劉聲春，朱良，金紅偉，王明磊

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定總站，北京 100122）

由于我國地域廣闊，農(nóng)田地勢、土壤情況、作業(yè)環(huán)境、作物品種及種植模式多種多樣，對農(nóng)機可靠性提出了較高要求。目前，農(nóng)機可靠性試驗大多是通過樣機多作業(yè)季節(jié)田間試驗來進行的，該方法受季節(jié)性因素影響較大，不利于大面積開展。國內(nèi)部分企業(yè)及學者通過計算機仿真的方式進行可靠性試驗，但由于農(nóng)作物屬生物性材料，成分組成復雜且不均勻，對仿真結(jié)果可靠性影響較大，實際應(yīng)用過程中效果有限。因此找到一種科學高效的可靠性試驗方法顯得十分重要。

可靠性試驗主要是通過農(nóng)機承受作業(yè)載荷來驗證相關(guān)設(shè)計參數(shù)的合理性。據(jù)研究，農(nóng)機作業(yè)過程中承受著復雜的交變載荷，零部件的早期損壞故障屬于典型的疲勞破壞。傳統(tǒng)的靜強度設(shè)計方法，盡管將動載荷系數(shù)轉(zhuǎn)化為靜載荷加大了設(shè)計載荷的強度，但無法反映載荷隨機變化的規(guī)律，不能估算因載荷作用順序、幅值大小及出現(xiàn)頻次對零件造成的損傷程度，并且人為選取的安全系數(shù)誤差較大，無法在設(shè)計階段準確預估零部件壽命和可靠性。交變載荷雖然看似雜亂無章，但具有統(tǒng)計分布的規(guī)律，而載荷譜通過載荷大小與出現(xiàn)頻次之間的關(guān)系能夠反映這種統(tǒng)計規(guī)律性。如果能夠?qū)⑥r(nóng)機作業(yè)過程中的載荷譜編制出來，那么就可以通過實驗室模擬加載的方式來實現(xiàn)可靠性試驗，極大地提高農(nóng)機可靠性試驗的效率和科學性。農(nóng)機作業(yè)載荷譜是指作業(yè)條件下，受外界激勵作用農(nóng)機零部件的轉(zhuǎn)速、扭矩、應(yīng)力、應(yīng)變等載荷隨時間變化情況。通過對農(nóng)機作業(yè)載荷的研究，可以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高使用壽命和可靠性，減輕重量和體積，對增強產(chǎn)品的市場競爭能力具有重要意義。

但目前缺乏統(tǒng)一的載荷測試技術(shù)規(guī)范，導致測試數(shù)據(jù)不具可比性，大量數(shù)據(jù)資源無法使用，因此技術(shù)規(guī)范的制定尤為重要，將填補相關(guān)領(lǐng)域空白。下面以青飼料收獲機為例說明技術(shù)規(guī)范編制的主要方法、過程及內(nèi)容。

1 研究對象的確定

飼料收獲機是指用來收獲或收集農(nóng)作物，把作物切成碎段并把碎物料送到物料箱或單獨的掛車內(nèi)的農(nóng)業(yè)機械。青貯飼料是喂養(yǎng)羊、奶牛和肉牛等草食家畜的理想飼料，青飼料收獲則為畜牧養(yǎng)殖過程中的重要環(huán)節(jié)[1～3]。

青飼料中以青貯玉米為主，特別是近年來國家相繼出臺鼓勵政策大力發(fā)展青貯玉米。2015年中央1號文件提出：“深入推進農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，加快發(fā)展草牧業(yè)，支持青貯玉米和苜蓿等飼草料種植，開展糧改飼和種養(yǎng)結(jié)合模式試點，促進糧食、經(jīng)濟作物、飼草料三元種植結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)發(fā)展”。農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《關(guān)于“鐮刀灣”地區(qū)玉米結(jié)構(gòu)調(diào)整的指導意見》，到2020年，“鐮刀彎”地區(qū)玉米種植面積比目前減少5 000萬畝。重點發(fā)展青貯玉米、飼草、雜糧雜豆、經(jīng)濟林果和生態(tài)功能植物。2016年1號文件提出：“著力構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系、生產(chǎn)體系、經(jīng)營體系，實施藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略，推動糧經(jīng)飼統(tǒng)籌、農(nóng)林牧漁結(jié)合、種養(yǎng)加一體、一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展”。明確提出進一步擴大糧改飼試點，加快建設(shè)現(xiàn)代飼草料產(chǎn)業(yè)體系。2016年4月，農(nóng)業(yè)部印發(fā)《全國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃（2016-2020年）》（農(nóng)農(nóng)發(fā)[2016]3號），提出：“按照以養(yǎng)帶種、以種促養(yǎng)的原則，因地制宜發(fā)展青貯玉米，到2020年達到2500萬畝”。2017年5月，農(nóng)業(yè)部印發(fā)《糧改飼實施方案》（農(nóng)牧發(fā)[2017]8號），方案中提出：“擴大青貯玉米等優(yōu)質(zhì)飼草料種植面積、增加收儲量”，“到2020年，基本實現(xiàn)奶牛規(guī)模養(yǎng)殖場青貯玉米全覆蓋”。因此，青貯玉米收獲機應(yīng)成為重點研究對象。玉米青貯收獲機可分為懸掛式、牽引式和自走式三種形式。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，懸掛式、牽引式作業(yè)效率相對較低，適合小規(guī)模生產(chǎn)使用，且產(chǎn)品種類較少，自走式成為近年來國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)重點研發(fā)的機型。綜上，確定自走式玉米青貯收獲機作為研究對象。

2 玉米青貯作業(yè)要求

按照農(nóng)業(yè)部玉米專家指導組制定的《2017年青貯玉米生產(chǎn)技術(shù)指導意見》中的青貯玉米定義是指：“在最佳收獲期將包括果穗在內(nèi)的玉米地上部植株收獲，經(jīng)過整株切碎、加工或貯藏發(fā)酵，并以一定比例配置成用以飼喂以牛、羊為主的草食家畜的飼料作物”。從中可以看出青貯是指全株青貯。確定青貯作業(yè)相關(guān)要求是制定技術(shù)規(guī)范的前提。青貯作業(yè)效果必須符合標準要求，從而實現(xiàn)青貯收獲機的價值?；谝陨锨疤釡y試出的數(shù)據(jù)才具有意義。經(jīng)查閱相關(guān)資料，目前涉及玉米青貯作業(yè)的要求主要有以下幾點：①作物條件：青貯玉米，適宜收獲期為蠟熟期，原料收獲作業(yè)不早于乳熟末期，不晚于蠟熟末期，適宜的含水量為65%～70%。②作業(yè)質(zhì)量：玉米收獲時，留茬高度不低于15cm（不同于玉米收獲機等機械收獲要求割茬低于15cm[4]。因為玉米根茬部分木質(zhì)程度高，不利于畜禽消化，且質(zhì)量大，不能滿足牧場需要），不得帶入泥土等雜物。切碎長度為1～2cm，宜將玉米籽粒破碎。③標準草長率（%）：是指標準長度草的總質(zhì)量與小樣質(zhì)量之比。即從切碎物料中取500g樣品（葉除外），草段長度在0.7～1.2倍的設(shè)計草長（數(shù)值取小數(shù)點后一位）數(shù)量占樣品全部數(shù)量的比值[5]，標準草長率不低于85%。

通過以上內(nèi)容，可以確定技術(shù)規(guī)范中所需記錄的作業(yè)條件（比如：青貯玉米品種、含水率等），作業(yè)質(zhì)量（留茬高度、標準草長率等）。

3 測試參數(shù)的設(shè)置

目前，載荷譜編制主要集中在工程機械、飛機、汽車等領(lǐng)域，測試對象主要集中在軸類零件上，測試參數(shù)主要有：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油壓、位移等。結(jié)合農(nóng)機作業(yè)實際，確定農(nóng)機作業(yè)載荷測試參數(shù)選取的原則有3個：①可靠性高。測試參數(shù)的設(shè)置需要結(jié)合玉米青貯作業(yè)實際，而青貯作業(yè)面臨的對象和環(huán)境十分復雜。據(jù)統(tǒng)計，從1988年至2017年國審專用青貯玉米青貯品種就有30個，加上糧飼通用品種則更多。玉米種植所采用的模式也多種多樣。在這種條件下，對測試參數(shù)所需測試方法和設(shè)備的可靠性要求較高。②可操作性強。測試參數(shù)應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)手段下能夠?qū)崿F(xiàn)，特別是在作業(yè)條件下。測試參數(shù)也不是越多越好，越精確越好，應(yīng)適應(yīng)目前我國農(nóng)機行業(yè)整體水平。③經(jīng)濟性好。測試參數(shù)不是為單點式的研究而設(shè)置，而是為滿足大范圍推廣應(yīng)用需要，所以要求測試參數(shù)所需設(shè)備應(yīng)能在主流機型上快速安裝，不需要定制加工樣機。

目前，相關(guān)標準中規(guī)定的測試參數(shù)主要有：生產(chǎn)率、標準草長率、駐車制動、噪聲、拋送最大水平距離、拋送最大高度等。其中可以體現(xiàn)作業(yè)載荷的參數(shù)為生產(chǎn)率、噪聲。生產(chǎn)率大小直接決定了自走式玉米青貯收獲機所受載荷的大小。噪聲是發(fā)聲體做無規(guī)則振動時發(fā)出的聲音，聲音由物體的振動產(chǎn)生，以波的形式在一定的介質(zhì)（如固體、液體、氣體）中進行傳播。同一自走式玉米青貯收獲機所受載荷越大，噪聲越大。所以通過測定作業(yè)時噪聲大小可以表征作業(yè)載荷的大小。結(jié)合拖拉機及柴油機試驗鑒定并征求相關(guān)自走式玉米青貯收獲機生產(chǎn)企業(yè)意見，增加以下測試參數(shù)：①作業(yè)時間及速度。包括樣機作業(yè)時間、空行時間、空轉(zhuǎn)時間。速度包括作業(yè)時的行進速度、空行時的行進速度。作業(yè)時間雖然不是直接反映作業(yè)載荷的，但卻是編制載荷譜所需要的。作業(yè)速度直接影響生產(chǎn)率，從而影響作業(yè)載荷大小。②油耗。油耗指標是用戶比較關(guān)注的，也能反映自走式青貯玉米收獲機作業(yè)時所承受載荷大小。③加速度。這里的加速度是指自走式玉米青貯收獲機特定點受載荷影響而產(chǎn)生的振動加速度。加速度越大，可反映自走式玉米青貯機所受載荷越大。④軸轉(zhuǎn)速和扭矩。通過測試相關(guān)軸的轉(zhuǎn)速和扭矩，可以得到功率消耗變化情況。從中可以看到克服載荷消耗功率情況。

4 測試方法及設(shè)備的選擇

測試參數(shù)設(shè)置完成后，需要確定測試方法，測試方法需要滿足方便性、準確性及科學性的要求，能滿足大面積采集工作需要，盡量減少人為因素影響。同時要考慮數(shù)據(jù)能由系統(tǒng)自動采集和人工統(tǒng)計方式兩種方式得到，這也是為了擴大技術(shù)規(guī)范使用范圍。根據(jù)研究，青貯玉米最大種植密度為60 000株/hm2，株距0.23m，按照最大作業(yè)速度5m/s計算，載荷頻率在22Hz，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，測試設(shè)備采樣頻率應(yīng)為載荷頻率的3～5倍。結(jié)合實際最終將采樣頻率確定在100Hz，采樣時間間隔為0.01s。如果采用人工統(tǒng)計方式進行，考慮到可操作性，采樣間隔為2min。相關(guān)參數(shù)測試方法如下。

4.1 生產(chǎn)率

生產(chǎn)率采用估算法計算，將田間調(diào)查得到的作物產(chǎn)量換算成含水率65%時的產(chǎn)量[6]。生產(chǎn)率按式（1）計算。采用估算法時，可以直接輸入割臺工作幅寬和作物產(chǎn)量，只測青貯作業(yè)時的行進速度就可得到。

式中：Q為生產(chǎn)率（t/h）；S為割臺工作幅寬（m）；C為作物產(chǎn)量（含水率65%時的產(chǎn)量，kg/hm2）；Uzy為青貯作業(yè)時的行進速度（km/h）。

4.2 噪聲

噪聲測試位置為駕駛員耳位處。此處噪聲對駕駛員人身健康影響較大。測試時，背景噪聲至少比測量噪聲級低10dB(A)。如果裝有駕駛室，應(yīng)關(guān)閉門窗、天窗、擋風玻璃。除駕駛員和測試人員外，其他人員不得在操作位置處或駕駛室內(nèi)。傳感器應(yīng)放在座位中心面一側(cè)250mm±20mm處，傳感器應(yīng)沿軸線水平向前，中心應(yīng)位于駕駛座標志點上方700mm±20mm、前方100mm±20mm處。聲級計讀數(shù)應(yīng)在慢檔特性下讀取，測量的量為A計權(quán)聲壓級[7]。

4.3 作業(yè)時間及速度

記錄樣機青貯作業(yè)時間、空行時間、空轉(zhuǎn)時間。記錄樣機青貯作業(yè)時的行進速度，空行時的行進速度，記錄樣機狀態(tài)數(shù)據(jù)，狀態(tài)數(shù)據(jù)為作業(yè)過程中的實時時間、每秒鐘間隔內(nèi)對應(yīng)的平均速度以及不同作業(yè)切換的狀態(tài)信號。

4.4 油耗

樣機各階段作業(yè)消耗的燃油質(zhì)量如以人工統(tǒng)計方式得到，需記錄各狀態(tài)穩(wěn)定工作2h消耗的燃油質(zhì)量，測試3次，以算術(shù)平均值作為樣機該狀態(tài)油耗，包括樣機空行油耗、空轉(zhuǎn)油耗?？招杏秃臏y試時按作業(yè)時行進速度進行測試，記錄作業(yè)行進速度。測試方法可通過稱取油箱加滿前后油桶質(zhì)量差或其他方式得到，也可通過相應(yīng)傳感器自動采集。以人工統(tǒng)計方式進行時，小時油耗按式（2）計算。

式中：Gph為樣機青貯作業(yè)小時油耗（kg/h）；Gzy為樣機的總耗油量（kg）；Gkx為樣機空行小時油耗（kg/h）；Gkz為樣機空轉(zhuǎn)小時油耗（kg/h）；tzy為樣機青貯作業(yè)時間（h）；tkx為樣機空行時間（h）；tkz為樣機空轉(zhuǎn)時間（h）。

4.5 加速度

加速度傳感器應(yīng)安裝在駕駛座標志點[8]在底板上的垂直投影點處。加速度測試可以滿足駕駛員座椅處產(chǎn)生的振動測試。傳感器安裝應(yīng)符合GB/T 14412要求[9]。記錄后側(cè)至車前方向（X）、左側(cè)至右側(cè)方向（Y）、底部至頂部方向（Z）3個方向加速度。

參數(shù)測試用儀器設(shè)備應(yīng)處于完好狀態(tài)，使用前應(yīng)經(jīng)過計量檢定或校準且在有效期內(nèi)，確保在規(guī)定條件下使用。準確度要求見表1。

表1 儀器設(shè)備準確度要求

5 評價參數(shù)的設(shè)置

評價參數(shù)分為整機負荷參數(shù)和部件負荷參數(shù)，整機負荷參數(shù)表征整機所受載荷狀況，部件負荷參數(shù)表征部件所受載荷狀況。整機負荷參數(shù)包括：作業(yè)振動、作業(yè)功率、負荷系數(shù)、噸料油耗。部件負荷參數(shù)包括：作業(yè)功率。

5.1 作業(yè)振動

作業(yè)振動是指自走式玉米青貯收獲機駕駛座標志點在底板上垂直投影點處的振動。表征青貯作業(yè)整機承受載荷而在特定位置產(chǎn)生振動的程度，用頻率加權(quán)加速度均方值表示[10]。頻率加權(quán)加速度均方值按式（3）計算。

5.2 作業(yè)功率

作業(yè)功率是指自走式玉米青貯收獲機用于青貯作業(yè)的功率。表征青貯作業(yè)部件承受載荷而消耗功率的程度。通過測試軸轉(zhuǎn)速與扭矩乘積得到。作業(yè)功率按式（4）計算。

式中：Pzy為作業(yè)功率（kW）；nzy為測試軸轉(zhuǎn)速（r/min）；Tzy為測試軸扭矩（N·m）。

5.3 負荷系數(shù)

負荷系數(shù)是指自走式玉米青貯收獲機用于青貯作業(yè)功率與其標定功率的比值。表征用于青貯作業(yè)過程中整機承受載荷而消耗功率的程度。作業(yè)功率由轉(zhuǎn)矩、扭矩測試得到或采用G_ph值在動力輸出軸特性曲線上查得的平均功率近似值。負荷系數(shù)按式（5）計算。

式中：εph為樣機青貯作業(yè)時的負荷系數(shù)；Pzy為作業(yè)功率（kW）；Pbd為標定功率（kW）。

5.4 噸料油耗

噸料油耗是指自走式玉米青貯收獲機收集每噸碎物料所消耗的燃油質(zhì)量。表征每噸玉米青貯作業(yè)中整機承受載荷而消耗燃油的程度。噸料油耗按式（6）計算。

式中：Gth為樣機青貯作業(yè)時每噸物料耗油質(zhì)量（t/kg）。

5.5 作業(yè)耳位噪聲

作業(yè)耳位噪聲是指自走式玉米青貯收獲機青貯作業(yè)時駕駛員耳位處的噪聲。表征青貯作業(yè)時整機承受載荷而在駕駛員耳位處產(chǎn)生噪聲的程度。

6 測試要求

（1）試驗地塊地勢應(yīng)符合樣機作業(yè)要求，記錄地塊位置、地塊坡度、地塊面積和形狀等信息。

（2）所測樣機技術(shù)參數(shù)應(yīng)符合制造廠的規(guī)定，并按制造廠的使用說明書進行操作。記錄樣機信息，包括：配套動力、發(fā)動機型號名稱及生產(chǎn)日期、樣機生產(chǎn)日期、樣機編號、工作幅寬、整機質(zhì)量、生產(chǎn)率、作業(yè)行進速度等。測試前，發(fā)動機、傳動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)應(yīng)正常運行15min以上。測試時，滿幅寬全油門作業(yè)，作業(yè)面積至少1hm2。

（3）玉米品種、種植模式應(yīng)能代表試驗地區(qū)情況，無明顯倒伏，長勢均勻，表面無明水，處于蠟熟期。記錄玉米品種、種植模式、作物產(chǎn)量、含水率等信息。作物產(chǎn)量按五點法取樣，取樣面積1m2，割取玉米植株距地15cm以上部分稱重，以五點平均質(zhì)量作為地塊作物產(chǎn)量。含水率等試驗條件要符合GB/T 5262的規(guī)定。

（4）物料穩(wěn)定拋送10s后至少接取2kg樣品。按四分法進行分析，標準草長率（%）不低于85%（切碎長度為1～2cm）。隨機測10個點，留茬高度不低于15cm。

7 評價規(guī)則

測試數(shù)據(jù)用于不同廠家同一型號間作業(yè)載荷情況評價時可多次測量，以算術(shù)平均值作為評價依據(jù)。

7.1 評價指標及權(quán)重

評價指標分整機負荷參數(shù)和部件負荷參數(shù)，經(jīng)調(diào)研和咨詢相關(guān)專家，各類指標權(quán)重見表2。

表2 各類指標權(quán)重

7.2 綜合評價

對評價項目逐項評價。滿分100分，綜合評價結(jié)果根據(jù)各指標得分按權(quán)重計算得到。