CMQ300型殘膜清除機過載安全保護裝置的設計與研究

李錦文， 王麗琴

（1.山西省農機發展中心研發部， 山西 太原 030002； 2.北汽福田研究總院， 北京 102206）

引言

長期以來，我國農機設計與制造走產品低端、低值低價、同質競爭、薄利多銷的路子。因基礎研究缺失，高端產品、核心技術自主研發與創新不足，差評研發投入少，創新性、基礎性研究薄弱，特別是農機具研發過程中過載安全保護裝置的研究，缺乏理論支撐與經驗積累[1-2]。

技術路線上走引進消化吸收適應性改進的路線，機構形狀的模仿應用基本到位，但基礎理論研究、材料應用、熱處理加工等是模仿不來的，特別是耕整地機械中過載安全保護裝置的研究與應用，在國外是不可或缺的，幾乎成為中高端農機產品的標配，而國內農機產品應用較少。

CMQ300型殘膜清除機的研發過程中，瞄準國外先進農機研發路線，在過載安全保護裝置上進行了探索研究，第一次引入過載保護概念，設計了一種自主研發的具有過載保護功能的安全裝置。通過對過載保護關鍵部件的結構形式、整機載荷分析、剪切銷的安裝與配套等方面的研究與試驗，旨在為整地作業機械過載保護的設計提供依據。

1 結構形式與工作原理

1.1 結構形式

該CMQ-300型殘膜清除整地機配套動力為73 500～117 600 W（100～160馬力）輪式拖拉機，掛接形式為后置三點懸掛，高速寬幅作業，設計尺寸大，分成兩個1.5 m的獨立單元。兩組作業單元分別通過主懸掛架的縱梁鉸鏈，拖拉機的牽引力通過鉸鏈點傳遞到工作部件。鉸鏈點位置設計了過載安全保護裝置，該過載安全保護裝置的結構形式如圖1所示，是一種剪切銷過載剪斷形式的安全過載保護，過載安全保護裝置主要由主牽引梁（縱梁）、動力傳遞卡套、剪切定位套、剪切銷等部分組成。

圖1 過載安全保護裝置結構形式

相對于普通螺栓，高強度螺栓存在較大的預緊力，螺栓與螺母有效地將兩個連接板件夾緊，從而在受剪切時產生較大的摩擦力。高強度螺栓按照其破壞的標準分為兩類，摩擦型鏈接與承壓型鏈接，二者在螺栓本身、安裝排列方式、安裝工藝等方面并無不同，區別在于破壞標準上的差異。摩擦型是以兩個鏈接鋼板之間發生相對錯位滑移、摩擦面破壞作為承載極限的判斷標準。承壓型兩個連接件間即使發生滑移后，由螺栓承受連接件間的剪切力，孔壁與螺栓承壓傳遞剪切力，直至螺栓擠壓變形剪斷或孔壁擠壓撕裂變形破壞。

本方案的破壞形式為后者，預緊力不需要打，連接副之間采用承壓型形式設計。為防止孔壁受壓撕裂破壞，在結構中設計了護套形式保護孔壁的剪切定位銷套管。

1.2 工作原理

當機組作業時，各單體在主牽引梁的拉力作用下，水平向前的拉力通過動力傳遞卡套、剪切銷、剪切定位套、單體框架傳遞到工作部件進行工作。機組進行耕整地作業，正常工作狀態下，安全剪切銷能夠承載機組作業過程的正常作業負荷變化，穩定作業。當作業單體的合作部件松土鏟、深松犁等工作部件遇到犁底層樹根、石塊等堅硬障礙物，或駕駛員誤操作液壓失控耕深突然變大等現象時，單體承受負荷突然加大，單體承受的超載荷突然加大，超過了剪切銷設計允許軸切應力時，安全銷被剪斷如圖2，作業單體從主牽引梁脫落，保護了單體框架、仿行機構等工作部件的安全。

圖2 過載安全保護銷剪斷過程

2 過載保護裝置主要參數設計

2.1 載荷計算與參數確定

該CMQ300型殘膜清除機作業設定最大耕深為25 cm，正常工作狀態下，每個作業機組所承載的滿負荷土壤阻力F1的計算如下：

式中：n為工作部件數量，本機為14個；h為作業深度，25 cm；b為工作部件寬度，3.0 cm；k為旱地黏土土壤比阻，1.0 kg/cm2。代入數據計算得F1=1 050 kg。

正常作業狀態，剪切銷應能安全承受最大設計耕深情況下土壤對所有工作部件的總阻力F1。在遇到石塊、樹根等堅硬障礙物時，機具承載力超過最大設計耕深的土壤總耕作阻力的的2倍，即2F1的情況下必須剪斷。剪切銷承受載荷F，應介于F1與2F1之間。即：F1≤F≤2F1。

不同類型土壤比阻如表1所示。

2.2 安全銷材料選擇

在工作中，拖拉機的牽引力通過安全剪切銷桿表面與剪切套孔壁之間的擠壓傳遞，受機具作業不同工況變化影響而變化，安全銷與剪切套之間接觸面相互壓緊而產生局部擠壓，其受力特點的受力過程可能出現拉伸與壓縮、扭轉、彎曲、剪切等四種基本形式的變形，最難處理的是前三種變形，接觸面產生的過大的塑性變形使安全銷壓碎或壓扁而失去安全保護作用。根據材料剪切應力極限[t]與抗拉極限[b]之間的關系：對于塑性材料，[t]=（0.6～0.8）[b]；對于脆性材料，[t]=（0.8～1.0）[b]；安全剪切銷應選擇[t]≥0.8[b]的材料加工。選用45號鋼材料螺栓做該機剪切銷。

表1 不同類型土壤比阻

2.3 安全銷截面計算

安全銷截面積A計算公式：

查表得：45鋼的抗拉強度不小于600 MPa，屈服強度不小于355 MPa，但許用應力還是需要根據安全系數來確定，設計中一般取τ0=120 MPa。

代入公式計算得A=17.5 mm2。換算成安全銷半徑直徑為 11.14 mm，該機單體過載安全保護用銷直徑選用11 mm的45號碳素鋼材料。

2.4 安全銷直徑與開槽形式

在過載保護裝置中的剪切銷是重要部件，有效控制過載剪斷過程的剪切面，保證剪斷剪切銷后牽引梁與機座快速脫離開來，在剪切銷的兩端設計了開槽，結構形式如圖3雙槽剪切銷[3]，槽底面外圓直徑11 mm滿足剪切條件，剪切銷桿的其他部位外圓直徑大于槽口外圓直徑，便于重新更換。

圖3 雙槽剪切銷結構形式

3 結論

CMQ300型殘膜清除機過載安全保護的結構形式為整體承載剪切銷軸，銷軸設計成開槽形式，確保過載時在開槽處剪斷，避免彎曲擠壓撕裂情況下剪切銷難以取出更換的問題。剪切銷用45鋼材料，12mm直徑剪切螺栓，開槽處11mm的設計，有效保證機組正常作業與過載情況下的安全保護。對農業機械設計，特別是耕整地機械的過載安全保護裝置的設計提供了相關依據。