果園履帶式多功能作業機的研制

王學良,李 強,范國強,宋月鵬,徐文英,張曉輝,沈典誥

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院,山東 泰安 271018;2.山東省園藝機械與裝備實驗室,山東 泰安 271018;3.泰安市山立機械設備有限公司,山東 泰安 271000)

0 引言

我國是世界第一大水果生產國和消費國,林果業是農民增收致富的一條重要渠道。但是,我國果園主要分布在丘陵山地,地形復雜多變,現有的輪式作業機械抗傾翻能力差,轉彎半徑大,難以適應丘陵山地等復雜地形[1-3]。果園管理中的植保、開溝施肥和除草作業具有勞動量大和季節性強的特點,隨著勞動力成本的不斷升高,果園管理機械化的需求也越來越迫切[4]。近幾年出現的微耕機等小型機具主導了丘陵山地農機的發展方向[5],但微耕機作業效率不高,難以適應規模化種植的需求。新疆機械研究院研制了一種手扶式履帶多功能果園作業機,但其植保作業還是依靠果農手持噴桿作業,無法實現開溝施肥和除草的機械化作業[6]。與此同時,我國果農的購買能力不強,如何提高主機的配套率也是亟待解決的問題之一。因此,研制一種適合丘陵山區果園植保、開溝施肥和除草作業的果園多功能作業機對于提高我國果園管理的機械化水平具有重要的意義。

履帶式車輛具有較大的爬坡能力和附著能力,對復雜地形適應能力強,且具有重心低和抗傾覆能力強的特點[4-9],特別適合丘陵山地復雜地形條件下的作業。為此,設計了一種中等功率的履帶式液壓驅動果園作業機,為提高機具的配套率,還設計了簡單可靠的懸掛裝置,實現了多種作業裝置的快速更換。

1 整機結構與工作原理

1.1 主機結構設計

該履帶式果園多功能作業機行走與工作部件均采用液壓系統進行驅動,主要由車架、動力系統、履帶行走機構、懸掛裝置和控制裝置組成,拆去座椅的整機結構如圖1所示。

1.附具液壓馬達 2.雙萬向聯軸器 3.掛接板 4.機具齒輪泵

動力系統主要由柴油發動機、齒輪泵和液壓油箱組成,位于作業機的中后部、駕駛座椅的后下方,為整機提供動力。作業車車架通過銷軸和螺栓與兩側的履帶機構相連,履帶行走機構處于作業的底部,由液壓馬達驅動行走。懸掛裝置主要由機具提升液壓缸與掛接板構成,鉸接在作業機后部,機具液壓馬達安裝在作業車的后部,帶動一條雙萬向聯軸器為作業裝置提供動力?？刂蒲b置的主要部件是液壓閥,行走控制閥處于駕駛座椅的前部,作業裝置控制閥處于駕駛座椅的右側。平地鏟處于作業機的前端,為了平衡整機,在作業機的前端掛接了配重,根據作業裝置的不同,可調節配重的數量。

由于該作業機采用履帶行走機構和如圖1所示的零部件布置方式,使得該機質心高度大大降低,質心高度僅為0.6m。通過調節配重,可使質心處于車體中部,極大提高了整機的抗傾翻能力。

根據我國果園的實際情況,整機主要目標參數如表1所示。

表1 履帶式果園多功能作業機主要目標參數

1.2 工作原理

為提高操作性能和驅動力,作業機采用液壓系統進行驅動,液壓系統原理如圖2所示。

1.2.1 行走轉向原理

柴油發動機帶動行走齒輪泵為履帶行走系統提供高壓油,行走轉向控制閥組為雙聯三位六通手動換向閥,分別控制左行走馬達和右行走馬達的轉向。雙聯閥芯處于中位時,液壓油回油箱,行走馬達不轉,作業車靜止;雙聯閥芯位置同時處于左方或右方時,兩馬達轉向相同,作業機前進或后退;雙聯閥芯位置分別處于左方或右方時,兩馬達轉向相反,作業機左轉或右轉。

1.2.2 作業裝置懸掛原理

為提高機具的配套率,實現多種機具的快速更換,設計了簡單可靠的懸掛系統,如圖3所示。

1.濾油器 2.行走齒輪泵 3.溢流閥 4.平地鏟液壓缸 5.換向閥Ⅰ

1.割草機 2.螺栓 3.機具掛接板 4.車載機具掛接板

車載機具掛接板前端下部鉸接安裝在整車尾部下方的固定鉸接座上,兩條機具提升液壓缸的前端鉸接安裝在車體尾部上方,機具提升液壓缸的后端鉸接在車載機具掛接板前端的上部。圖2中的換向閥Ⅲ為三位六通換向閥,通過改變閥芯位置實現機具提升液壓缸的伸縮,進而調整機具掛接板的傾斜位置,實現對后端懸掛機具作業高度和位置的調整。

車載機具掛接板后端上部焊接兩個掛接耳,機具掛接板的上部焊接了2個掛接銷,可以掛接在車載機具掛接板的掛接耳上。機具掛接板的下部加工了2個U型槽,連接螺栓穿過機具掛接板和車載機具掛接板,將機具與車體連接在一起。

1.2.3 作業裝置調整與驅動原理

換向閥Ⅰ為三位六通換向閥,通過改變閥芯位置實現平地鏟液壓缸的伸縮,可以調整平地鏟高度,實現平地作業。機具液壓馬達安裝在作業車的后部,帶動一條雙萬向聯軸器為作業裝置提供動力。換向閥Ⅱ為三位六通換向閥,通過改變閥芯位置改變機具液壓馬達轉向,適應不同機具對轉向的要求。

2 主要零部件設計

2.1 行走驅動液壓系統的設計

履帶車輛行駛在松軟地面時,由于土壤壓實和流動而造成較大的能量損失,所以需要較大的驅動力[8-9]。車輛轉向和爬坡時的驅動力矩和功率較大,根據設計參數選取兩者的最大值作為行走系統的最大驅動力矩和功率。

研究表明,履帶車輛轉向時受到的力主要為滾動摩擦力和轉向滑動摩擦力[11],轉向阻力為

(1)

式中G—車輛質量(kg),G=2 200;

f—滾動摩擦因數;

μ—滑動摩擦阻力系數;

L—履帶接地長度;

B—軌距。

取滾動摩擦因數f為0.11,轉向阻力系數μ為0.7,代入式(1)得fq=6 845N。

爬坡角度≥30°,則爬坡驅動力為

Fq=9.8G·(f·cosα+sinα)=11584N

(2)

已知驅動輪半徑r=0.12m,則需要的最大驅動力矩為

Tq=Fq·r=1390N·m

(3)

單個液壓馬達需要的排量為

(4)

式中Tq—馬達驅動力矩;

ΔP—馬達進出油口壓力差(MPa),ΔP=16;

ηm—馬達容積效率,取0.95。

因此,最終選取2個GMS-305型擺線液壓馬達滿足驅動需求,馬達排量為305mL/r。

當時速為5km/h時,馬達轉速nm為

nm=v/(60·π·d)=111r/min

(5)

初選發動機額定轉速為2 200r/min,則需要行走齒輪泵的排量為

(6)

其中,Vcx為齒輪泵的排量;ηc為齒輪泵的容積效率,取0.95。

最終選取型號為CB-FC32-FL的齒輪泵作為行走泵,泵的排量為32mL/r,系統最大流量為70.4L/min。

行走系統爬坡時的最大功率Pq為

(7)

2.2 作業裝置傳動系統設計

目前與拖拉機配套的果園作業機械已經比較成熟,根據果園作業的要求,選取市場上常見的背負式風送噴霧機、開溝機和雙圓盤割草肥田機,3種作業裝置性能參數如表2所示。

表2 作業裝置主要性能參數

3種作業裝置的輸入轉速為540～720r/min,以最大輸入功率為18kW進行設計,則所需機具馬達最大輸出扭矩為

Tj=9550·P/n=318N·m

(8)

需要的機具馬達排量為

Vmj=2π·Tj/(ΔP·ηm)=130mL/r

(9)

最終,選取BMP-160型擺線液壓馬達滿足驅動需求,馬達排量為160mL/r。。

發動機額定轉速為2 200r/min,需要機具齒輪泵的排量為

Vcj=nmj·Vmj/(2200·ηc)=33.6mL/r

(10)

最終,選取型號為CBHZA-F36-FL的齒輪泵作為機具齒輪泵。

2.3 發動機選取

行走系統爬坡時的最大功率為20kW,機具最大輸入功率為18kW,最終選取額定功率為37kW、額定轉速為2 400r/min的YN25GB型柴油發動機為整機提供動力。

3 試驗

為了驗證多功能作業車的各項性能,在山東農業大學南校區進行了試驗。本次試驗懸掛了割草機、彌霧機和開溝機3種不同附具,開溝與割草試驗如圖4所示。

圖4 樣機田間作業試驗

試驗中作業車運行平穩,動作控制可靠,實現了預期的各種工作,各種工況下實測結果如表3所示。由表3可以看出:整機各項性能指標達到設計目標要求,綜合性能良好。

表3 多功能作業車試驗數據

續表3

4 結論

1)針對輪式拖拉機難以適應丘陵山地復雜地形作業的問題,設計了一款果園履帶式多功能作業機。通過對整機結構的優化配置,使得該機具有較大的爬坡能力,且具有重心低和抗傾覆能力強的特點,特別適合丘陵山地復雜地形條件下的果園管理作業。

2)為提高機具的配套率,實現多種作業裝置的掛接,設計了由掛接板、掛接耳、掛接銷、螺栓和機具提升液壓缸組成的懸掛系統,具有簡單可靠的優點。

3)為了減小機器的體積,提高操作性能和驅動力,本機行走與工作部件均采用液壓系統進行驅動。針對該機型設計了相應液壓系統,確定了關鍵零部件的型號,以滿足驅動、機構調整與作業裝置工作的要求。