李錦文， 王麗琴

（1.山西省農(nóng)機(jī)發(fā)展中心研發(fā)部， 山西 太原 030002； 2.北汽福田研究總院， 北京 102206）

引言

長(zhǎng)期以來，我國(guó)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造走產(chǎn)品低端、低值低價(jià)、同質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)、薄利多銷的路子。因基礎(chǔ)研究缺失，高端產(chǎn)品、核心技術(shù)自主研發(fā)與創(chuàng)新不足，差評(píng)研發(fā)投入少，創(chuàng)新性、基礎(chǔ)性研究薄弱，特別是農(nóng)機(jī)具研發(fā)過程中過載安全保護(hù)裝置的研究，缺乏理論支撐與經(jīng)驗(yàn)積累[1-2]。

技術(shù)路線上走引進(jìn)消化吸收適應(yīng)性改進(jìn)的路線，機(jī)構(gòu)形狀的模仿應(yīng)用基本到位，但基礎(chǔ)理論研究、材料應(yīng)用、熱處理加工等是模仿不來的，特別是耕整地機(jī)械中過載安全保護(hù)裝置的研究與應(yīng)用，在國(guó)外是不可或缺的，幾乎成為中高端農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的標(biāo)配，而國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用較少。

CMQ300型殘膜清除機(jī)的研發(fā)過程中，瞄準(zhǔn)國(guó)外先進(jìn)農(nóng)機(jī)研發(fā)路線，在過載安全保護(hù)裝置上進(jìn)行了探索研究，第一次引入過載保護(hù)概念，設(shè)計(jì)了一種自主研發(fā)的具有過載保護(hù)功能的安全裝置。通過對(duì)過載保護(hù)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)形式、整機(jī)載荷分析、剪切銷的安裝與配套等方面的研究與試驗(yàn)，旨在為整地作業(yè)機(jī)械過載保護(hù)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)形式與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)形式

該CMQ-300型殘膜清除整地機(jī)配套動(dòng)力為73 500～117 600 W（100～160馬力）輪式拖拉機(jī)，掛接形式為后置三點(diǎn)懸掛，高速寬幅作業(yè)，設(shè)計(jì)尺寸大，分成兩個(gè)1.5 m的獨(dú)立單元。兩組作業(yè)單元分別通過主懸掛架的縱梁鉸鏈，拖拉機(jī)的牽引力通過鉸鏈點(diǎn)傳遞到工作部件。鉸鏈點(diǎn)位置設(shè)計(jì)了過載安全保護(hù)裝置，該過載安全保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，是一種剪切銷過載剪斷形式的安全過載保護(hù)，過載安全保護(hù)裝置主要由主牽引梁（縱梁）、動(dòng)力傳遞卡套、剪切定位套、剪切銷等部分組成。

圖1 過載安全保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)形式

相對(duì)于普通螺栓，高強(qiáng)度螺栓存在較大的預(yù)緊力，螺栓與螺母有效地將兩個(gè)連接板件夾緊，從而在受剪切時(shí)產(chǎn)生較大的摩擦力。高強(qiáng)度螺栓按照其破壞的標(biāo)準(zhǔn)分為兩類，摩擦型鏈接與承壓型鏈接，二者在螺栓本身、安裝排列方式、安裝工藝等方面并無不同，區(qū)別在于破壞標(biāo)準(zhǔn)上的差異。摩擦型是以兩個(gè)鏈接鋼板之間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位滑移、摩擦面破壞作為承載極限的判斷標(biāo)準(zhǔn)。承壓型兩個(gè)連接件間即使發(fā)生滑移后，由螺栓承受連接件間的剪切力，孔壁與螺栓承壓傳遞剪切力，直至螺栓擠壓變形剪斷或孔壁擠壓撕裂變形破壞。

本方案的破壞形式為后者，預(yù)緊力不需要打，連接副之間采用承壓型形式設(shè)計(jì)。為防止孔壁受壓撕裂破壞，在結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了護(hù)套形式保護(hù)孔壁的剪切定位銷套管。

1.2 工作原理

當(dāng)機(jī)組作業(yè)時(shí)，各單體在主牽引梁的拉力作用下，水平向前的拉力通過動(dòng)力傳遞卡套、剪切銷、剪切定位套、單體框架傳遞到工作部件進(jìn)行工作。機(jī)組進(jìn)行耕整地作業(yè)，正常工作狀態(tài)下，安全剪切銷能夠承載機(jī)組作業(yè)過程的正常作業(yè)負(fù)荷變化，穩(wěn)定作業(yè)。當(dāng)作業(yè)單體的合作部件松土鏟、深松犁等工作部件遇到犁底層樹根、石塊等堅(jiān)硬障礙物，或駕駛員誤操作液壓失控耕深突然變大等現(xiàn)象時(shí)，單體承受負(fù)荷突然加大，單體承受的超載荷突然加大，超過了剪切銷設(shè)計(jì)允許軸切應(yīng)力時(shí)，安全銷被剪斷如圖2，作業(yè)單體從主牽引梁脫落，保護(hù)了單體框架、仿行機(jī)構(gòu)等工作部件的安全。

圖2 過載安全保護(hù)銷剪斷過程

2 過載保護(hù)裝置主要參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 載荷計(jì)算與參數(shù)確定

該CMQ300型殘膜清除機(jī)作業(yè)設(shè)定最大耕深為25 cm，正常工作狀態(tài)下，每個(gè)作業(yè)機(jī)組所承載的滿負(fù)荷土壤阻力F1的計(jì)算如下：

式中：n為工作部件數(shù)量，本機(jī)為14個(gè)；h為作業(yè)深度，25 cm；b為工作部件寬度，3.0 cm；k為旱地黏土土壤比阻，1.0 kg/cm2。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得F1=1 050 kg。

正常作業(yè)狀態(tài)，剪切銷應(yīng)能安全承受最大設(shè)計(jì)耕深情況下土壤對(duì)所有工作部件的總阻力F1。在遇到石塊、樹根等堅(jiān)硬障礙物時(shí)，機(jī)具承載力超過最大設(shè)計(jì)耕深的土壤總耕作阻力的的2倍，即2F1的情況下必須剪斷。剪切銷承受載荷F，應(yīng)介于F1與2F1之間。即：F1≤F≤2F1。

不同類型土壤比阻如表1所示。

2.2 安全銷材料選擇

在工作中，拖拉機(jī)的牽引力通過安全剪切銷桿表面與剪切套孔壁之間的擠壓傳遞，受機(jī)具作業(yè)不同工況變化影響而變化，安全銷與剪切套之間接觸面相互壓緊而產(chǎn)生局部擠壓，其受力特點(diǎn)的受力過程可能出現(xiàn)拉伸與壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、剪切等四種基本形式的變形，最難處理的是前三種變形，接觸面產(chǎn)生的過大的塑性變形使安全銷壓碎或壓扁而失去安全保護(hù)作用。根據(jù)材料剪切應(yīng)力極限[t]與抗拉極限[b]之間的關(guān)系：對(duì)于塑性材料，[t]=（0.6～0.8）[b]；對(duì)于脆性材料，[t]=（0.8～1.0）[b]；安全剪切銷應(yīng)選擇[t]≥0.8[b]的材料加工。選用45號(hào)鋼材料螺栓做該機(jī)剪切銷。

表1 不同類型土壤比阻

2.3 安全銷截面計(jì)算

安全銷截面積A計(jì)算公式：

查表得：45鋼的抗拉強(qiáng)度不小于600 MPa，屈服強(qiáng)度不小于355 MPa，但許用應(yīng)力還是需要根據(jù)安全系數(shù)來確定，設(shè)計(jì)中一般取τ0=120 MPa。

代入公式計(jì)算得A=17.5 mm2。換算成安全銷半徑直徑為 11.14 mm，該機(jī)單體過載安全保護(hù)用銷直徑選用11 mm的45號(hào)碳素鋼材料。

2.4 安全銷直徑與開槽形式

在過載保護(hù)裝置中的剪切銷是重要部件，有效控制過載剪斷過程的剪切面，保證剪斷剪切銷后牽引梁與機(jī)座快速脫離開來，在剪切銷的兩端設(shè)計(jì)了開槽，結(jié)構(gòu)形式如圖3雙槽剪切銷[3]，槽底面外圓直徑11 mm滿足剪切條件，剪切銷桿的其他部位外圓直徑大于槽口外圓直徑，便于重新更換。

圖3 雙槽剪切銷結(jié)構(gòu)形式

3 結(jié)論

CMQ300型殘膜清除機(jī)過載安全保護(hù)的結(jié)構(gòu)形式為整體承載剪切銷軸，銷軸設(shè)計(jì)成開槽形式，確保過載時(shí)在開槽處剪斷，避免彎曲擠壓撕裂情況下剪切銷難以取出更換的問題。剪切銷用45鋼材料，12mm直徑剪切螺栓，開槽處11mm的設(shè)計(jì)，有效保證機(jī)組正常作業(yè)與過載情況下的安全保護(hù)。對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)，特別是耕整地機(jī)械的過載安全保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)提供了相關(guān)依據(jù)。