馬鈴薯收獲機綜合可靠性試驗臺的研制

易文裕,王 攀,余滿江,熊昌國,庹洪章,盧營蓬

(1.四川省農業機械研究設計院,成都 610066;2.農業農村部丘陵山地農業裝備技術重點實驗室,成都 610066)

0 引言

我國馬鈴薯的種植面積與消費量均居世界第一,馬鈴薯已經成為我國繼小麥、水稻、玉米之后的第四大糧食作物[1-4]。隨著我國農業機械化的發展,馬鈴薯機械化生產的需求日益迫切[5]。機械化收獲是馬鈴薯機械化生產過程中的關鍵環節,因此收獲機在馬鈴薯整個機械化生產過程中發揮至關重要的作用[6]。

馬鈴薯收獲機的綜合可靠性既是衡量收獲機性能的有效指標,亦是機器改進與優化的重要依據,因此對馬鈴薯收獲機的綜合可靠性進行檢測是非常有必要的。挖掘和輸送是馬鈴薯收獲過程中的兩個最重要工序,掘進性能和輸送性能是衡量馬鈴薯收獲機綜合可靠性的重要指標[7-9]。本文研制了馬鈴薯收獲機綜合可靠性試驗臺,能夠對對馬鈴薯的作業過程進行模擬,并能夠對其挖掘鏟和輸送鏈進行可靠性試驗。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

馬鈴薯收獲機綜合可靠性試驗臺主要由主副機架、收獲機升降裝置、輸送鏈載荷測試裝置、輸送鏈載荷移動裝置、挖掘鏟掘進載荷測試裝置及動力載荷檢測裝置等組成,如圖1所示。

1.收獲機升降裝置 2.副機架 3.輸送鏈載荷加載測試裝置 4.輸送鏈載荷移動裝置 5.動力載荷檢測裝置 6.挖掘鏟掘進載荷加載測試裝置 7.主機架圖1 馬鈴薯收獲機綜合性能試驗臺整機結構圖Fig.1 Structure diagram of comprehensive performance test platform for potato harvester。

1.2 試驗臺的工作原理

測試前,通過調節安裝在主機架上的液壓懸掛系統對馬鈴薯收獲機進行懸掛,并根據測試要求將收獲機提升或下降到預定測試高度,控制升降裝置的高度,使得升降平臺對收獲機后輪起到支撐作用。

測試過程中,由動力載荷檢測裝置中的Y200-6變頻電機提供動力,驅動收獲機輸送鏈運轉;調節變頻電機的工作頻率,以滿足輸送鏈的不同轉速要求。動力載荷檢測裝置中的NJ2-50扭矩傳感器可對輸送鏈的轉速及輸送鏈運轉所需要的扭矩進行實時檢測,并記錄相關數據。

輸送鏈運轉后,通過操縱輸送鏈載荷測試裝置中的油缸動作,控制加載小車對輸送鏈進行載荷加載;在輸送鏈運動過程中,加載小車依靠加載輪與輸送鏈鏈面產生相對運動,同時針對輸送鏈鏈面起伏的現象由加載小車依靠自身結構自主調節,確保加載輪與輸送鏈面的實時接觸。

測試時,可通過輸送鏈載荷移動裝置前后左右調節輸送鏈載荷的加載位置。通過操縱挖掘鏟掘進載荷測試裝置的油缸動作,使得挖掘鏟刀片伸入載荷加載裝置中,其刃口抵在加載裝置的力加載板上,根據載荷加載測試要求,控制油缸動作,實現對挖掘鏟的脈沖或持續載荷加載測試過程。

2 試驗臺關鍵零部件的設計

2.1 動力載荷檢測裝置的設計

動力載荷檢測裝置主要由主機架、Y200-6變頻電機、收獲機掛接部件、動力輸出部件及動力檢測部件等組成,變頻電機功率為20kW,變速范圍0～1 000r/min,如圖2所示。

1.主機架 2.下拉桿 3.調節桿 4.上拉桿 5.動力輸出軸 6.連接軸 7.調節液壓缸 8.搖臂 9.傳動箱 10.液壓操縱桿 11.傳動軸 12.連接法蘭 13.法蘭軸 14.軸承座 15.彈性聯軸器 16.電機 17.NJ2-50轉矩傳感器 18.支撐梁圖2 動力載荷檢測裝置Fig.2 Power load detection unit。

為確保動力輸出的穩定性,Y200-6變頻電機輸出軸與轉矩傳感器的動力輸入軸之間、NJ2-50轉矩傳感器的動力輸出軸與法蘭軸之間采用彈性聯軸器連接,傳動軸兩端均安裝有萬向節,并分別通過連接法蘭與動力輸出軸和法蘭軸連接,法蘭軸通過軸承座固定在機架上。

馬鈴薯收獲機懸掛裝置采用三點懸掛方式,高度采用液壓調節。作業時,通過液壓操縱桿控制調節液壓缸動作驅動搖臂轉動,進而帶動下拉桿上下運動,實現對收獲機懸掛位置的高低調節;根據實際要求控制Y200-6變頻電機轉速驅動輸送鏈轉動,由NJ2-50轉矩傳感器檢測轉速及扭矩大小。

2.2 輸送鏈載荷測試裝置的設計

輸送鏈載荷測試裝置主要由液壓缸、加載框、MIK-LCLY力傳感器、配重桿、配重塊及加載小車等組成,如圖3所示。加載小車主要由加載輪、輪軸架、輪系橋架、輪系主梁及掛接桿等組成,如圖4所示。

1.加載小車 2.導軌 3.力傳感器 4.配重框底座 5.配重框 6.液壓缸 7.機架 8.配重塊 9.配重桿 10.配重桿底座 11.法蘭軸圖3 輸送鏈載荷加載測試裝置Fig.3 Conveyor chain load loading test unit。

1.加載輪 2.輪軸架 3.輪系橋架 4.輪系主梁 5.掛接桿圖4 加載小車Fig.4 Loading trolley。

液壓缸缸體采用螺栓固定在機架的底部,其伸縮桿穿過機架的底部中心孔和配重框的頂部中心孔,并采用螺母將伸縮式液壓缸的伸縮桿與配重框固定連接;配重框底座為階梯空心軸且與配重框的底部中心孔對齊,配重桿為階梯軸;配重桿穿過配重塊的中心孔并采用螺母將配重塊壓緊在配重桿底座上;法蘭軸的連接軸穿入配重桿的下階梯空心軸并采用銷進行連接;MIK-LCLY力傳感器與法蘭軸通過螺栓進行緊固連接;加載小車通過其掛接桿的螺桿與MIK-LCLY力傳感器的內孔螺紋實現緊固連接。

導軌與機架采用螺栓固定連接,導軌上開有間距相同的9個安裝孔,安裝時可選擇不同的安裝孔以調節導軌的高度。加載小車導向桿的兩端分別安裝有導向軸承,導向軸承與導軌相互作用能夠平衡運動狀態下輸送鏈進行載荷加載時輸送鏈對加載裝置的沖擊力。

測試時,控制液壓缸的動作,將加載小車壓在輸送鏈上,當配重塊底座與配重框底座完全分離時,配重塊的質量通過加載小車全部作用在輸送鏈上。此時,液壓缸伸縮桿的伸出位置為載荷加載位置,使輸送鏈其處于運動狀態,開始對運動狀態的輸送鏈進行載荷加載;通過MIK-LCLY力傳感器記錄載荷的相關數據,通過控制伸縮式液壓缸的作業頻率實現脈沖載荷的加載。

加載小車的輪系主梁、輪系橋架、輪軸架及掛接桿之間均采用軸進行連接,相互之間可以轉動。在對傾斜輸送鏈加載的過程中,能夠根據輸送鏈的傾斜角度及鏈面的起伏變化自適應調整加載小車高度,實時準確地將載荷作用在輸送鏈上;加載輪能夠繞加載軸轉動,進而與輸送鏈的鏈條之間發生相對轉動,實現對非靜態輸送鏈的脈沖載荷加載功能。

3 性能試驗

為檢驗馬鈴薯收獲機綜合可靠性試驗平臺的性能,選擇4U-83型的馬鈴薯收獲機進行可靠性試驗,如圖5所示。

圖5 性能檢測試驗Fig.5 Performance Testing Test。

3.1 試驗要求

馬鈴薯收獲機綜合可靠性試驗平臺的性能檢測主要包括掛接性能、對收獲機不同入土角度的調節,以及對收獲機挖掘鏟掘和運動輸送鏈分別進行持續或脈沖載荷的加載。

3.2 試驗結果

持續載荷加載試驗中,挖掘鏟入土角度25.8°,Y200-6變頻電機轉速設置為570r/min,挖掘鏟加載力設置為12kN,輸送鏈加載力設置為685N,測試數據如表1所示。對挖掘鏟進行持續加載時相對誤差為0.57%,對輸送鏈進行持續載荷加載時相對誤差為0.6%,說明試驗精度較高,符合設計要求。

表1 持續載荷試驗結果Table 1 Test results of continuous load。

脈沖載荷加載試驗中,挖掘鏟入土角度為22.9°,Y200-6電機轉速設置為570r/min,挖掘鏟加載力設置為12kN,輸送鏈加載力設置為685N,加載方式為脈沖加載,加載頻率30次/min。測試數據如表2所示。

表2 脈沖載荷試驗結果Table 2 Test result of pulse load。

對不同入土角度的馬鈴薯收獲機挖掘鏟和輸送鏈進行持續載荷或脈沖載荷的加載測試,采用4U-83型馬鈴薯收獲機對馬鈴薯收獲機綜合可靠性試驗臺對進行性能試驗,結果表明:試驗臺能夠滿足對馬鈴薯收獲機的掛接要求,并可通過液壓對其掛接位置進行調節;能夠在10°～40°的范圍內調節馬鈴薯收獲機的入土角度,并能夠對不同入土角度的馬鈴薯收獲機挖掘鏟進行0～25kN的持續或者脈沖載荷的加載試驗;能夠滿足挖掘鏟破壞性試驗要求;能夠為馬鈴薯收獲機輸送鏈提供動力,并檢測輸送鏈的轉速及扭矩的大小;能夠針對輸送鏈的不同轉速加載0～1kN范圍內的持續或脈沖載荷,輸送鏈載荷加載過程中加載小車能夠根據輸送鏈的起伏自適應調整自身結構,確保載荷的有效加載。

4 結論

針對馬鈴薯收獲機的綜合可靠性的試驗,設計了一種馬鈴薯收獲機綜合可靠性試驗臺。試驗臺能夠對不同規格的馬鈴薯收獲機進行綜合可靠性試驗,能夠模擬收獲機的不同入土角度,并對其挖掘鏟和輸送鏈進行持續或脈沖載荷的加載以檢測其可靠性,可為馬鈴薯收獲機的改進優化提供參考。