梁宇達(dá)，鄒小平，胡圣榮，劉慶庭

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510642)

切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)履帶底盤(pán)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

梁宇達(dá)，鄒小平，胡圣榮，劉慶庭*

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510642)

本文設(shè)計(jì)了一種適合HN4GDL-132型切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)使用的履帶底盤(pán)，依據(jù)行走系統(tǒng)所承受的行駛阻力，經(jīng)負(fù)載分析，確定履帶底盤(pán)主要性能指標(biāo)，確定液壓傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)選取液壓元件，并制造樣機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，測(cè)試收割機(jī)液壓系統(tǒng)參數(shù)在前進(jìn)工作、后退和空車(chē)3種工況下的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，收割機(jī)勻速作業(yè)時(shí)，行走系統(tǒng)流量和壓力穩(wěn)定，行駛速度約為0.507 m/s，消耗功率小于10 kW，小于預(yù)定值，行走系統(tǒng)能滿(mǎn)足收割機(jī)的工作要求，試驗(yàn)結(jié)果為履帶式甘蔗收割機(jī)行走系統(tǒng)的使用和改進(jìn)提供參考。

甘蔗；收割機(jī)；履帶底盤(pán)；液壓驅(qū)動(dòng)；試驗(yàn)

0 引言

我國(guó)的甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到許多因素的制約，如甘蔗品種、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體制、蔗農(nóng)觀念、氣候地形、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝配套、制糖企業(yè)和國(guó)家政策問(wèn)題等，其中甘蔗的收獲是一個(gè)重要的制約因素。到目前為止，我國(guó)甘蔗生產(chǎn)種植區(qū)的生產(chǎn)基本上還是人畜作業(yè)完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)成本高[1]。因此，研發(fā)及生產(chǎn)適合我國(guó)甘蔗生產(chǎn)種植區(qū)使用的甘蔗收割機(jī)，對(duì)提高我國(guó)甘蔗及制糖產(chǎn)業(yè)有著重要意義。

在廣東湛江、廣西等甘蔗主產(chǎn)區(qū)，甘蔗收獲窗

口期在1～3月份，近幾年在該時(shí)間段經(jīng)常會(huì)陰雨連綿，影響收割機(jī)下田作業(yè)[2]。據(jù)國(guó)外相關(guān)資料介紹，土壤濕度增大1%，履帶拖拉機(jī)滾動(dòng)阻力增大約2.8%，輪式拖拉機(jī)增大約4.2%[3]，這表明在潮濕土壤中，相比于履帶式底盤(pán)，輪式底盤(pán)滾動(dòng)阻力的增長(zhǎng)要更快。且在潮濕土壤環(huán)境下輪式底盤(pán)的附著性能和牽引性能遠(yuǎn)遜于履帶式底盤(pán)[4]，且容易發(fā)生陷車(chē)現(xiàn)象，而履帶底盤(pán)在坡地、沙地、土壤黏重的田地具有更好的性能[5]。結(jié)合甘蔗收割機(jī)作業(yè)地區(qū)的氣候和土壤等條件，本實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的HN4GDL-132型切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)將采用履帶式底盤(pán)行走系統(tǒng)。

目前國(guó)內(nèi)中小型甘蔗聯(lián)合收割機(jī)的底盤(pán)常用輪式或履帶式2種。在水田[6]、林業(yè)[7]作業(yè)等機(jī)械化應(yīng)用中表明，2種行走方式各有其特點(diǎn)。輪式底盤(pán)的優(yōu)勢(shì)在于行走速度較快、機(jī)動(dòng)性好、輪胎對(duì)路面損壞??；劣勢(shì)是接地比壓大、附著性能和爬坡能力較弱。履帶式底盤(pán)的優(yōu)勢(shì)在于接地比壓小、穩(wěn)定性好、負(fù)載能力和附著性能強(qiáng)；劣勢(shì)是行走速度低、零件磨損快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高。

本文對(duì)HN4GDL-132型切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)履帶式底盤(pán)行走系統(tǒng)進(jìn)行田間試驗(yàn)，了解履帶底盤(pán)的性能特點(diǎn)，為后續(xù)機(jī)型的改進(jìn)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 履帶式底盤(pán)參數(shù)設(shè)定

1.1 兩側(cè)履帶中心距的確定

我國(guó)傳統(tǒng)甘蔗種植行距為0.8～0.9 m，中大型切段式聯(lián)合收割機(jī)要求行距不小于1.3 m[8]，其他收割機(jī)不小于1.0 m。要實(shí)現(xiàn)甘蔗機(jī)械化，就必須改變傳統(tǒng)種植模式。陳超君和陳傳華等對(duì)甘蔗“噸糖田”不同種植模式的研究結(jié)果表明，采用行距1.25 m的蔗莖產(chǎn)量和含糖量顯著高于行距為1.0 m的[9]。

湛江農(nóng)墾一直大力開(kāi)展甘蔗機(jī)械化的研究和推廣工作，為適應(yīng)目前主流甘蔗聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)，供機(jī)收的甘蔗將逐步采用1.2 m的種植行距。從機(jī)械作業(yè)的要求看，以1.2 m和1.3 m行距種植的甘蔗不僅適宜機(jī)械作業(yè)，而且相對(duì)于1.2 m以下的窄行距，寬行距種植可以改善甘蔗生長(zhǎng)環(huán)境，提高個(gè)體長(zhǎng)勢(shì)，通過(guò)提升株高、莖徑、單莖重等農(nóng)藝性狀彌補(bǔ)有效莖數(shù)的不足[10]，產(chǎn)量更高[11]。因此設(shè)計(jì)甘蔗收割機(jī)時(shí)按照1.3 m的種植行距來(lái)設(shè)計(jì)，保證兩側(cè)履帶中心距為1.3 m，履帶板寬0.32 m，底盤(pán)總寬度為1.62 m，保證收割機(jī)在作業(yè)時(shí)不壓實(shí)旁側(cè)蔗壟以及不碾壓旁側(cè)的甘蔗，并留有一定的作業(yè)空間，能夠順利開(kāi)展收割作業(yè)。

1.2 爬坡能力的確定

我國(guó)蔗區(qū)地形復(fù)雜，60%屬于丘陵坡地。廣西是中國(guó)最大的蔗糖基地，種植面積和蔗糖產(chǎn)量均占全國(guó)約60%，坡度小于15°的甘蔗地占總面積的87.6%。云南省是我國(guó)第2大甘蔗和食糖生產(chǎn)基地，蔗區(qū)地形復(fù)雜多樣，主要蔗區(qū)坡度小于15?的甘蔗地占其總面積的62.6%。廣東省甘蔗種植面積位居全國(guó)第3，其主要甘蔗生產(chǎn)地區(qū)湛江農(nóng)墾的甘蔗地地勢(shì)總體平坦，沒(méi)有坡地和陡坡地，非常適合大型甘蔗機(jī)械的工作，甘蔗地≤6?的平地和緩坡地占甘蔗總耕地的50%，6～15°的丘陵地則占甘蔗總耕地的50%[12]。

根據(jù)我國(guó)主要甘蔗種植區(qū)大部分坡度小于15?的現(xiàn)況，甘蔗收割機(jī)應(yīng)具備不小于15°的爬坡能力。

1.3 接近角和離去角的確定

接近角和離去角是機(jī)器接近或離開(kāi)障礙物時(shí)不產(chǎn)生碰撞的可能性表示，接近角與離去角越大通過(guò)性越好[13]。

1.4 液壓系統(tǒng)的要求

由于蔗地地塊窄小、無(wú)機(jī)耕路，為使收割機(jī)能在田間作業(yè)時(shí)獲得更高的效率，履帶底盤(pán)必須具有良好的機(jī)動(dòng)靈活性。甘蔗收割機(jī)作業(yè)時(shí)，為保證良好的切蔗效果，前進(jìn)速度必須與切割器轉(zhuǎn)速相匹配[14]，為適應(yīng)切割器的切割速度，甘蔗收割機(jī)作業(yè)時(shí)最佳前進(jìn)速度為1 m/s?？紤]收割機(jī)自重及收割作業(yè)時(shí)受到的阻力，為達(dá)到甘蔗收割機(jī)作業(yè)性能要求，本機(jī)型將采用14 t級(jí)別工程車(chē)輛的液壓系統(tǒng)，履帶的驅(qū)動(dòng)輪、支重輪、導(dǎo)向輪、托鏈輪、履帶板等零件采用小松PC-120液壓挖掘機(jī)的同型號(hào)配件。

1.5 其他尺寸的確定

HN4GDL-132型切段式甘蔗收割機(jī)總長(zhǎng)約為9 m(輸送臂折疊時(shí))，為實(shí)現(xiàn)順利裝配，履帶底盤(pán)應(yīng)具備足夠的載重及剛性，并為割臺(tái)和輸送臂轉(zhuǎn)臺(tái)留有足夠的空間，避免部件的干涉。依據(jù)刀盤(pán)位置高度、二級(jí)輸送通道截面積尺寸和收割機(jī)各系統(tǒng)的尺寸和布局，確定履帶底盤(pán)總長(zhǎng)度不大于3.5 m，總高度不大于0.8 m。履帶的驅(qū)動(dòng)輪、支重輪、導(dǎo)向輪、托鏈輪、履帶板等零件采用小松PC-120液壓挖掘機(jī)的同型號(hào)配件。

2 液力行走系統(tǒng)測(cè)試

甘蔗收割機(jī)行駛分為作業(yè)行駛，倒車(chē)和空車(chē)行駛3種情況。倒車(chē)和空車(chē)行駛時(shí)，行走系統(tǒng)只受到來(lái)自田間不平路面的干擾等情況下，測(cè)試行走液壓系統(tǒng)的流量、壓力變化。而在前進(jìn)作業(yè)中，行走系統(tǒng)除了空車(chē)的影響因素外，還會(huì)受到收獲機(jī)推倒?jié)L筒阻力、割臺(tái)砍切甘蔗阻力和一級(jí)輸送喂入阻力，其前進(jìn)阻力的變化反映在液壓系統(tǒng)中壓力的變化，即底盤(pán)液壓系統(tǒng)的壓力變化是由前進(jìn)阻力所決定的，其變化與阻力變化相一致。機(jī)器工作時(shí)，輸送臂向左擺，左側(cè)履帶承受壓力比右側(cè)大，測(cè)試左側(cè)的液壓行走系統(tǒng)的流量、壓力變化。

2.1 試驗(yàn)器材及步驟

試驗(yàn)地點(diǎn)：廣前甘蔗試驗(yàn)田。

實(shí)驗(yàn)儀器：HN4GDL-132甘蔗收獲機(jī)，Thinkpad E50 筆記本，CHPM液壓測(cè)試儀，2個(gè)渦輪流量傳感器(型號(hào)CT60-5V-B-B，量程為0～60 mL/min，輸出電壓0～5 V，精度為量程顯示度數(shù)的±1%，深圳雷諾智能測(cè)試有限公司)，2個(gè)壓力傳感器(系列PPT，量程為0～15 MPa，輸出電壓0～5 V，精度為量程顯示度數(shù)的±1%，深圳雷諾智能測(cè)試有限公司)，秒表1個(gè)，皮尺1個(gè)，連接油管接頭若干，數(shù)據(jù)采集線(xiàn)若干。

試驗(yàn)步驟：

⑴將傳感器接在左側(cè)行走液壓油路上。設(shè)液壓系統(tǒng)沿油路順時(shí)針流動(dòng)時(shí)，即a→b→c→d，收割機(jī)向前行駛。a-b為進(jìn)油路，c-d為回油路，壓力傳感器p1和流量傳感器q1接在a-b油路上，壓力傳感器p2和流量傳感器q2接在c-d油路上。

⑵將液壓測(cè)試儀、傳感器、筆記本電腦連接好，把測(cè)試儀的數(shù)據(jù)采集時(shí)間設(shè)置為最短采集時(shí)間10 ms。

⑶收割機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在約為1500～2300 r/min，變量泵排量在0～1500 ms內(nèi)從0勻速增大至35 mL/r。

⑷收割機(jī)正常作業(yè)前進(jìn)、空車(chē)前進(jìn)和后退時(shí)，記錄其行駛過(guò)程中液壓系統(tǒng)流量和壓力變化、行駛路程，并推算其前進(jìn)速度、滑轉(zhuǎn)率和消耗功率。

⑸收割機(jī)正常作業(yè)前進(jìn)時(shí)，記錄整個(gè)行駛過(guò)程(包括起動(dòng)，行駛和停車(chē))的液壓系統(tǒng)流量和壓力變化、行駛路程。

2.2 前進(jìn)作業(yè)工況

前進(jìn)行駛距離：56.20 m；

試驗(yàn)時(shí)間：110.81 s；

平均速度：0.507 m/s；

測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 前進(jìn)作業(yè)工況試驗(yàn)結(jié)果

在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，系統(tǒng)穩(wěn)定后，流量變化不大，大約在50～60 L/min的范圍內(nèi)上下浮動(dòng)，這也反映出收割機(jī)行駛速度的變化情況，收割機(jī)理論平均行駛速度為0.590 m/s，實(shí)際平均前進(jìn)速度為0.507 m/s，滑轉(zhuǎn)率δ為1.4 %。系統(tǒng)壓力在整個(gè)過(guò)程中，除起動(dòng)超調(diào)峰值外出現(xiàn)了4個(gè)峰值，液壓系統(tǒng)的壓力反映了負(fù)載的變化情況，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時(shí)，收割機(jī)前進(jìn)阻力增大，這可能是受到甘蔗形狀、生長(zhǎng)密度和甘蔗倒伏情況的影響，當(dāng)甘蔗彎曲或倒伏得比較嚴(yán)重時(shí)，就較難進(jìn)入輸送通道，或甘蔗生長(zhǎng)密度較大時(shí)，增大刀盤(pán)切割阻力和甘蔗的喂入量。與此同時(shí)，在壓力升高的時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)的流量相應(yīng)降低，降低行駛速度，相對(duì)減少甘蔗的喂入量，這樣有利于防止輸送通道堵塞。還偶爾出現(xiàn)了回油壓力大于進(jìn)油壓力的現(xiàn)象，這是前進(jìn)阻力稍大時(shí)，收割機(jī)可以適當(dāng)?shù)叵蚝蟮雇?，緩沖一下切割阻力和甘蔗喂入阻力[15]。

在收獲機(jī)前進(jìn)工作的整個(gè)過(guò)程中，進(jìn)油量總是大于回油量，平均流量差為9.49 L/4 min，液壓馬達(dá)的平均容積效率為82.134 %，損失的流量是由液壓元件、油路的泄漏和溢流閥的泄壓所引起。收割機(jī)前進(jìn)作業(yè)時(shí)，行走所消耗的功率約為4.33 kW。

2.3 后退工況

后退行駛距離：80 m；

試驗(yàn)時(shí)間：81.33 s； 測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 后退行駛工況試驗(yàn)結(jié)果

收割機(jī)向后行駛時(shí)，系統(tǒng)流量波動(dòng)不大，其平均值和前進(jìn)工況大致相同；但壓力波動(dòng)得比較厲害，原因可能是收割機(jī)后退時(shí)，駕駛員的只能通過(guò)倒后鏡來(lái)操控收割機(jī)，并不能準(zhǔn)確觀察到田間地勢(shì)情況，收割機(jī)在后退行駛時(shí)不如前進(jìn)平穩(wěn)；但系統(tǒng)壓力總體上比前進(jìn)工作情況要大一些，這是因?yàn)榍斑M(jìn)作業(yè)時(shí)，收割機(jī)的全部系統(tǒng)都工作，但發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率為一定值，收割機(jī)各工作系統(tǒng)都分配到相應(yīng)的功率，行走系統(tǒng)所占的功率較少，當(dāng)收割機(jī)后退時(shí)，收割機(jī)上的工作系統(tǒng)都不運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率只傳給行走系統(tǒng)，因此后退行駛動(dòng)力充足，理論速度為0.906 m/s，實(shí)際平均速度為0.762 m/s，液壓馬達(dá)的平均容積效率為87.33%，滑轉(zhuǎn)率δ為1.6%，消耗平均功率為8.04 kW。

2.4 空車(chē)前進(jìn)工況

前進(jìn)行駛距離：152 m；試驗(yàn)時(shí)間：292.56 s；測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 空車(chē)工況試驗(yàn)結(jié)果

空車(chē)行駛時(shí)，影響系統(tǒng)流量和壓力的因素只有田間地勢(shì)。在液壓泵輸出流量不變的情況下，馬達(dá)排量減小，行駛速度加快。盡管行駛速度可以加快，但田間地勢(shì)起伏不平，收割機(jī)在田間不允許快速行駛，因此試驗(yàn)時(shí)把發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在2300 r/min。從表中可以看到，空車(chē)工況下，系統(tǒng)流量和壓力基本保持平穩(wěn)，變化不大，收割機(jī)理論平均行駛速度為0.895 m/s，實(shí)際平均前進(jìn)速度為0.870 m/s，液壓馬達(dá)的平均容積效率為87.60%，滑轉(zhuǎn)率δ為1.7%，平均消耗功率4.46 kW，與前進(jìn)作業(yè)消耗功率相接近。

2.5 實(shí)際作業(yè)工況

而在實(shí)際的收割作業(yè)中，駕駛員要以甘蔗的生長(zhǎng)情況和壟的高低來(lái)決定行駛速度，在正常收割中會(huì)出現(xiàn)前進(jìn)、后退和停車(chē)。收割機(jī)在收割甘蔗過(guò)程中，系統(tǒng)流量和壓力變化斷斷續(xù)續(xù)，在0～191 s內(nèi)，行走系統(tǒng)內(nèi)的流量基本上是q1＞q2，p1＞p2，收割機(jī)總體是向前行駛，但在整個(gè)行駛過(guò)程中出現(xiàn)了q2＞q1的現(xiàn)象，這是行駛速度挫頓而導(dǎo)致回油流量急劇變化，這段時(shí)間收割機(jī)收獲了80 m甘蔗；在191～302 s內(nèi)，q2＞q1，收割機(jī)退回原地，開(kāi)始另一行作業(yè)。在302～365 s內(nèi)，收割機(jī)調(diào)整收割位置。373～569 s內(nèi)收割機(jī)正常收割74 m甘蔗，系統(tǒng)流量和壓力變化與開(kāi)始前進(jìn)收割的情況相似，在492 s時(shí)，發(fā)現(xiàn)收割機(jī)刀盤(pán)入土太深，割臺(tái)纏草嚴(yán)重，一級(jí)滾筒和二級(jí)輸送之間輸送損失率嚴(yán)重，收割機(jī)停車(chē)，重新調(diào)節(jié)刀盤(pán)位置，清理雜草，在50.5 s繼續(xù)前進(jìn)作業(yè)。在工作了60 s后，收割機(jī)的輸送通道出現(xiàn)堵塞，這時(shí)停機(jī)修整，輸送通道疏通后，收割機(jī)調(diào)整位置，繼續(xù)向前作業(yè)，收獲整體比較順利。

3 結(jié)論

收割機(jī)在甘蔗田里前進(jìn)作業(yè)、倒退、空車(chē)3種工況下運(yùn)行，測(cè)試左側(cè)行走系統(tǒng)的流量和壓力。試驗(yàn)結(jié)果為，在前進(jìn)工況下，收割機(jī)勻速前進(jìn)工作，系統(tǒng)流量壓力變化穩(wěn)定，收割機(jī)平均行駛速度約為0.5 m/s，平均流量51.60 L/min，平均壓力8928 kPa，所消耗的功率為4.33 kW，從收割機(jī)作業(yè)情況來(lái)看，行走系統(tǒng)的行駛速度能與收割機(jī)工作系統(tǒng)合理匹

配；在倒車(chē)和空車(chē)工況下，系統(tǒng)流量壓力變化穩(wěn)定，行駛平穩(wěn)，基本能滿(mǎn)足收割機(jī)作業(yè)要求。

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(本篇責(zé)任編校：李金玉)

Design and Test on Tracked Chassis of Sugarcane Billet Harvester

LIANG Yu-da, ZOU Xiao-ping, HU Sheng-rong, LIU Qing-ting
(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment/South China Agricultural University, Ministry of Education, Guangzhou 510642)

The technology mechanized harvesting is a key of cane industrial growth. Development of self-propelled sugarcane harvester is a new way to solve disadvantages by direct mounted harvester. However, the driving system must be meet requirements of other parts in harvester, and it must be low speed, high torque, less power and it running stable. The performance of driving system has some effect on efficiency of harvester directly. Therefore, design the driving system for harvest is meaningfulness on the development of sugarcane harvester. This article made field test of sugarcane harvester. Measurement of hydraulic parameters when the harvester forward work and backed off and empty ran in test. The test result is close to theoretical analysis, so the state-space model of driving system is corrected. When harvester works at driving speed of 0.507 m/s, the flow and pressure of hydraulic system is stable. Therefore, the drive system is appropriated for sugarcane harvester.

Sugarcane; Harvester; Tracked chassis; Hydraulic transmission; Testing

S566.1

A

1005-9695(2015)05-0023-05

2015-06-02；

2015-10-09

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B00)，國(guó)家甘蔗產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS20-4-1）

梁宇達(dá)(1989-)，男，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生

*通訊作者：劉慶庭(1967-)，男，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院教授

梁宇達(dá)，鄒小平，胡圣榮，等. 切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)履帶底盤(pán)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 甘蔗糖業(yè)，2015(5)：23-27.