王學(xué)良,李 強(qiáng),范國強(qiáng),宋月鵬,徐文英,張曉輝,沈典誥

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018;2.山東省園藝機(jī)械與裝備實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018;3.泰安市山立機(jī)械設(shè)備有限公司,山東 泰安 271000)

0 引言

我國是世界第一大水果生產(chǎn)國和消費(fèi)國,林果業(yè)是農(nóng)民增收致富的一條重要渠道。但是,我國果園主要分布在丘陵山地,地形復(fù)雜多變,現(xiàn)有的輪式作業(yè)機(jī)械抗傾翻能力差,轉(zhuǎn)彎半徑大,難以適應(yīng)丘陵山地等復(fù)雜地形[1-3]。果園管理中的植保、開溝施肥和除草作業(yè)具有勞動(dòng)量大和季節(jié)性強(qiáng)的特點(diǎn),隨著勞動(dòng)力成本的不斷升高,果園管理機(jī)械化的需求也越來越迫切[4]。近幾年出現(xiàn)的微耕機(jī)等小型機(jī)具主導(dǎo)了丘陵山地農(nóng)機(jī)的發(fā)展方向[5],但微耕機(jī)作業(yè)效率不高,難以適應(yīng)規(guī)模化種植的需求。新疆機(jī)械研究院研制了一種手扶式履帶多功能果園作業(yè)機(jī),但其植保作業(yè)還是依靠果農(nóng)手持噴桿作業(yè),無法實(shí)現(xiàn)開溝施肥和除草的機(jī)械化作業(yè)[6]。與此同時(shí),我國果農(nóng)的購買能力不強(qiáng),如何提高主機(jī)的配套率也是亟待解決的問題之一。因此,研制一種適合丘陵山區(qū)果園植保、開溝施肥和除草作業(yè)的果園多功能作業(yè)機(jī)對于提高我國果園管理的機(jī)械化水平具有重要的意義。

履帶式車輛具有較大的爬坡能力和附著能力,對復(fù)雜地形適應(yīng)能力強(qiáng),且具有重心低和抗傾覆能力強(qiáng)的特點(diǎn)[4-9],特別適合丘陵山地復(fù)雜地形條件下的作業(yè)。為此,設(shè)計(jì)了一種中等功率的履帶式液壓驅(qū)動(dòng)果園作業(yè)機(jī),為提高機(jī)具的配套率,還設(shè)計(jì)了簡單可靠的懸掛裝置,實(shí)現(xiàn)了多種作業(yè)裝置的快速更換。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該履帶式果園多功能作業(yè)機(jī)行走與工作部件均采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),主要由車架、動(dòng)力系統(tǒng)、履帶行走機(jī)構(gòu)、懸掛裝置和控制裝置組成,拆去座椅的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.附具液壓馬達(dá) 2.雙萬向聯(lián)軸器 3.掛接板 4.機(jī)具齒輪泵

動(dòng)力系統(tǒng)主要由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪泵和液壓油箱組成,位于作業(yè)機(jī)的中后部、駕駛座椅的后下方,為整機(jī)提供動(dòng)力。作業(yè)車車架通過銷軸和螺栓與兩側(cè)的履帶機(jī)構(gòu)相連,履帶行走機(jī)構(gòu)處于作業(yè)的底部,由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走。懸掛裝置主要由機(jī)具提升液壓缸與掛接板構(gòu)成,鉸接在作業(yè)機(jī)后部,機(jī)具液壓馬達(dá)安裝在作業(yè)車的后部,帶動(dòng)一條雙萬向聯(lián)軸器為作業(yè)裝置提供動(dòng)力?？刂蒲b置的主要部件是液壓閥,行走控制閥處于駕駛座椅的前部,作業(yè)裝置控制閥處于駕駛座椅的右側(cè)。平地鏟處于作業(yè)機(jī)的前端,為了平衡整機(jī),在作業(yè)機(jī)的前端掛接了配重,根據(jù)作業(yè)裝置的不同,可調(diào)節(jié)配重的數(shù)量。

由于該作業(yè)機(jī)采用履帶行走機(jī)構(gòu)和如圖1所示的零部件布置方式,使得該機(jī)質(zhì)心高度大大降低,質(zhì)心高度僅為0.6m。通過調(diào)節(jié)配重,可使質(zhì)心處于車體中部,極大提高了整機(jī)的抗傾翻能力。

根據(jù)我國果園的實(shí)際情況,整機(jī)主要目標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 履帶式果園多功能作業(yè)機(jī)主要目標(biāo)參數(shù)

1.2 工作原理

為提高操作性能和驅(qū)動(dòng)力,作業(yè)機(jī)采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

1.2.1 行走轉(zhuǎn)向原理

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)行走齒輪泵為履帶行走系統(tǒng)提供高壓油,行走轉(zhuǎn)向控制閥組為雙聯(lián)三位六通手動(dòng)換向閥,分別控制左行走馬達(dá)和右行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)向。雙聯(lián)閥芯處于中位時(shí),液壓油回油箱,行走馬達(dá)不轉(zhuǎn),作業(yè)車靜止;雙聯(lián)閥芯位置同時(shí)處于左方或右方時(shí),兩馬達(dá)轉(zhuǎn)向相同,作業(yè)機(jī)前進(jìn)或后退;雙聯(lián)閥芯位置分別處于左方或右方時(shí),兩馬達(dá)轉(zhuǎn)向相反,作業(yè)機(jī)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。

1.2.2 作業(yè)裝置懸掛原理

為提高機(jī)具的配套率,實(shí)現(xiàn)多種機(jī)具的快速更換,設(shè)計(jì)了簡單可靠的懸掛系統(tǒng),如圖3所示。

1.濾油器 2.行走齒輪泵 3.溢流閥 4.平地鏟液壓缸 5.換向閥Ⅰ

1.割草機(jī) 2.螺栓 3.機(jī)具掛接板 4.車載機(jī)具掛接板

車載機(jī)具掛接板前端下部鉸接安裝在整車尾部下方的固定鉸接座上,兩條機(jī)具提升液壓缸的前端鉸接安裝在車體尾部上方,機(jī)具提升液壓缸的后端鉸接在車載機(jī)具掛接板前端的上部。圖2中的換向閥Ⅲ為三位六通換向閥,通過改變閥芯位置實(shí)現(xiàn)機(jī)具提升液壓缸的伸縮,進(jìn)而調(diào)整機(jī)具掛接板的傾斜位置,實(shí)現(xiàn)對后端懸掛機(jī)具作業(yè)高度和位置的調(diào)整。

車載機(jī)具掛接板后端上部焊接兩個(gè)掛接耳,機(jī)具掛接板的上部焊接了2個(gè)掛接銷,可以掛接在車載機(jī)具掛接板的掛接耳上。機(jī)具掛接板的下部加工了2個(gè)U型槽,連接螺栓穿過機(jī)具掛接板和車載機(jī)具掛接板,將機(jī)具與車體連接在一起。

1.2.3 作業(yè)裝置調(diào)整與驅(qū)動(dòng)原理

換向閥Ⅰ為三位六通換向閥,通過改變閥芯位置實(shí)現(xiàn)平地鏟液壓缸的伸縮,可以調(diào)整平地鏟高度,實(shí)現(xiàn)平地作業(yè)。機(jī)具液壓馬達(dá)安裝在作業(yè)車的后部,帶動(dòng)一條雙萬向聯(lián)軸器為作業(yè)裝置提供動(dòng)力。換向閥Ⅱ?yàn)槿涣〒Q向閥,通過改變閥芯位置改變機(jī)具液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)向,適應(yīng)不同機(jī)具對轉(zhuǎn)向的要求。

2 主要零部件設(shè)計(jì)

2.1 行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

履帶車輛行駛在松軟地面時(shí),由于土壤壓實(shí)和流動(dòng)而造成較大的能量損失,所以需要較大的驅(qū)動(dòng)力[8-9]。車輛轉(zhuǎn)向和爬坡時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩和功率較大,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取兩者的最大值作為行走系統(tǒng)的最大驅(qū)動(dòng)力矩和功率。

研究表明,履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)受到的力主要為滾動(dòng)摩擦力和轉(zhuǎn)向滑動(dòng)摩擦力[11],轉(zhuǎn)向阻力為

(1)

式中G—車輛質(zhì)量(kg),G=2 200;

f—滾動(dòng)摩擦因數(shù);

μ—滑動(dòng)摩擦阻力系數(shù);

L—履帶接地長度;

B—軌距。

取滾動(dòng)摩擦因數(shù)f為0.11,轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)μ為0.7,代入式(1)得fq=6 845N。

爬坡角度≥30°,則爬坡驅(qū)動(dòng)力為

Fq=9.8G·(f·cosα+sinα)=11584N

(2)

已知驅(qū)動(dòng)輪半徑r=0.12m,則需要的最大驅(qū)動(dòng)力矩為

Tq=Fq·r=1390N·m

(3)

單個(gè)液壓馬達(dá)需要的排量為

(4)

式中Tq—馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩;

ΔP—馬達(dá)進(jìn)出油口壓力差(MPa),ΔP=16;

ηm—馬達(dá)容積效率,取0.95。

因此,最終選取2個(gè)GMS-305型擺線液壓馬達(dá)滿足驅(qū)動(dòng)需求,馬達(dá)排量為305mL/r。

當(dāng)時(shí)速為5km/h時(shí),馬達(dá)轉(zhuǎn)速nm為

nm=v/(60·π·d)=111r/min

(5)

初選發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 200r/min,則需要行走齒輪泵的排量為

(6)

其中,Vcx為齒輪泵的排量;ηc為齒輪泵的容積效率,取0.95。

最終選取型號為CB-FC32-FL的齒輪泵作為行走泵,泵的排量為32mL/r,系統(tǒng)最大流量為70.4L/min。

行走系統(tǒng)爬坡時(shí)的最大功率Pq為

(7)

2.2 作業(yè)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前與拖拉機(jī)配套的果園作業(yè)機(jī)械已經(jīng)比較成熟,根據(jù)果園作業(yè)的要求,選取市場上常見的背負(fù)式風(fēng)送噴霧機(jī)、開溝機(jī)和雙圓盤割草肥田機(jī),3種作業(yè)裝置性能參數(shù)如表2所示。

表2 作業(yè)裝置主要性能參數(shù)

3種作業(yè)裝置的輸入轉(zhuǎn)速為540～720r/min,以最大輸入功率為18kW進(jìn)行設(shè)計(jì),則所需機(jī)具馬達(dá)最大輸出扭矩為

Tj=9550·P/n=318N·m

(8)

需要的機(jī)具馬達(dá)排量為

Vmj=2π·Tj/(ΔP·ηm)=130mL/r

(9)

最終,選取BMP-160型擺線液壓馬達(dá)滿足驅(qū)動(dòng)需求,馬達(dá)排量為160mL/r。。

發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 200r/min,需要機(jī)具齒輪泵的排量為

Vcj=nmj·Vmj/(2200·ηc)=33.6mL/r

(10)

最終,選取型號為CBHZA-F36-FL的齒輪泵作為機(jī)具齒輪泵。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)選取

行走系統(tǒng)爬坡時(shí)的最大功率為20kW,機(jī)具最大輸入功率為18kW,最終選取額定功率為37kW、額定轉(zhuǎn)速為2 400r/min的YN25GB型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為整機(jī)提供動(dòng)力。

3 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證多功能作業(yè)車的各項(xiàng)性能,在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)。本次試驗(yàn)懸掛了割草機(jī)、彌霧機(jī)和開溝機(jī)3種不同附具,開溝與割草試驗(yàn)如圖4所示。

圖4 樣機(jī)田間作業(yè)試驗(yàn)

試驗(yàn)中作業(yè)車運(yùn)行平穩(wěn),動(dòng)作控制可靠,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的各種工作,各種工況下實(shí)測結(jié)果如表3所示。由表3可以看出:整機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求,綜合性能良好。

表3 多功能作業(yè)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表3

4 結(jié)論

1)針對輪式拖拉機(jī)難以適應(yīng)丘陵山地復(fù)雜地形作業(yè)的問題,設(shè)計(jì)了一款果園履帶式多功能作業(yè)機(jī)。通過對整機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置,使得該機(jī)具有較大的爬坡能力,且具有重心低和抗傾覆能力強(qiáng)的特點(diǎn),特別適合丘陵山地復(fù)雜地形條件下的果園管理作業(yè)。

2)為提高機(jī)具的配套率,實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)裝置的掛接,設(shè)計(jì)了由掛接板、掛接耳、掛接銷、螺栓和機(jī)具提升液壓缸組成的懸掛系統(tǒng),具有簡單可靠的優(yōu)點(diǎn)。

3)為了減小機(jī)器的體積,提高操作性能和驅(qū)動(dòng)力,本機(jī)行走與工作部件均采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。針對該機(jī)型設(shè)計(jì)了相應(yīng)液壓系統(tǒng),確定了關(guān)鍵零部件的型號,以滿足驅(qū)動(dòng)、機(jī)構(gòu)調(diào)整與作業(yè)裝置工作的要求。