驅(qū)動(dòng)輪的半徑，取0.11 m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)得ns=173.7 r/min。

桿條式鏈篩馬達(dá)轉(zhuǎn)速

(2)

式中：zs——桿條式輸送鏈驅(qū)動(dòng)輪鏈輪齒數(shù)，取36；

zsm——馬達(dá)鏈輪齒數(shù)，取26。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)中，得到nsm=240 r/min。因此確定馬達(dá)型號(hào)為BMR-200P2AⅡY10/T10，額定壓力Ps=15 MPa，排量Vs=200 mL/r。

2) 回轉(zhuǎn)提升帶馬達(dá)計(jì)算。收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩T由主驅(qū)動(dòng)齒輪經(jīng)鏈條驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒輪，驅(qū)動(dòng)滿載甜菜的回轉(zhuǎn)提升帶工作，則回轉(zhuǎn)提升帶馬達(dá)對(duì)提升帶拉力

F1=m1g

(3)

(4)

式中：m1——滿載甜菜的提升帶總質(zhì)量，480 kg；

g——重力加速度，10 m/s2；

r——主驅(qū)動(dòng)輪半徑，0.073 m；

i——傳動(dòng)比，2.5。

把相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)、式(4)中得到T=146 N·m。

提升液壓馬達(dá)的排量

(5)

式中： ΔP——系統(tǒng)工作壓力，經(jīng)查詢(xún)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[8]取15 MPa；

ηm——液壓馬達(dá)機(jī)械效率，取0.95。

經(jīng)計(jì)算得到液壓馬達(dá)輸出排量Vt=63 mL/r，確定馬達(dá)型號(hào)為BMR-100P2AⅡY10/T10，額定壓力Pt=15 MPa。

此外根據(jù)式(1)、式(2)，分別計(jì)算出轉(zhuǎn)運(yùn)篩馬達(dá)、橡膠尾篩馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速為88 r/min、95 r/min，其相關(guān)參數(shù)及選型如表2所示。

表2 液壓馬達(dá)參數(shù)

2.3.2 確定其他液壓元件的主要參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)工作壓力和系統(tǒng)流量，確定工作系統(tǒng)液壓控制閥、雙聯(lián)齒輪泵及輔助元件的主要參數(shù)及選型，如表3所示。

表3 液壓元件主要參數(shù)和型號(hào)

2.4 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 確定油缸主要參數(shù)

操作系統(tǒng)的液壓缸均采用雙作用單桿缸[9]。甜菜聯(lián)合收獲機(jī)裝車(chē)輸送臂裝置升降過(guò)程中，雙作用油缸推力F2計(jì)算如式(6)所示。

F2l=GLz

(6)

通過(guò)受力分析輸送臂處在最低位置時(shí)如圖5所示，油缸推力最大，油缸鉸接軸與固定底座最短距離l=800 mm，輸送臂滿載時(shí)總質(zhì)量為m2=800 kg，則一側(cè)油缸所受重力G=4 kN，裝車(chē)輸送力臂Lz=2 300 mm，得到F2=11.5 kN。

圖5 裝車(chē)輸送臂結(jié)構(gòu)圖

液壓缸內(nèi)徑[10]

(7)

式中：P——工作壓力，MPa。

根據(jù)查詢(xún)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于農(nóng)機(jī)業(yè)機(jī)械設(shè)備的工作壓力范圍為3.5～21 MPa，本文選取P=15 MPa，把F2=11.5 kN代入式(7)計(jì)算得到D=31.1 mm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2348—1993《液壓氣動(dòng)系統(tǒng)及元件缸內(nèi)徑及活塞桿外徑》，將液壓缸內(nèi)徑圓整為D=40 mm；經(jīng)計(jì)算得到活塞桿直徑d=20 mm，將液壓缸活塞桿直徑圓整為d=25 mm，可確定油缸行程s=500 mm。

按照同樣的分析方法，依次確定牽引架油缸、輪胎轉(zhuǎn)向油缸等液壓元件技術(shù)參數(shù)，如表4所示。

表4 液壓缸參數(shù)

2.4.2 確定其他液壓元件主要參數(shù)

根據(jù)操作系統(tǒng)工作壓力為15 MPa，拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)流量為60 L/min，確定操作系統(tǒng)控制閥和輔助元件的主要參數(shù)及選型，如表5所示。

表5 液壓元件主要參數(shù)和型號(hào)

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2020年10月下旬，在山東省樂(lè)陵市某公司試驗(yàn)田進(jìn)行整機(jī)液壓系統(tǒng)的測(cè)試試驗(yàn)，地勢(shì)平坦，空氣溫度為22 ℃，空氣相對(duì)濕度48%。試驗(yàn)設(shè)備：一臺(tái)功率為210 kW的凱斯210型拖拉機(jī)、米尺、耐震壓力表、溫度計(jì)、PC3860型電子秒表、JM-B型電子秤等。

3.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

本試驗(yàn)分為液壓系統(tǒng)試驗(yàn)和整機(jī)收獲試驗(yàn)。整機(jī)正常工作時(shí)，用電子秒表記錄裝車(chē)輸送臂伸展用時(shí)，用溫度計(jì)測(cè)量工作系統(tǒng)和操作系統(tǒng)油液的溫度得到3 h溫升數(shù)值并記錄；觀察工作系統(tǒng)前泵、后泵回路壓力表的最大數(shù)值并記錄。重復(fù)3次試驗(yàn)，取測(cè)量數(shù)值的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 液壓系統(tǒng)試驗(yàn)性能結(jié)果

液壓系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明，3 h工作系統(tǒng)溫升62.3 ℃、3 h操作系統(tǒng)溫升55.6 ℃、工作系統(tǒng)前泵回路壓力12.5 MPa、工作系統(tǒng)后泵回路壓力13.5 MPa、裝車(chē)輸送臂伸展用時(shí)15.6 s，各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果均符合GB/T 3766—2015《液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及其元件的通用規(guī)則和安全要求》的標(biāo)準(zhǔn)要求[10]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證整機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行田間收獲試驗(yàn)如圖6所示。

圖6 田間收獲試驗(yàn)

試驗(yàn)地隨機(jī)選取5個(gè)小區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)小區(qū)收獲長(zhǎng)度為20 m，寬度為收獲機(jī)作業(yè)幅寬，對(duì)甜菜的含雜率、損傷率和作業(yè)效率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)最終的測(cè)定結(jié)果平均值計(jì)算得到收獲甜菜的含雜率、損傷率和作業(yè)效率，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 甜菜收獲試驗(yàn)結(jié)果

1) 將測(cè)定區(qū)內(nèi)機(jī)器收獲到的全部樣品稱(chēng)出質(zhì)量，并對(duì)收獲到的甜菜除去雜質(zhì)，稱(chēng)出雜質(zhì)質(zhì)量。甜菜含雜率

(8)

式中：Kz——甜菜含雜率，%；

Wz——泥土質(zhì)量，kg；

Wy——機(jī)器收獲到的樣品總質(zhì)量，kg。

2) 將測(cè)定區(qū)內(nèi)甜菜收獲機(jī)收獲到的全部樣品清除雜質(zhì)，稱(chēng)出甜菜凈質(zhì)量，再?gòu)奶鸩酥羞x出損傷的甜菜稱(chēng)出質(zhì)量，甜菜損傷率

(9)

式中：Kg——甜菜損傷率，%；

Wg——損傷的甜菜質(zhì)量，kg；

Wh——甜菜凈質(zhì)量，kg。

3) 純作業(yè)時(shí)間內(nèi)機(jī)器生產(chǎn)效率

(10)

式中：Ec——純作業(yè)時(shí)間生產(chǎn)效率，hm2/h；

Tc——機(jī)器通過(guò)測(cè)定區(qū)所需的時(shí)間，h；

Lc——測(cè)定區(qū)長(zhǎng)度，m；

B——作業(yè)幅寬，m。

整機(jī)試驗(yàn)表明，含雜率為4.9%、損失率為3.0%、作業(yè)效率為1.08 hm2/h，各項(xiàng)測(cè)試值結(jié)果均符合NY/T 1412—2018G《甜菜收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》的相關(guān)要求[11]。通過(guò)液壓系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果和整機(jī)收獲試驗(yàn)證明該機(jī)液壓系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，整機(jī)設(shè)計(jì)合理，可滿足甜菜收獲要求。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)目前甜菜收獲方式主要以分段式或人工為主，自動(dòng)化水平低，設(shè)計(jì)了甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的液壓系統(tǒng)，可一次性完成挖掘、清選、輸送、裝車(chē)等作業(yè)。

2) 通過(guò)對(duì)整機(jī)工作原理的分析，確定該機(jī)液壓系統(tǒng)分為工作系統(tǒng)和操作系統(tǒng)兩部分。根據(jù)對(duì)負(fù)載的分析和計(jì)算，確定了液壓元件主要參數(shù)并對(duì)其選型。通過(guò)液壓系統(tǒng)試驗(yàn)表明，該甜菜聯(lián)合收獲機(jī)液壓系統(tǒng)合理性，工作穩(wěn)定性良好，該機(jī)3 h工作系統(tǒng)溫升62.3 ℃、3 h 操作系統(tǒng)溫升55.6 ℃、工作系統(tǒng)前泵回路壓力12.5 MPa、工作系統(tǒng)后泵回路壓力13.5 MPa、裝車(chē)臂伸展用時(shí)15.6 s，各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3) 該機(jī)收獲作業(yè)含雜率為4.9%、損失率為3.0%、作業(yè)效率為1.08 hm2/h，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)一步證明整機(jī)工作性能良好，滿足收獲作業(yè)要求，同時(shí)提高工作效率。