清掃—氣吸式紅棗撿拾機液壓系統設計與試驗*

袁盼盼，李賽飛，韓長杰，張靜，徐陽

(新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊市，830052)

通訊作者：韓長杰，男，1980年生，河南遂平人，博士，教授；研究方向為智能農業裝備。E-mail: hcj_627@163.com

0 引言

紅棗耐鹽堿，耐干旱，可防風固沙，改善惡劣的自然環境，具有良好的生態價值和經濟價值[1-3]。2017年新疆紅棗種植面積已達到476 khm2，年產量超過347萬t[4]，其效益突出，惠民成效顯著，近幾年紅棗產業發展迅速[5-6]，隨著紅棗種植面積的擴大，但落地紅棗撿拾環節仍舊是依靠傳統人工作業，勞動強度大，撿拾效率低，成本高[7-8]，因此，落地棗撿拾亟需實現機械化作業。

國外紅棗種植面積較少，研究集中在樹上紅棗的收獲[9]。國內紅棗收獲研究多集中在小型氣力式撿拾機械為主，張學軍等、張鳳奎等[10-11]采用負壓原理對落地紅棗進行撿拾輸送，需人工移動吸拾管，勞動強度較大；魯兵等利用“V”型清掃裝置和仿形鏟將落地紅棗聚攏并鏟起，再利用吸拾裝置將紅棗吸入棗箱，但在棗園中的適應性稍差；潘俊兵等研究的氣吹式紅棗撿拾裝置，基于氣吹原理將落地紅棗吹入輸送裝置中，但需將地面紅棗進行清掃聚攏后作業。

為解決小型氣力式落地棗撿拾作業前需將落地棗聚攏、人工輔助移動吸拾管、勞動強度大，且效率低等問題，研制了一種清掃—氣吸式紅棗撿拾收獲機。為簡化機械動力傳遞，及滿足撿拾機的集果、卸料、自走等功能需求，設計的清掃—氣吸式撿拾機采用液壓傳動，液壓傳動可平穩、較易的實現無級變速[12]。本文對清掃—氣吸式撿拾機液壓系統進行了設計，對關鍵液壓元件進行選型計算，并進行了田間試驗，研究成果以期為撿拾機的進一步優化和液壓技術在果園機械的應用提供一定參考。

1 整體結構與工作原理

清掃—氣吸式紅棗撿拾機主要由集果裝置、吸拾系統、駕駛室升降裝置、自走底盤、卸料裝置、液壓傳動系統組成，如圖1所示。

撿拾機集果裝置位于機器前方，吸拾裝置位于駕駛室下方，料箱位于機器后部。作業時，首先通過門式提升機構調節集果裝置的離地高度，由集果裝置的兩個對旋清掃頭對落地紅棗進行清掃聚攏；隨后，吸拾系統通過氣吸頭利用負壓吸拾原理對聚攏成條后的落地紅棗進行撿拾；撿拾的紅棗儲存于料箱；撿拾作業完成后，由卸料裝置完成紅棗的自動卸料作業。根據紅棗撿拾要求，可由一人位于駕駛室內，進行獨立操作完成整個“清掃—撿拾—卸料”作業過程。

圖1 樣機結構圖Fig. 1 Prototype structure drawing1.駕駛室 2.門式提升機構 3.離心風機 4.料箱 5.集果裝置 6.吸拾裝置 7.自走底盤 8.發動機 9.卸料裝置

2 液壓傳動方案設計

液壓傳動系統主要包括工作系統和行走系統兩個部分，各液壓系統需要完成工作如圖2所示。

圖2 液壓系統功能圖Fig. 2 Function diagram of hydraulic system

2.1 工作液壓系統設計

根據紅棗撿拾機功能對工作液壓系統進行設計，液壓原理圖如圖3所示。

圖3 工作液壓系統原理圖Fig. 3 Schematic diagram of working hydraulic system1.集果箱舉升油缸 2.駕駛室升降油缸 3.右清掃頭調節油缸 4.三位四通O型電磁換向閥 5.左清掃頭調節油缸 6.清掃盤液壓馬達 7.節流閥 8.三位四通P型電磁換向閥 9.兩位三通電磁換向閥 10.兩位四通電磁換向閥 11.定量泵 12.油箱 13.溢流閥 14.過濾器 15.集果箱翻轉油缸 16.分流集流閥

該液壓系統中液壓泵動力由柴油發動機通過取力器進行提供，執行元件為液壓馬達和液壓缸，控制元件主要為電磁換向閥、流量閥，輔助元件為溢流閥。

工作液壓系統共分六個子部分，a主要實現清掃頭旋轉及轉速調節，應對不同棗園落地紅棗分布差異性和適應不同作業速度，保證集果效果。該部通過兩位三通電磁閥控制清掃頭啟動和停止，當其斷電時，液壓馬達P、T口連通，清掃頭可以在外力作用下旋轉，防止外力對清掃頭造成機械破壞，影響使用；為達到清掃頭轉速同步效果，選用兩個同型號液壓馬達進行串聯控制。三位四通電磁換向閥和兩個調速閥共同控制清掃液壓馬達的供油量，實現60 r/min、80 r/min、100 r/min 的轉速變換，不同轉速下電磁閥得失電如表1所示。b、c控制左、右清掃頭的收放調節，實現整機清掃幅寬調節。d通過門式提升機構完成駕駛室升降調節，帶動安裝在駕駛室底架上的清掃裝置和吸拾頭作上下移動，保證作業時，兩者與地面良好接觸，轉場時與地面保持一定距離。

表1 電磁閥線圈得失電表Tab. 1 Solenoid valve coil gain and loss meter

作業過程中，通過負壓撿拾的紅棗臨時儲存于料箱中。撿拾作業完成后，依靠卸料裝置將料倉舉升、翻轉一定角度，紅棗受重力作用完成卸料。卸料裝置主要由兩組平行四桿機構組成，對稱布置于料箱的兩側，每組平行四桿舉升機構，各包含一個舉升油缸和一個翻轉油缸，e、f分別實現卸料過程中料箱的舉升和翻轉動作。為避免料箱受力不均、造成撿拾整機重心不穩，舉升油缸、翻轉油缸采用糾偏能力強、同步精度高的分流集流閥實現速度同步控制要求。

2.2 行走液壓系統設計

樣機自走底盤采用前輪轉向、后輪驅動的四輪行走方式。液壓原理圖如圖4所示。

該液壓系統主要由定量泵、單路穩定分流閥、電磁溢流閥、電磁比例換向閥、液壓轉向器、轉向油缸、液壓馬達組成。

底盤兩個前輪聯動，由單缸控制方向偏轉，后輪由定量馬達為JHFT4.0-2400型后橋輸入動力。發動機通過V型帶將動力傳遞給定量泵，產生高壓油。當機器無行走、轉向需求時，系統中的電磁溢流閥斷電常開，油液直接回油箱，系統卸荷；當機器轉向、行走時，電磁溢流閥得電起溢流安全作用，系統有壓力，高壓油經過單路穩定分流閥分流，一部分供給轉向器、一部分供向行走馬達。供向液壓馬達的油液經比例換向閥調節，定量流入液壓馬達，實現無級變速功能，滿足不同狀態的前進、后退速度需求。供向液壓轉向器的油液經轉向器調節，流入轉向油缸，完成轉向功能。

圖4 行走液壓原理圖Fig. 4 Traveling hydraulic schematic diagram1.油箱 2.過濾器 3.電磁溢流閥 4.電磁比例換向閥 5.定量液壓馬達 6.轉向油缸 7.液壓轉向器 8.單路穩定分流閥 9.定量液壓泵

3 關鍵部件選型設計

3.1 工作系統關鍵部件選型

集果裝置通過兩個液壓馬達轉動完成集果作業，需要根據清掃頭的扭矩、轉速需求對馬達進行選型計算。

田間工況復雜，清掃馬達載荷按清掃頭完全觸地進行計算，由經驗公式[13]可得清掃頭的載荷。

(1)

式中：d——刷毛直徑，mm；

E——刷毛的彈性模量，Pa；

l——刷毛的自由長度，mm；

h——刷毛的變形量，mm；

B——單個清掃頭的清掃寬度，mm；

v——機具作業速度，m/s；

n1——清掃頭轉速，r/min。

根據紅棗物理特性及撿拾要求，確定刷毛直徑為3 mm，長度為30 mm，刷毛材質為聚丙烯，其彈性模型為1.4×1011Pa，變形量為3 mm。根據前期研究[14]，單個清掃頭的清掃寬度為700 mm，當清掃轉速達到100 r/min，作業速度達到3 km/h，計算可得液壓馬達載荷N=643 N。

液壓馬達的輸出功率由式(2)計算可得。

(2)

式中：k——功率儲備因數；

u1——盤刷刷束和土壤的摩擦系數；

ηt——聯軸器機械傳遞效率。

功率儲備因數一般取1.1，盤刷刷束和土壤的摩擦系數取0.5，機械傳遞效率取0.95，代入數據可得P1=1.65 kW。

將上述計算得到的輸出功率P1=1.65 kW和清掃盤設計的最大轉速n1=100 r/min代入式(3)，可得馬達輸出扭矩

(3)

為滿足上述扭矩和轉速參數，因此，選取BMP-100型液壓馬達，其轉速范圍9～615 r/min；排量98.2 mL/r；連續輸出扭矩191 N·m。

作業時，清掃馬達需要液壓泵持續提供的高壓油，清掃頭最大轉速n1=100 r/min時，流量消耗如式(4)所示。

(4)

式中：k2——系統泄露和溢流閥保持最小溢流量系數；

Vg——液壓馬達排量，mL/r；

ηv——液壓馬達容積效率。

根據文獻[15]及上述選取馬達參數，一般最小溢流量系數k2取1.3，液壓馬達排量Vg取98.2 mL/r，ηv容積效率取0.95，代入式(4)計算可得Q1流量消耗為13.4 L/min，因此，節流閥選用MSW-005-Y型，其流量調節范圍0～15 L/min，最大壓力25 MPa，滿足工作要求。

液壓馬達進出口壓差由式(5)計算可得。

(5)

式中：ηt——液壓馬達機械效率。

液壓馬達機械效率一般取0.85，將P1=1.65 kW，Q1=13.4 L/min，代入式(5)計算可得進出口壓差p1=8.7 MPa，因此，電磁換向閥選用DSG-01系列，最大流量為35 L/min，最大壓力35 MPa，滿足系統工作需求。

由于兩個液壓馬達串聯使用，工作液壓系統最大工作壓力可由式(6)計算。

∑p=2p1+Δp

(6)

式中： Δp——總管路壓力損失，MPa。

有節流閥調速時，壓力損失Δp范圍0.2～0.5 MPa[16]，本文取0.5 MPa，將p1=8.7 MPa代入式(6)計算可得，工作液壓系統最大工作壓力為17.9 MPa。

根據卸料裝置的設計，舉升油缸最大負載為28 kN，舉升油缸以無桿腔為工作腔，油缸內徑由式(7)計算可得。

(7)

式中：F——油缸負載，kN；

p——系統工作壓力，MPa；

η——油缸機械效率。

在農用機械中液壓系統工作壓力一般選用10～18 MPa，屬中壓系統[17]，此處系統壓力取16 MPa，油缸機械效率取0.9，將F=28 kN代入式(7)計算可得油缸內徑D為49.9 mm。根據設計手冊，油缸內徑圓整取值50 mm，選用DG-J50C-E1型液壓缸。

3.2 行走系統關鍵部件選型

驅動馬達輸出軸與后橋輸入軸通過花鍵套連接，JHFT4.0-2400型后橋總成傳動比i為13.06。驅動馬達轉速可根據式(8)進行計算。

(8)

式中：i——后橋傳動比；

R——車輪外徑，mm。

車輪外徑選取為650 mm，當作業速度在1～3 km/h 內變換時，驅動馬達轉速在118.7～320 r/min內變換。

撿拾機在田間行走速度較慢，忽略空氣阻力，受最大阻力狀態為在裝載后在斜坡啟動，液壓馬達輸出扭矩需要滿足滾動阻力、加速阻力、斜坡阻力在后橋輸入軸上產生的扭矩

(9)

式中：m——整機滿載質量，kg；

g——重力加速度，N/kg；

β——地面坡度角，°；

f——滾動阻力系數；

v——作業速度，km/h；

t——加速時間，s；

η2——后橋機械效率。

根據前期研究[14]，整機滿載質量為4 000 kg；田間坡度測量可知，撿拾機作業時的坡面坡度角最大約20°，滾動阻力系統一般取0.09[18]，機具作業速度設置為3 km/h，將重力加速度9.8 N/kg代入式(9)，計算可得液壓馬達扭矩為522 N·m。

根據上述計算獲得的轉速與扭矩，選取BM5-160型液壓馬達作為行走驅動馬達，排量160 mL，容積效率取92%。

當轉速達到320 r/min時，按式(4)計算，可得流量需求為72.4 L/min。由式(5)計算可得液壓馬達進出口壓差為14.85 MPa。

電磁比例換向閥選用4WREE10W75-20/G24型,中位機能為“P”型，AB口與P口連通，能夠保證液壓馬達在系統不供油時仍能進行旋轉，防止突然制動時對液壓系統產生損傷，發生爆管、漏油等現象。

比例閥開度調節由駕駛員通過位于駕駛室內的電子油門進行控制，完成行走液壓馬達的調速。

根據需求，液壓轉向器選用BZZ1-E100，額定流量7.5 L/min，單路穩定分流閥選用恒流型FLD-7.5H，公稱流量7.5 L/min。

行走系統采用比例閥進行調速，管路損失取1.5 MPa[19]，系統壓強由式(3)可得為16.35 MPa。

行走液壓系統中液壓泵型號最終確定為CBT-F550型，該型號具有結構緊湊、體積小、重量輕轉速高、壓力大、成本低等優點，額定壓強20 MPa，額定轉速2 000 r/min，公稱排量50 mL/r，額定流量為93 L/min能夠滿足撿拾作業時行走系統設計所需。

4 田間性能試驗

4.1 試驗條件

試驗于2019年10月在新疆庫爾勒三十團砂土壤棗園進行田間性能試驗，種植模式為4 m×3 m(行距×株距)，品種為灰棗，地勢平坦，田間試驗現場如圖5所示。

圖5 田間試驗Fig. 5 Field test

4.2 試驗方法

在試驗田隨機選取3個紅棗行作為試驗區，每個紅棗行約100 m，試驗區由穩定區、測定區、非測定區、停車區組成。測定區長度約為20 m，行頭留出10 m的穩定區、行尾留出10 m停車區，在剩余80 m內取測試區。

1) 作業效率。在試驗區每行取1個長為80 m，寬為作業幅寬2 m的測試區，將電磁比例換向閥的開度調至50%，記錄樣機作業時通過3個測區的時間，通過式(10)計算機器的作業效率，取算數平均值為樣機的作業效率η1。

(10)

式中：S——測區面積，m2；

T2——樣機通過測區時間，s。

2) 拾凈率。在測試作業效率時，在每個單獨測區中選取3塊面積為2 000 mm×2000 mm的測區，共9塊。將每塊測區內的紅棗撿出，稱量紅棗的質量；記錄數值后再均勻散布于測區。撿拾作業完成后再撿出測區內機器未撿拾的紅棗進行稱量，通過式(11)計算樣機的拾凈率η2。

(11)

式中：M1——測區內紅棗產量，g；

M2——測區內機器未撿拾紅棗質量，g。

4.3 試驗結果與分析

將樣機作業速度控制在1.5 km/h左右時進行作業，進行了3組試驗，每組試驗進行3次，取算數平均值，通過測區的時間如表2所示。

表2 作業效率測試Tab. 2 Work efficiency test

通過試驗結果表明，紅棗撿拾效率不低于0.29 hm2/h。

通過對測區地面內撿拾前后的紅棗質量進行稱量，進行拾凈率統計，結果如表3所示。

表3 拾凈率測試Tab. 3 Pickup rate test

速度在1.5 km/h時，撿拾效率能夠達到0.29 hm2/h，拾凈率達到96.5%，速度調節良好，卸料過程，舉升、翻轉平穩，同步度較好，樣機各項動作能夠滿足紅棗撿拾收獲要求，達到了預期目標。

5 結論

1) 針對清掃—氣吸式紅棗撿拾收獲機動力傳遞與撿拾作業的功能需求，對撿拾機液壓傳動系統進行了設計，由工作系統和行走系統兩部分構成，根據工況對關鍵元件進行了計算選型，設計的液壓系統可完成集果清掃盤旋轉、對置清掃盤位置調整、集果箱的舉升、下降、翻轉及回正、整機的行走與轉向等動作。

2) 田間試驗結果表明：清掃頭轉速調速明顯，卸料舉升、翻轉平穩，同步度較好；當紅棗撿拾機作業速度1.5 km/h時，其撿拾效率達0.29 hm2/h，拾凈率達到96.5%，設計的液壓系統滿足紅棗撿拾作業的各項功能需求，運行穩定，適應不同復雜工況。