拖拉機配套打捆機聯動控制系統開發

白 楊 ，管 磊 ，蔣亞波 ，原志華 ，薛運起

（第一拖拉機股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471004）

0 引言

近年來，農業生產中秸稈還田的結果顯示農作物發生病蟲害的風險增加[1]。隨著農業可持續發展和人們環保意識的增強，農田秸稈處理方式逐步由秸稈還田作業改進為秸稈離田作業[2]。實際上，秸稈除還田外，還可用于飼喂牲畜、制作有機肥、發電或用作工業原料等[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鍵[7]。打捆機對秸稈進行打捆作業可使得秸稈體積變小，易于運輸，因而被廣泛應用于秸稈的收儲過程。

目前市場上帶有打捆機的拖拉機在拾撿完秸稈后，需要停車吐捆。當打捆機完成打捆作業需要拖拉機停車吐捆時，打捆機會發出停車報警信號，提醒用戶及時壓下離合器踏板，實現動力分離，達到拖拉機停車的目的[8]。拖拉機在大田里作業時，由于行駛速度慢，行進阻力大，需要停車時只需要踩下離合器踏板，斷開離合器，切斷發動機對傳動系統的動力提供，僅靠地面的阻力即可實現拖拉機停車，拖拉機停車后，后面的打捆機也會跟著停車，停止對秸稈的吸入。

帶有打捆機的拖拉機在作業時，現場作業環境噪聲較大，部分用戶會由于種種原因不能及時發現停車報警信號。從而導致不能實現精確的停車吐捆，打捆機需要吐捆時拖拉機仍繼續行駛，打捆機持續吸入秸稈，吸入的秸稈使得拖拉機的行進阻力持續增加，最終造成拖拉機動力輸出傳遞扭矩的瞬時大幅度增加，導致拖拉機離合器摩擦片發生燒毀故障[9]。如何解決打捆機的精確停車吐捆問題，提升打捆機的工作效率，延長拖拉機離合器的使用壽命，降低離合器及整機故障率成為各大拖拉機主機廠商亟待解決的問題。

1 打捆機工作原理

打捆機一般需要和拖拉機配套使用，拖拉機的動力輸出軸為其提供動力并傳遞到各工作部件。拖拉機配套打捆機現場作業如圖1 所示，在作業時，由打捆機上的喂入機構把秸稈送進四周布滿不停轉動鋼錕的成捆室內，秸稈在成捆室內不斷翻滾積累擴大[10]。當秸稈捆最外圍與成捆室內的鋼錕完全接觸并達到預設密度時，控制器發出信號使繞繩機構的電磁離合器接通，夾繩輥開始轉動，對圓秸稈捆進行繞繩；同時，喂入機構的電磁離合器分離，喂入機構停止輸送秸稈。繞繩結束時，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行吐捆。倉門關閉后，控制器發出信號接通喂入機構的電磁離合器，再次喂料重復下一個循環。

圖1 拖拉機配套打捆機現場作業照片

按照打捆機的作業模式，可簡單將其分為以下作業工序：拖拉機掛接→撿拾→強制喂入→壓實→輥筒卷壓→布網→放捆。入料階段拖拉機發動機工作轉速為1 700 r/min~2 000 r/min，車速在7 km/h 左右（拖拉機一般為中Ⅱ擋），動力輸出常轉；當聽到打捆機滿倉報警后，拖拉機駕駛員踩下離合，掛空擋，停止前進，等待自動纏網，整個過程仍需保持動力輸出；物料成捆并完成布網后，拉起液壓輸出，切網并打開打捆機倉門放出草捆。如果入料時發生堵塞，需要切斷動力輸出，打開打捆機底板掏出堵塞草料，然后重啟動力輸出。

因打捆作業時只需要通過打捆機把地上已準備好的草垛拾起，整機牽引負荷較小，主要負荷在動力輸出及副離合器機構。同時，因常規作業時，動力輸出常轉，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。整個作業過程中，負荷最大的時候為喂入草料的最后階段，如果拖拉機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，甚至導致發動機被憋熄火，這也是目前離合器副片工作時最惡劣的工況。

2 拖拉機打捆機聯動裝置設計

2.1 設計思路

實現打捆機和拖拉機聯動控制的關鍵，是要將打捆機的信號與拖拉機離合器的控制聯系起來，從而實現拖拉機在打捆機需要停車吐捆時精準停車。本文研究的拖拉機與打捆機聯動系統結構如圖2 所示，該結構包含：打捆機壓差傳感器、拖拉機電器控制器、電磁閥及液壓管路和離合器分離機構。其中，拖拉機離合器采用液壓助力的結構形式，通過電控單元接收到打捆機的電信號，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合與分離，從而實現打捆機和拖拉機離合器的聯動效果。具體工作過程：控制器接收到打捆機信號后進行邏輯判斷并發出相關指令，控制電磁閥以改變液壓油路，液壓系統的壓力油充入油缸來推動離合器分離叉軸，以實現主離合器分離接合控制，從而實現拖拉機自動停車。

圖2 整體聯動結構示意圖

2.2 設計過程

本研究主要以如何通過電器控制單元對打捆機工作信號進行邏輯判斷來發出信號指令，使液壓系統切斷拖拉機離合器實現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

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

配備本系統的拖拉機必須具備離合器液壓助力結構，離合器助力系統的液壓原理圖如圖4 所示。在液壓系統中使用雙聯齒輪泵（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供油，低壓泵為離合助力和散熱系統供油。低壓泵的壓力油經過分流閥后給離合助力系統提供流量穩定的壓力油，而從分流閥分出去的多余液壓油流入散熱潤滑系統。

圖4 離合器助力系統液壓原理圖

在離合器控制系統中最為關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。拖拉機正常行駛時，電磁閥的線路懸空，此時電磁閥處于斷電狀態。從分流閥進入電磁閥的液壓油直接從電磁閥的P 口流向A 口，后進入離合器助力總泵的P1 油口。離合器助力總泵進油口處設置有單向閥，在未踩下離合器、齒輪泵不斷泵油的情況下，液壓系統中液壓油的壓力越來越高，當系統壓力超過20 bar 時，進入離合器助力總泵的液壓油直接從T1回油口進行回油。

圖5 電磁閥原理圖

圖6 離合器助力總泵原理圖

拖拉機正常行駛，當踩下離合踏板時，電磁閥流向離合器助力總泵的壓力油經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，從而實現離合器助力。

在打捆機進行打捆作業時，由于進入打捆機內部的草越來越多，在打捆機儲草倉內部的壓力會越來越大。打捆機上配備有壓差傳感器，拖拉機電器控制器收到打捆機壓差傳感器達到一定限值的壓力信號時，會在儀表顯示屏上出現“停車布網”字樣。同時，電器系統向電磁閥供電，電磁閥吸合，油路改變。此時，進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。將拖拉機擋位掛入空擋后，儀表顯示屏上“停車布網”字樣消失，拖拉機電器控制器接收到拖拉機空擋信號后，控制電磁閥的線路再次懸空。此時，液壓助力系統恢復到正常狀態，完成打捆機布網操作后，可繼續進行打捆作業。

2.3 試驗驗證

對本文研究的內容進行了實車驗證，配套試驗現場照片如圖7 所示。對拖拉機在接收到打捆機信號后是否能夠實現即時停車進行了驗證。當拖拉機接收到打捆機信號后，位于駕駛室內部的屏幕上顯示的信號如圖8所示。

圖7 拖拉機配套打捆機試驗

圖8 打捆機停車界面

試驗表明，本文研究的拖拉機與打捆機的聯動系統能夠精準地實現拖拉機與打捆機的聯動。

3 結語

本文介紹的系統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需要，通過踩下離合器踏板控制離合器助力油缸，以實現使拖拉機停車的目的；而且利用壓差傳感器與拖拉機自身的電器控制器連接，通過電器控制器控制電磁閥，可以在打捆機完成打捆時通過電器控制器控制電磁閥動作，最終實現對離合器助力油缸的自動控制，結構簡單，使用方便，安全可靠，可以對拖拉機離合器形成有效保護。同時，也為各大拖拉機主機廠解決拖拉機配套打捆機時離合器故障率高的問題，提供了一種有效的解決方案。