1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張俊杰，張西群，馬 力，高常增，王明濤，焦海濤*

(1.河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司，河北石家莊 050051；2.邱縣駿馬機(jī)械有限公司，河北邯鄲 057450；3.邱縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北邯鄲 057450)

由于果園種植為勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)對(duì)果園管理機(jī)械的研究起步較晚，機(jī)械化程度不高。河北省作為果園種植大省，近年隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用工成本越來越高，制約著該省果園產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，急需發(fā)展機(jī)械化、智能化的果園管理機(jī)械[1-5]。該研究針對(duì)河北省果園發(fā)展現(xiàn)狀和果園作業(yè)環(huán)境，研發(fā)一種履帶自走式遙控旋耕機(jī)，其可配套開溝、施肥、起壟、回填、植保等功能部件，實(shí)現(xiàn)果園全生產(chǎn)鏈的機(jī)械化管理。

1 機(jī)具整體設(shè)計(jì)與組成部分

1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)由底盤行走裝置、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、遙控操作系統(tǒng)、電控油門、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、防撞裝置等組成[6]，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 底盤及行走裝置設(shè)計(jì)底盤行走裝置由車架、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、履帶等組成。車架為車體整體車架，安裝履帶遙控式作業(yè)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、蓄電池、液壓站、動(dòng)力輸出裝置等[7-11]。車架結(jié)構(gòu)如圖2所示。驅(qū)動(dòng)輪固定于車架的后上方，與變速箱連接，與導(dǎo)向輪橫向水平，置于車架前端，車架的底端設(shè)有4組支重輪，用于支撐車體，履帶環(huán)繞在驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪上，由導(dǎo)向輪后的張緊裝置調(diào)節(jié)履帶的松緊。1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)行走由變速箱傳遞動(dòng)力至驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)向輪引導(dǎo)車體行走方向，履帶滾動(dòng)前進(jìn)，帶動(dòng)支重輪在履帶上滾動(dòng)，同時(shí)將車體重量分布在履帶上。

圖2 車架結(jié)構(gòu)

1.2 動(dòng)力及傳動(dòng)設(shè)計(jì)1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)動(dòng)力來源于柴油機(jī)，柴油機(jī)動(dòng)力通過V型三角帶傳至變速箱，由離合手柄控制離合帶輪與變速箱的結(jié)合分離。設(shè)計(jì)動(dòng)力經(jīng)變速箱分兩路傳出：一部分為變速箱動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元，其是通過變速箱內(nèi)的齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳輸至車體兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，履帶帶動(dòng)支重輪、導(dǎo)向輪在履帶內(nèi)滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車體行走，同時(shí)，變速箱手柄掛接不同檔位，實(shí)現(xiàn)機(jī)組不同速度行進(jìn)以及前進(jìn)與后退的變換，停車則通過拉動(dòng)離合手柄使離合帶輪與變速箱分離實(shí)現(xiàn)；另一部分為變速箱動(dòng)力后輸出掛接單元，該作業(yè)機(jī)配套功能部件為旋耕裝置，因此變速箱動(dòng)力后輸出口通過與旋耕機(jī)變速箱連接實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)刀軸旋轉(zhuǎn)，旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)、停通過離合裝置控制。

1.3 遙控及操作設(shè)計(jì)遙控履帶自走式旋耕機(jī)是在機(jī)械操縱的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的電子集成控制系統(tǒng)與機(jī)械操縱技術(shù)相結(jié)合[12-14]。遙控控制系統(tǒng)發(fā)射器采用型號(hào)F-23BBTX(圖3)，接收器采用型號(hào)F23-BBRX，接線方式如圖4所示。

圖3 F-23BBTX發(fā)射器

圖4 F23-BBRX接收器接線方式

發(fā)射器采用點(diǎn)動(dòng)方式按鍵，發(fā)動(dòng)機(jī)油門大小、車體左右轉(zhuǎn)向、旋耕機(jī)具升降、旋耕刀軸轉(zhuǎn)停、離合器分合等均通過發(fā)射器點(diǎn)動(dòng)按鍵實(shí)現(xiàn)，發(fā)射器還設(shè)有急停按鈕，以便偶遇緊急狀況時(shí)操作，發(fā)射器工作狀態(tài)如長時(shí)間不需點(diǎn)動(dòng)功能按鍵可點(diǎn)動(dòng)按鍵鎖定，發(fā)射器通電使用需先點(diǎn)動(dòng)解鎖按鍵。

遙控履帶自走式旋耕機(jī)機(jī)械操縱部分設(shè)計(jì)為“工”字型操作檔位，切換檔位時(shí)需點(diǎn)動(dòng)發(fā)射器上的“分”按鍵，接收器接收指令發(fā)送給液壓控制系統(tǒng)，由液壓推桿推動(dòng)離合器分離，操縱桿手動(dòng)切換到所需檔位。

1.4 電控油門設(shè)計(jì)1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)采用SGCD10型電控油門裝置，用于控制機(jī)具發(fā)動(dòng)機(jī)油門大小裝置，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)具行走或作業(yè)過程中的加減速。其由電機(jī)、單片機(jī)、內(nèi)置行程調(diào)節(jié)電位器、外接行程調(diào)節(jié)電位器、鋼絲等組成。電控油門通過驅(qū)動(dòng)內(nèi)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼絲伸縮實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)油門的控制[12-15]。電動(dòng)油門控制器接線方式如圖5所示，其安裝接線后對(duì)電控油門進(jìn)行調(diào)試，確保升速信號(hào)和降速信號(hào)無效，接通電源，鋼絲自動(dòng)降到下限位置，把發(fā)動(dòng)機(jī)的油門調(diào)節(jié)手柄調(diào)節(jié)到合適的怠速位置，將鋼絲繩固定到發(fā)動(dòng)機(jī)的油門調(diào)節(jié)手柄上。外接行程調(diào)節(jié)電位器調(diào)到最大位置，內(nèi)置行程調(diào)節(jié)電位器調(diào)到較小位置，使升速信號(hào)有效，鋼絲繩收縮，油門調(diào)節(jié)手柄慢慢拉至內(nèi)置行程調(diào)節(jié)電位器設(shè)定的位置，調(diào)整內(nèi)置行程調(diào)節(jié)電位器，直到油門調(diào)節(jié)手柄調(diào)到合適的高速位置，此時(shí)調(diào)整外接行程調(diào)節(jié)電位器，使油門手柄在下限位置和內(nèi)置行程調(diào)節(jié)電位器設(shè)定的最大位置之間移動(dòng)。使升速信號(hào)無效，降速信號(hào)有效，則油門手柄降到下限位置；使升速信號(hào)有效，油門手柄將移動(dòng)到電位器設(shè)置的位置；如果升速信號(hào)與降速信號(hào)同時(shí)有效，將執(zhí)行升速信號(hào)。

圖5 電控油門接線方式

1.5 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)由齒輪泵、電磁換向閥、油缸、油管、濾清器等元件組成，依靠液壓系統(tǒng)的工作，實(shí)現(xiàn)配套功能部件的升降[16-17]，其原理如圖6所示，電磁換向閥工作原理如圖7所示。

注：1.油箱；2.濾網(wǎng)；3.液壓泵；4.油缸；5.提升架；6.泵閥油管；7.閥缸油管；8.換向閥；9.操縱手柄；10.安全閥；11.回油管

圖7 電磁換向閥工作原理

車輛在行駛過程中，按下遙控器左(右)按鈕，接收器指示燈亮起。同時(shí)主控制閥、左轉(zhuǎn)向閥指示燈亮起，接通左轉(zhuǎn)向油缸油路，活塞桿伸出，推動(dòng)左轉(zhuǎn)向搖臂，帶動(dòng)左分離撥叉，分開變速箱內(nèi)部末端主動(dòng)齒輪，切斷左邊動(dòng)力，機(jī)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。松開后，所有指示燈熄滅，油缸回位，末端主動(dòng)齒輪結(jié)合，機(jī)器直線行走。停車時(shí)則接收器、主控制閥、左轉(zhuǎn)向閥、右轉(zhuǎn)向閥指示燈同時(shí)亮起、左右轉(zhuǎn)向油缸同時(shí)伸出，推動(dòng)左右轉(zhuǎn)向搖臂同時(shí)分離，實(shí)現(xiàn)停車。

2 1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)測(cè)試試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)試驗(yàn)分最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)、平均接地壓力試驗(yàn)、旋耕深度及穩(wěn)定性試驗(yàn)3項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行[18-20]。試驗(yàn)于2021年6月21日在中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)面積100 m×50 m，矩形，地塊規(guī)整，土壤肥力中等，植被覆蓋量2 550 g/m2，土壤堅(jiān)實(shí)度6.9 kg/cm2，土壤含水率19.4%(0～10 cm土層)。

2.2 最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)試驗(yàn)方法：將1GZDY-120履帶自走式遙控作業(yè)機(jī)暫未掛接旋耕機(jī)，試驗(yàn)機(jī)開到空曠地面，操縱桿掛接 Ⅰ 檔，油門為最小狀態(tài)，在平齊機(jī)具前端和右側(cè)劃線，長按發(fā)射器(遙控器)上的“左”按鍵，機(jī)具轉(zhuǎn)一整圈，測(cè)算轉(zhuǎn)彎半徑，試驗(yàn)重復(fù)5次，計(jì)算平均值。由表1可知，1GZDY-120履帶自走式遙控作業(yè)機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑為1.800 m。

表1 最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)

2.3 平均接地壓力試驗(yàn)平均接地壓力試驗(yàn)是測(cè)定旋耕機(jī)重量和行走裝置接地面積，其比值即為整機(jī)對(duì)土壤的平均接地壓力。試驗(yàn)方法：1GZDY-120履帶自走式遙控作業(yè)機(jī)掛接旋耕機(jī)，測(cè)定質(zhì)量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)加滿油、水稱重。在場(chǎng)地上測(cè)定履帶的接地長度(第一支重輪中心到張緊輪中心垂線的水平距離)和寬度(履帶寬度)，計(jì)算面積。計(jì)算公式如下：

(1)

式中，P為平均接地壓力(kPa)；M為自走旋耕機(jī)整備質(zhì)量(kg)；b為機(jī)具兩側(cè)履帶寬度之和(m)；l為履帶的接地長度(m)。

1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)整備質(zhì)量為730 kg(通過稱重得知)，每條履帶寬度為0.230 m，左右2條履帶總寬度為0.460 m，履帶的接地長度為1.005 m，通過計(jì)算得平均接地壓力為15.5 kPa。

2.4 旋耕深度及穩(wěn)定性試驗(yàn)

2.4.1旋耕深度試驗(yàn)方法。在測(cè)區(qū)內(nèi)沿機(jī)組前進(jìn)方向每隔2 m 左右兩側(cè)各測(cè)1個(gè)點(diǎn)，各測(cè)10次，計(jì)算耕深平均值。計(jì)算公式如下：

(2)

式中，a為耕深平均值(cm)；ai為第i點(diǎn)的旋耕深度(cm)；n為測(cè)定點(diǎn)數(shù)。

1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)耕深試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，數(shù)據(jù)代入公式(2)計(jì)算得旋耕深度平均值為12.1 cm。

表2 耕深試驗(yàn)的旋耕深度

2.4.2耕深穩(wěn)定性系數(shù)。1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)耕深穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算方法：由表2耕深試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入耕深標(biāo)準(zhǔn)差S計(jì)算公式(3)，由公式(4)和公式(5)推算出耕深變異系數(shù)V為3.9%，耕深穩(wěn)定性系數(shù)U為96.1%。

(3)

(4)

U=1-V

(5)

3 結(jié)論

該研究研制了一種1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)，該機(jī)集機(jī)械技術(shù)、電子集成控制技術(shù)和液壓控制技術(shù)于一體。由發(fā)射器發(fā)送指令，接收器接收指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)等的控制，完成對(duì)1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)行走(快、慢)、轉(zhuǎn)向、旋耕機(jī)升降、旋耕刀軸轉(zhuǎn)停的遠(yuǎn)程操作，減少農(nóng)藥和塵土對(duì)操作人員的危害，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

由1GZDY-120履帶自走式遙控旋耕機(jī)測(cè)試試驗(yàn)表明最小轉(zhuǎn)彎半徑小，可原地轉(zhuǎn)向，不受種植條件限制，機(jī)具平均接地壓力大，抓地能力強(qiáng)，旋耕深度適宜且穩(wěn)定性好，耕深一致。最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)與試驗(yàn)時(shí)土壤堅(jiān)實(shí)度、含水率有關(guān)，所以在不同地況下土壤轉(zhuǎn)彎半徑略有不同。