趙建柱，孫鳳濤，陳宏偉，孫 佳，王德成

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

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全液壓山地手扶式苜蓿刈割壓扁機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙建柱，孫鳳濤，陳宏偉，孫 佳，王德成

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

為適應(yīng)我國(guó)山坡、丘陵地帶苜蓿收獲特殊需求，提高苜蓿收獲機(jī)械作業(yè)操作靈活性和安全性，提出了一款山地手扶式苜蓿刈割壓扁機(jī)。該機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，整機(jī)液壓系統(tǒng)由行走驅(qū)動(dòng)回路、工作裝置升降控制回路及工作裝置驅(qū)動(dòng)回路3部分組成，可實(shí)現(xiàn)自走、工作裝置升降和刈割壓扁作業(yè)；工作裝置升降機(jī)構(gòu)采用平行四連桿機(jī)構(gòu)，以保證工作裝置升降過(guò)程中割刀刀盤(pán)傾角不變。同時(shí)，進(jìn)行了樣機(jī)試制與田間性能試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：整機(jī)能夠有效地實(shí)現(xiàn)苜蓿的刈割、壓扁作業(yè)，爬坡度可達(dá)30%，行駛速度可達(dá)5km/h，能夠?qū)崿F(xiàn)單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向及原地轉(zhuǎn)向等功能，滿(mǎn)足山坡、丘陵地帶苜蓿收獲的需求。

全液壓；山地；手扶；刈割壓扁

0 引言

苜蓿是世界上應(yīng)用最廣、經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高及栽培面積最大的一種優(yōu)質(zhì)蛋白型牧草，在現(xiàn)代草業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中具有突出的地位[1]。在苜蓿刈割后的干燥過(guò)程中，由于苜蓿葉片與莖稈的失水速率不同，后續(xù)收獲時(shí)容易造成蛋白質(zhì)含量較高的葉片脫落，致使苜蓿草總體蛋白質(zhì)含量減少，品質(zhì)降低[2]。為使苜蓿莖葉同速干燥，提高苜蓿收獲質(zhì)量，需要采用刈割壓扁的聯(lián)合收獲作業(yè)方式。

目前，歐美各國(guó)農(nóng)機(jī)企業(yè)均有生產(chǎn)自走式牧草調(diào)制收割機(jī)械產(chǎn)品，但其苜蓿刈割壓扁設(shè)備體積大，主要適用于大農(nóng)場(chǎng)式的苜蓿種植環(huán)境。我國(guó)苜蓿主產(chǎn)區(qū)主要分布在西北省區(qū)的丘陵山區(qū)地帶，地形復(fù)雜、溝坎縱橫、地塊狹小，大型苜蓿收割機(jī)械無(wú)法作業(yè)。因此，需要開(kāi)發(fā)一種操作靈活、爬坡能力強(qiáng)、安全可靠且作業(yè)狀況穩(wěn)定的山地手扶式苜蓿刈割壓扁收獲機(jī)械，以適應(yīng)我國(guó)特殊的苜蓿種植環(huán)境。同時(shí)，為獲得穩(wěn)定的割茬質(zhì)量，確保刈割后的苜蓿能順利拋入壓扁輥，要求割刀與地面的刀盤(pán)傾角保持在0°～8°[3]，收獲不同割茬高度時(shí)，應(yīng)保持工作裝置的平移升降，使刀盤(pán)與地面夾角保持不變。

為此，設(shè)計(jì)了一款全液壓驅(qū)動(dòng)山地手扶式苜蓿刈割壓扁機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率質(zhì)量比高，具有無(wú)級(jí)變速、原地轉(zhuǎn)向、工作裝置平移升降等功能，適用于苜蓿山地收獲作業(yè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及重心位置確定

山地手扶式刈割壓扁機(jī)結(jié)構(gòu)主要由底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、切割器、調(diào)制器及升降機(jī)構(gòu)、手扶架等組成，如圖1所示。

1.調(diào)制器 2.平行四連桿機(jī)構(gòu) 3.液壓油箱 4.燃油箱 5.發(fā)動(dòng)機(jī) 6.手扶架 7.隨動(dòng)輪 8.底盤(pán) 9.驅(qū)動(dòng)輪 10.液壓缸 11.切割器 12.調(diào)制器馬達(dá) 13.行走泵 14.升降泵 15.工作裝置泵 16. 輪邊馬達(dá) 17.切割器馬達(dá)圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖Fig.1 Overall structure

該機(jī)為全液壓驅(qū)動(dòng)，行走系統(tǒng)、工作裝置升降機(jī)構(gòu)和刈割壓扁作業(yè)均由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。行走系統(tǒng)可通過(guò)盤(pán)式制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，并通過(guò)電磁液壓閥的開(kāi)閉控制輪邊馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)整機(jī)以驅(qū)動(dòng)輪軸中心為圓心的原地轉(zhuǎn)向。平行四連桿機(jī)構(gòu)固定在底盤(pán)機(jī)架上通過(guò)液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)工作裝置的平移升降。

底盤(pán)尾部左右兩側(cè)的隨動(dòng)輪為萬(wàn)向輪，在輔助支撐整機(jī)行駛的同時(shí)，還避免隨動(dòng)輪中置對(duì)壓扁后鋪設(shè)在地面草條的破壞。同時(shí)，為減輕操作人員長(zhǎng)時(shí)間下壓手扶架的負(fù)擔(dān)，保證整機(jī)良好的操縱穩(wěn)定性，要求整機(jī)重心位置保持在驅(qū)動(dòng)輪軸偏后的位置。

以驅(qū)動(dòng)輪軸為基準(zhǔn)，各零部件布置位置如圖1所示。重心估算為[4]

其中，Gi為各部件質(zhì)量(kg)；ai為各部件重心距驅(qū)動(dòng)輪軸的水平距離(mm)，部件在驅(qū)動(dòng)輪軸后方時(shí)，ai取正值，否則取負(fù)值。

根據(jù)圖1進(jìn)行重心位置估算，主要零部件質(zhì)量如表1所示。在燃油箱和液壓油箱滿(mǎn)載的情況下，計(jì)算得a為24.7mm，即整機(jī)重心位置在驅(qū)動(dòng)輪軸后24.7mm，符合重心位置要求。

表1 主要零部件重量及其重心距驅(qū)動(dòng)輪軸的水平距離

Table 1 Main parts of weight and center of gravity from the horizontal

distance of driving axle

序號(hào)零部件Gi/Nai/mm1發(fā)動(dòng)機(jī)4029002工作裝置1890-5003蓄電池1679004散熱器209005液壓元件2454506燃油箱(滿(mǎn))2451107液壓油箱(滿(mǎn))2941108車(chē)架686500

1.2 動(dòng)力傳遞路線

山地手扶式刈割壓扁機(jī)整機(jī)動(dòng)力由功率為14.9kW的Command PRO CH640/CH20型風(fēng)冷V型雙缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供，動(dòng)力傳遞圖如圖2所示。

2 液壓系統(tǒng)與關(guān)鍵機(jī)構(gòu)

整機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)方式。相比于機(jī)械式驅(qū)動(dòng)，液壓傳動(dòng)不需要復(fù)雜的傳動(dòng)裝置，可簡(jiǎn)化整機(jī)結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量，獲得較高的功率質(zhì)量比，同時(shí)也提高了整機(jī)操控性和安全性,適用于在山坡丘陵地帶作業(yè)的手扶式小型農(nóng)業(yè)機(jī)械[5]。

本機(jī)液壓系統(tǒng)為小型機(jī)械液壓系統(tǒng)，選擇行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)及工作裝置驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作壓力P=16MPa，回油背壓P0=0.5MPa[6]。整機(jī)液壓系統(tǒng)由行走驅(qū)動(dòng)回路、工作裝置升降控制回路、工作裝置驅(qū)動(dòng)回路3部分組成。行走回路和工作裝置驅(qū)動(dòng)回路采用閉式回路。

閉式回路液壓系統(tǒng)中所使用的閉式柱塞泵，體積小、質(zhì)量輕，油路集成效率更高。此外，相比于開(kāi)式系統(tǒng)，要求油箱容量為液壓泵每分鐘效率排出體積額定值的3～5倍[7]，閉式回路液壓系統(tǒng)油箱容量?jī)H要求25～30L，大大減小了油箱的質(zhì)量和安裝空間，更適用于小型自走式機(jī)械。工作裝置升降控制回路較為簡(jiǎn)單，因此采用開(kāi)式回路。

圖2 整機(jī)動(dòng)力傳遞路線圖Fig.2 The prototype machinery power delivery roadmap

2.1 行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)

行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓原理圖如圖3所示。本機(jī)行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)在直線行駛時(shí)為串聯(lián)回路，轉(zhuǎn)向時(shí)，該液壓系統(tǒng)為并聯(lián)回路。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)一級(jí)帶傳動(dòng)帶動(dòng)行走泵，為行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。

參照作業(yè)人員行走速度，設(shè)定手扶式自走機(jī)械工作行駛速度vj為3km/h，最高行駛速度vmax為5km/h，驅(qū)動(dòng)輪半徑R為0.3m，輪邊馬達(dá)至驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)比為1[8]，則轉(zhuǎn)速范圍為

整機(jī)工作過(guò)程中每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪最大行駛阻力矩Ttq=300.3N·m。按行駛阻力矩計(jì)算輪邊馬達(dá)排量為

其中，ηmm為液壓馬達(dá)機(jī)械效率，ηmm=0.95。

輪邊馬達(dá)所需流量為

其中，ηvm為液壓馬達(dá)容積效率，ηvm=0.85。

圖3 行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓原理圖Fig.3 Hydraulic scheme of travel driving system

圖3中虛線框內(nèi)為閉式系統(tǒng)柱塞泵。所有電磁閥不工作時(shí)，兩輪邊馬達(dá)串聯(lián)，避免了兩側(cè)車(chē)輪所受阻力不一致時(shí)整機(jī)跑偏的問(wèn)題，左右驅(qū)動(dòng)輪同速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的直線行駛。電磁閥2、3、4通電工作，左右輪邊馬達(dá)并聯(lián)，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行單邊制動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)整機(jī)小半徑差速轉(zhuǎn)向。電磁閥5通電工作，兩輪邊馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的原地轉(zhuǎn)向，極大減小了轉(zhuǎn)彎半徑且避免車(chē)輪原地轉(zhuǎn)向時(shí)的“鉆地”現(xiàn)象。在緊急情況下，電磁閥1通電工作，閉式柱塞泵卸荷，同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪雙邊制動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)整機(jī)急停。

2.2 平行四連桿升降機(jī)構(gòu)

苜蓿力學(xué)特性及試驗(yàn)的研究和分析表明，適當(dāng)?shù)匦鼻谢蛘呦髑杏欣诮档妥畲蠹羟休d荷及剪切能耗[3]。 苜蓿收獲過(guò)程中，為保證苜蓿下一茬的生長(zhǎng)質(zhì)量和產(chǎn)量，一般要求切割后的苜蓿植株莖稈留茬平整，茬口整齊。

為獲得穩(wěn)定的苜蓿刈割壓扁效果，本機(jī)采用異型割刀并將刀盤(pán)傾置形成一定的刀盤(pán)傾角。異型割刀的采用，苜蓿割斷后刀背不會(huì)對(duì)苜蓿植株留茬造成破壞，有效減少破頭的產(chǎn)生。刀盤(pán)傾角的存在，使得割刀在切割苜蓿植株時(shí)，割刀在旋轉(zhuǎn)方向的前半段會(huì)逐漸下降，在刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向的后半段會(huì)逐漸上升，刀盤(pán)傾角與異型割刀的同時(shí)作用使刈割后的苜蓿莖稈產(chǎn)生向上的提升作用，與刀盤(pán)滾筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成合運(yùn)動(dòng)，使切割后的苜蓿莖稈更容易和準(zhǔn)確地向斜后方拋入壓扁輥，避免了割刀多次重割的現(xiàn)象。

刀盤(pán)傾角范圍一般取0°～8°。為避免苜蓿割茬重割，保證割茬剪切質(zhì)量穩(wěn)定且剪切能耗最低，此次整機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中刀盤(pán)傾角取8°[3]。

工作裝置的升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為平行四連桿機(jī)構(gòu),可保持工作裝置在升降過(guò)程中刀盤(pán)傾角不會(huì)隨刀盤(pán)的升降而改變。圖4為平行四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖。圖4中A位置刈割壓扁裝置處于最低切割位置，B位置處于最高切割位置。

圖4 平行四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖Fig.4 Parallel four-bar mechanism motion process diagram

假設(shè)連桿1兩孔中心距為L(zhǎng)，且A位置時(shí)連桿1處于水平狀態(tài)，A位置時(shí)提升油缸和活塞總長(zhǎng)為s，B位置時(shí)提升油缸和活塞總長(zhǎng)為s＇,A位置到B位置連桿1轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ。以提升油缸下支點(diǎn)o為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，A位置時(shí)b點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y)，從A位置到B位置關(guān)系為

h=Lcosθ

其中，h為工作裝置提升高度(mm)；Lt提升油缸和活塞自然總長(zhǎng)度(mm)。

整機(jī)工作裝置提升高度h為300～400mm，θ不大于45°，提升油缸和活塞自然長(zhǎng)度Lt=410mm油缸工作行程s-s＇=500mm，經(jīng)上述公式計(jì)算可得連桿1長(zhǎng)度。

3 樣機(jī)試制與田間試驗(yàn)

樣機(jī)試制后如圖5所示。參照農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T10394.3-2002)，在苜蓿試驗(yàn)田完成了山地手扶式苜蓿刈割壓扁機(jī)田間作業(yè)性能測(cè)試 ，包括單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向及整機(jī)爬坡度等試驗(yàn)，并在苜蓿種植區(qū)進(jìn)行了刈割壓扁試驗(yàn)。

圖5 樣機(jī)試制完成圖Fig.5 Prototype trial-production

1)整機(jī)在平整路面上空載行駛(刈割壓扁裝置不工作)時(shí)，放置于驅(qū)動(dòng)輪位置的霍爾傳感器測(cè)得驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為46r/min，車(chē)輪半徑為0.3m，可得車(chē)速為5.2km/h；作業(yè)(刈割壓扁裝置工作)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速為27r/min，車(chē)速為3.05km/h。

2)爬坡試驗(yàn)在人工坡道進(jìn)行，經(jīng)角度測(cè)量?jī)x測(cè)得該人工坡道的坡度為30%，試驗(yàn)測(cè)得整機(jī)可爬上30%的坡道并在坡道上正常行駛。

3)田間行駛通過(guò)液壓電磁閥的開(kāi)閉可有效實(shí)現(xiàn)整機(jī)的直行、單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向等行駛操作。

4)在苜蓿種植田里，對(duì)生長(zhǎng)初期的苜蓿進(jìn)行了刈割壓扁，如圖6所示。整機(jī)割幅為1.2m，鋪草條寬度為0.56m，割刀可有效調(diào)節(jié)至不同割茬高度且刀盤(pán)傾角不變，割茬整齊。

圖6 苜蓿刈割壓扁試驗(yàn)圖Fig.6 Test of alfalfa cutting and flattening

4 結(jié)論

1)整機(jī)車(chē)速最高可達(dá)5.2km/h，最大爬坡度大于30%，符合設(shè)計(jì)要求。全液壓油路設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向及原地轉(zhuǎn)向等多種工況且反應(yīng)靈敏。

2)刀盤(pán)傾角的設(shè)計(jì)和平行四連桿升降機(jī)構(gòu)的采用使割刀平移升降時(shí)刀盤(pán)傾角保持不變，不同割茬高度均獲得穩(wěn)定的割茬質(zhì)量和刈割壓扁效果。

3)全液壓的采用使得整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量功率比高，無(wú)級(jí)變速等特點(diǎn)滿(mǎn)足山地、丘陵地帶苜蓿收獲作業(yè)要求。

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A Kind of Full Hydraulic Mountains Alfalfa Cutting and Flattening Machine Design and Test Study

Zhao Jianzhu,Sun Fengtao,Chen Hongwei,Sun jia,Wang Decheng

(College of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China)

In order to meet the requirements of alfalfa harvesting on the mountain and hill environment, this paper proposes a kind of full hydraulic mountains hand alfalfa cutting and flattening machinery to improve its operation flexibility and safety.The machine adopts full hydraulic pressure drive with hydraulic system,which includes three parts, walking circuit, working device lifting control circuit and driving circuit, to cut and flat the alfalfa, drive the machine and lift the working device. We have produced the prototype machinery and execute the tests to verify its working performance in the alfalfa field. The results indicate that the prototype can effectively complete the alfalfa cutting and flattening operation.The maximum climbable gradient is 30%,and the walking speed is up to 5 km/h. Unilateral braking steering and pivot steering is also achieved.Moreover,it can make flattening operation flexible when the machinery cut the alfalfa. So this alfalfa cutting and flattening machinery can work on the mountains and hills to harvest alfalfa.

full hydraulic; mountains; hand; cutting and flattening

2016-04-30

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201203024)

趙建柱( 1963- )，男，山東青島人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhjzh@cau.edu.cn。

王德成(1965-)，男，吉林吉林人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)wdc@cau.edu.cn。

S817.11+9

A

1003-188X(2017)03-0089-04