拖拉機(jī)配套打捆機(jī)聯(lián)動控制系統(tǒng)開發(fā)

白 楊 ，管 磊 ，蔣亞波 ，原志華 ，薛運起

（第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471004）

0 引言

近年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈還田的結(jié)果顯示農(nóng)作物發(fā)生病蟲害的風(fēng)險增加[1]。隨著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強，農(nóng)田秸稈處理方式逐步由秸稈還田作業(yè)改進(jìn)為秸稈離田作業(yè)[2]。實際上，秸稈除還田外，還可用于飼喂牲畜、制作有機(jī)肥、發(fā)電或用作工業(yè)原料等[3-4]。然而，秸稈在收、儲、運過程中存在比較松散、密度小、收獲時間短、貯存運輸困難等問題[5-6]。

解決秸稈的存儲和運輸問題，是提高秸稈綜合利用率的關(guān)鍵[7]。打捆機(jī)對秸稈進(jìn)行打捆作業(yè)可使得秸稈體積變小，易于運輸，因而被廣泛應(yīng)用于秸稈的收儲過程。

目前市場上帶有打捆機(jī)的拖拉機(jī)在拾撿完秸稈后，需要停車吐捆。當(dāng)打捆機(jī)完成打捆作業(yè)需要拖拉機(jī)停車吐捆時，打捆機(jī)會發(fā)出停車報警信號，提醒用戶及時壓下離合器踏板，實現(xiàn)動力分離，達(dá)到拖拉機(jī)停車的目的[8]。拖拉機(jī)在大田里作業(yè)時，由于行駛速度慢，行進(jìn)阻力大，需要停車時只需要踩下離合器踏板，斷開離合器，切斷發(fā)動機(jī)對傳動系統(tǒng)的動力提供，僅靠地面的阻力即可實現(xiàn)拖拉機(jī)停車，拖拉機(jī)停車后，后面的打捆機(jī)也會跟著停車，停止對秸稈的吸入。

帶有打捆機(jī)的拖拉機(jī)在作業(yè)時，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境噪聲較大，部分用戶會由于種種原因不能及時發(fā)現(xiàn)停車報警信號。從而導(dǎo)致不能實現(xiàn)精確的停車吐捆，打捆機(jī)需要吐捆時拖拉機(jī)仍繼續(xù)行駛，打捆機(jī)持續(xù)吸入秸稈，吸入的秸稈使得拖拉機(jī)的行進(jìn)阻力持續(xù)增加，最終造成拖拉機(jī)動力輸出傳遞扭矩的瞬時大幅度增加，導(dǎo)致拖拉機(jī)離合器摩擦片發(fā)生燒毀故障[9]。如何解決打捆機(jī)的精確停車吐捆問題，提升打捆機(jī)的工作效率，延長拖拉機(jī)離合器的使用壽命，降低離合器及整機(jī)故障率成為各大拖拉機(jī)主機(jī)廠商亟待解決的問題。

1 打捆機(jī)工作原理

打捆機(jī)一般需要和拖拉機(jī)配套使用，拖拉機(jī)的動力輸出軸為其提供動力并傳遞到各工作部件。拖拉機(jī)配套打捆機(jī)現(xiàn)場作業(yè)如圖1 所示，在作業(yè)時，由打捆機(jī)上的喂入機(jī)構(gòu)把秸稈送進(jìn)四周布滿不停轉(zhuǎn)動鋼錕的成捆室內(nèi)，秸稈在成捆室內(nèi)不斷翻滾積累擴(kuò)大[10]。當(dāng)秸稈捆最外圍與成捆室內(nèi)的鋼錕完全接觸并達(dá)到預(yù)設(shè)密度時，控制器發(fā)出信號使繞繩機(jī)構(gòu)的電磁離合器接通，夾繩輥開始轉(zhuǎn)動，對圓秸稈捆進(jìn)行繞繩；同時，喂入機(jī)構(gòu)的電磁離合器分離，喂入機(jī)構(gòu)停止輸送秸稈。繞繩結(jié)束時，在割刀割斷麻繩的同時接通蜂鳴器，由駕駛員操縱液壓油缸打開倉門進(jìn)行吐捆。倉門關(guān)閉后，控制器發(fā)出信號接通喂入機(jī)構(gòu)的電磁離合器，再次喂料重復(fù)下一個循環(huán)。

圖1 拖拉機(jī)配套打捆機(jī)現(xiàn)場作業(yè)照片

按照打捆機(jī)的作業(yè)模式，可簡單將其分為以下作業(yè)工序：拖拉機(jī)掛接→撿拾→強制喂入→壓實→輥筒卷壓→布網(wǎng)→放捆。入料階段拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速為1 700 r/min~2 000 r/min，車速在7 km/h 左右（拖拉機(jī)一般為中Ⅱ擋），動力輸出常轉(zhuǎn)；當(dāng)聽到打捆機(jī)滿倉報警后，拖拉機(jī)駕駛員踩下離合，掛空擋，停止前進(jìn)，等待自動纏網(wǎng)，整個過程仍需保持動力輸出；物料成捆并完成布網(wǎng)后，拉起液壓輸出，切網(wǎng)并打開打捆機(jī)倉門放出草捆。如果入料時發(fā)生堵塞，需要切斷動力輸出，打開打捆機(jī)底板掏出堵塞草料，然后重啟動力輸出。

因打捆作業(yè)時只需要通過打捆機(jī)把地上已準(zhǔn)備好的草垛拾起，整機(jī)牽引負(fù)荷較小，主要負(fù)荷在動力輸出及副離合器機(jī)構(gòu)。同時，因常規(guī)作業(yè)時，動力輸出常轉(zhuǎn)，不需要操縱副離合器軟軸切斷輸出，故離合器副片處于常壓緊接觸狀態(tài)。整個作業(yè)過程中，負(fù)荷最大的時候為喂入草料的最后階段，如果拖拉機(jī)未及時停車或喂入草料不均勻，造成喂入量過大，則會造成堵塞，甚至導(dǎo)致發(fā)動機(jī)被憋熄火，這也是目前離合器副片工作時最惡劣的工況。

2 拖拉機(jī)打捆機(jī)聯(lián)動裝置設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

實現(xiàn)打捆機(jī)和拖拉機(jī)聯(lián)動控制的關(guān)鍵，是要將打捆機(jī)的信號與拖拉機(jī)離合器的控制聯(lián)系起來，從而實現(xiàn)拖拉機(jī)在打捆機(jī)需要停車吐捆時精準(zhǔn)停車。本文研究的拖拉機(jī)與打捆機(jī)聯(lián)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該結(jié)構(gòu)包含：打捆機(jī)壓差傳感器、拖拉機(jī)電器控制器、電磁閥及液壓管路和離合器分離機(jī)構(gòu)。其中，拖拉機(jī)離合器采用液壓助力的結(jié)構(gòu)形式，通過電控單元接收到打捆機(jī)的電信號，從而控制離合器助力閥塊上的電磁閥。通過控制離合器助力閥塊油路的變換來精確控制離合器的結(jié)合與分離，從而實現(xiàn)打捆機(jī)和拖拉機(jī)離合器的聯(lián)動效果。具體工作過程：控制器接收到打捆機(jī)信號后進(jìn)行邏輯判斷并發(fā)出相關(guān)指令，控制電磁閥以改變液壓油路，液壓系統(tǒng)的壓力油充入油缸來推動離合器分離叉軸，以實現(xiàn)主離合器分離接合控制，從而實現(xiàn)拖拉機(jī)自動停車。

圖2 整體聯(lián)動結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 設(shè)計過程

本研究主要以如何通過電器控制單元對打捆機(jī)工作信號進(jìn)行邏輯判斷來發(fā)出信號指令，使液壓系統(tǒng)切斷拖拉機(jī)離合器實現(xiàn)停車功能作為重點研究對象，電控邏輯圖如圖3所示。

圖3 電器控制邏輯圖

打捆機(jī)打滿一捆草時，為了避免地上漏草，打捆機(jī)需要進(jìn)行吐捆操作。此時，拖拉機(jī)電器控制器接收到打捆機(jī)壓差傳感器發(fā)出的信號，通過邏輯判斷，控制器向電磁閥發(fā)出指令，電磁閥直接向油缸提供壓力油，油缸推動離合器分離叉軸，使得拖拉機(jī)離合器分離，從而實現(xiàn)停車。此時，出于安全考慮，駕駛員需要將拖拉機(jī)的擋位掛至空擋。當(dāng)控制器檢測到拖拉機(jī)的空擋信息時，對電磁閥發(fā)出指令，電磁閥斷電，油路改變，離合器助力油缸的壓力油消失。拖拉機(jī)需要重新行駛時，按照踩離合、掛擋的操作進(jìn)行起步即可，打捆機(jī)也隨即繼續(xù)進(jìn)行摟草作業(yè)。

配備本系統(tǒng)的拖拉機(jī)必須具備離合器液壓助力結(jié)構(gòu)，離合器助力系統(tǒng)的液壓原理圖如圖4 所示。在液壓系統(tǒng)中使用雙聯(lián)齒輪泵（一個高壓泵和一個低壓泵），其中，高壓泵的高壓油給懸掛提升系統(tǒng)供油，低壓泵為離合助力和散熱系統(tǒng)供油。低壓泵的壓力油經(jīng)過分流閥后給離合助力系統(tǒng)提供流量穩(wěn)定的壓力油，而從分流閥分出去的多余液壓油流入散熱潤滑系統(tǒng)。

圖4 離合器助力系統(tǒng)液壓原理圖

在離合器控制系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的是電磁閥和離合器助力總泵，電磁閥和離合器助力總泵的原理圖分別如圖5、圖6 所示。拖拉機(jī)正常行駛時，電磁閥的線路懸空，此時電磁閥處于斷電狀態(tài)。從分流閥進(jìn)入電磁閥的液壓油直接從電磁閥的P 口流向A 口，后進(jìn)入離合器助力總泵的P1 油口。離合器助力總泵進(jìn)油口處設(shè)置有單向閥，在未踩下離合器、齒輪泵不斷泵油的情況下，液壓系統(tǒng)中液壓油的壓力越來越高，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過20 bar 時，進(jìn)入離合器助力總泵的液壓油直接從T1回油口進(jìn)行回油。

圖5 電磁閥原理圖

圖6 離合器助力總泵原理圖

拖拉機(jī)正常行駛，當(dāng)踩下離合踏板時，電磁閥流向離合器助力總泵的壓力油經(jīng)P1 口流向A1 口，從A1 口流出的壓力油流向電磁閥的C 口后從B 口流出，流向離合器助力油缸，從而實現(xiàn)離合器助力。

在打捆機(jī)進(jìn)行打捆作業(yè)時，由于進(jìn)入打捆機(jī)內(nèi)部的草越來越多，在打捆機(jī)儲草倉內(nèi)部的壓力會越來越大。打捆機(jī)上配備有壓差傳感器，拖拉機(jī)電器控制器收到打捆機(jī)壓差傳感器達(dá)到一定限值的壓力信號時，會在儀表顯示屏上出現(xiàn)“停車布網(wǎng)”字樣。同時，電器系統(tǒng)向電磁閥供電，電磁閥吸合，油路改變。此時，進(jìn)入電磁閥的液壓油直接從P 口流向B 口，然后流向離合器助力油缸，使主離合器分離。將拖拉機(jī)擋位掛入空擋后，儀表顯示屏上“停車布網(wǎng)”字樣消失，拖拉機(jī)電器控制器接收到拖拉機(jī)空擋信號后，控制電磁閥的線路再次懸空。此時，液壓助力系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，完成打捆機(jī)布網(wǎng)操作后，可繼續(xù)進(jìn)行打捆作業(yè)。

2.3 試驗驗證

對本文研究的內(nèi)容進(jìn)行了實車驗證，配套試驗現(xiàn)場照片如圖7 所示。對拖拉機(jī)在接收到打捆機(jī)信號后是否能夠?qū)崿F(xiàn)即時停車進(jìn)行了驗證。當(dāng)拖拉機(jī)接收到打捆機(jī)信號后，位于駕駛室內(nèi)部的屏幕上顯示的信號如圖8所示。

圖7 拖拉機(jī)配套打捆機(jī)試驗

圖8 打捆機(jī)停車界面

試驗表明，本文研究的拖拉機(jī)與打捆機(jī)的聯(lián)動系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地實現(xiàn)拖拉機(jī)與打捆機(jī)的聯(lián)動。

3 結(jié)語

本文介紹的系統(tǒng)利用離合器總泵與電磁閥之間的巧妙連接，不僅可以在正常使用中根據(jù)需要，通過踩下離合器踏板控制離合器助力油缸，以實現(xiàn)使拖拉機(jī)停車的目的；而且利用壓差傳感器與拖拉機(jī)自身的電器控制器連接，通過電器控制器控制電磁閥，可以在打捆機(jī)完成打捆時通過電器控制器控制電磁閥動作，最終實現(xiàn)對離合器助力油缸的自動控制，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，安全可靠，可以對拖拉機(jī)離合器形成有效保護(hù)。同時，也為各大拖拉機(jī)主機(jī)廠解決拖拉機(jī)配套打捆機(jī)時離合器故障率高的問題，提供了一種有效的解決方案。