清掃—?dú)馕郊t棗撿拾機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

袁盼盼，李賽飛，韓長杰，張靜，徐陽

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊市，830052)

通訊作者：韓長杰，男，1980年生，河南遂平人，博士，教授；研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備。E-mail: hcj_627@163.com

0 引言

紅棗耐鹽堿，耐干旱，可防風(fēng)固沙，改善惡劣的自然環(huán)境，具有良好的生態(tài)價值和經(jīng)濟(jì)價值[1-3]。2017年新疆紅棗種植面積已達(dá)到476 khm2，年產(chǎn)量超過347萬t[4]，其效益突出，惠民成效顯著，近幾年紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[5-6]，隨著紅棗種植面積的擴(kuò)大，但落地紅棗撿拾環(huán)節(jié)仍舊是依靠傳統(tǒng)人工作業(yè)，勞動強(qiáng)度大，撿拾效率低，成本高[7-8]，因此，落地棗撿拾亟需實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。

國外紅棗種植面積較少，研究集中在樹上紅棗的收獲[9]。國內(nèi)紅棗收獲研究多集中在小型氣力式撿拾機(jī)械為主，張學(xué)軍等、張鳳奎等[10-11]采用負(fù)壓原理對落地紅棗進(jìn)行撿拾輸送，需人工移動吸拾管，勞動強(qiáng)度較大；魯兵等利用“V”型清掃裝置和仿形鏟將落地紅棗聚攏并鏟起，再利用吸拾裝置將紅棗吸入棗箱，但在棗園中的適應(yīng)性稍差；潘俊兵等研究的氣吹式紅棗撿拾裝置，基于氣吹原理將落地紅棗吹入輸送裝置中，但需將地面紅棗進(jìn)行清掃聚攏后作業(yè)。

為解決小型氣力式落地棗撿拾作業(yè)前需將落地棗聚攏、人工輔助移動吸拾管、勞動強(qiáng)度大，且效率低等問題，研制了一種清掃—?dú)馕郊t棗撿拾收獲機(jī)。為簡化機(jī)械動力傳遞，及滿足撿拾機(jī)的集果、卸料、自走等功能需求，設(shè)計(jì)的清掃—?dú)馕綋焓皺C(jī)采用液壓傳動，液壓傳動可平穩(wěn)、較易的實(shí)現(xiàn)無級變速[12]。本文對清掃—?dú)馕綋焓皺C(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對關(guān)鍵液壓元件進(jìn)行選型計(jì)算，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，研究成果以期為撿拾機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化和液壓技術(shù)在果園機(jī)械的應(yīng)用提供一定參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

清掃—?dú)馕郊t棗撿拾機(jī)主要由集果裝置、吸拾系統(tǒng)、駕駛室升降裝置、自走底盤、卸料裝置、液壓傳動系統(tǒng)組成，如圖1所示。

撿拾機(jī)集果裝置位于機(jī)器前方，吸拾裝置位于駕駛室下方，料箱位于機(jī)器后部。作業(yè)時，首先通過門式提升機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)集果裝置的離地高度，由集果裝置的兩個對旋清掃頭對落地紅棗進(jìn)行清掃聚攏；隨后，吸拾系統(tǒng)通過氣吸頭利用負(fù)壓吸拾原理對聚攏成條后的落地紅棗進(jìn)行撿拾；撿拾的紅棗儲存于料箱；撿拾作業(yè)完成后，由卸料裝置完成紅棗的自動卸料作業(yè)。根據(jù)紅棗撿拾要求，可由一人位于駕駛室內(nèi)，進(jìn)行獨(dú)立操作完成整個“清掃—撿拾—卸料”作業(yè)過程。

圖1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Prototype structure drawing1.駕駛室 2.門式提升機(jī)構(gòu) 3.離心風(fēng)機(jī) 4.料箱 5.集果裝置 6.吸拾裝置 7.自走底盤 8.發(fā)動機(jī) 9.卸料裝置

2 液壓傳動方案設(shè)計(jì)

液壓傳動系統(tǒng)主要包括工作系統(tǒng)和行走系統(tǒng)兩個部分，各液壓系統(tǒng)需要完成工作如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)功能圖Fig. 2 Function diagram of hydraulic system

2.1 工作液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)紅棗撿拾機(jī)功能對工作液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，液壓原理圖如圖3所示。

圖3 工作液壓系統(tǒng)原理圖Fig. 3 Schematic diagram of working hydraulic system1.集果箱舉升油缸 2.駕駛室升降油缸 3.右清掃頭調(diào)節(jié)油缸 4.三位四通O型電磁換向閥 5.左清掃頭調(diào)節(jié)油缸 6.清掃盤液壓馬達(dá) 7.節(jié)流閥 8.三位四通P型電磁換向閥 9.兩位三通電磁換向閥 10.兩位四通電磁換向閥 11.定量泵 12.油箱 13.溢流閥 14.過濾器 15.集果箱翻轉(zhuǎn)油缸 16.分流集流閥

該液壓系統(tǒng)中液壓泵動力由柴油發(fā)動機(jī)通過取力器進(jìn)行提供，執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)和液壓缸，控制元件主要為電磁換向閥、流量閥，輔助元件為溢流閥。

工作液壓系統(tǒng)共分六個子部分，a主要實(shí)現(xiàn)清掃頭旋轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，應(yīng)對不同棗園落地紅棗分布差異性和適應(yīng)不同作業(yè)速度，保證集果效果。該部通過兩位三通電磁閥控制清掃頭啟動和停止，當(dāng)其斷電時，液壓馬達(dá)P、T口連通，清掃頭可以在外力作用下旋轉(zhuǎn)，防止外力對清掃頭造成機(jī)械破壞，影響使用；為達(dá)到清掃頭轉(zhuǎn)速同步效果，選用兩個同型號液壓馬達(dá)進(jìn)行串聯(lián)控制。三位四通電磁換向閥和兩個調(diào)速閥共同控制清掃液壓馬達(dá)的供油量，實(shí)現(xiàn)60 r/min、80 r/min、100 r/min 的轉(zhuǎn)速變換，不同轉(zhuǎn)速下電磁閥得失電如表1所示。b、c控制左、右清掃頭的收放調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)清掃幅寬調(diào)節(jié)。d通過門式提升機(jī)構(gòu)完成駕駛室升降調(diào)節(jié)，帶動安裝在駕駛室底架上的清掃裝置和吸拾頭作上下移動，保證作業(yè)時，兩者與地面良好接觸，轉(zhuǎn)場時與地面保持一定距離。

表1 電磁閥線圈得失電表Tab. 1 Solenoid valve coil gain and loss meter

作業(yè)過程中，通過負(fù)壓撿拾的紅棗臨時儲存于料箱中。撿拾作業(yè)完成后，依靠卸料裝置將料倉舉升、翻轉(zhuǎn)一定角度，紅棗受重力作用完成卸料。卸料裝置主要由兩組平行四桿機(jī)構(gòu)組成，對稱布置于料箱的兩側(cè)，每組平行四桿舉升機(jī)構(gòu)，各包含一個舉升油缸和一個翻轉(zhuǎn)油缸，e、f分別實(shí)現(xiàn)卸料過程中料箱的舉升和翻轉(zhuǎn)動作。為避免料箱受力不均、造成撿拾整機(jī)重心不穩(wěn)，舉升油缸、翻轉(zhuǎn)油缸采用糾偏能力強(qiáng)、同步精度高的分流集流閥實(shí)現(xiàn)速度同步控制要求。

2.2 行走液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樣機(jī)自走底盤采用前輪轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動的四輪行走方式。液壓原理圖如圖4所示。

該液壓系統(tǒng)主要由定量泵、單路穩(wěn)定分流閥、電磁溢流閥、電磁比例換向閥、液壓轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向油缸、液壓馬達(dá)組成。

底盤兩個前輪聯(lián)動，由單缸控制方向偏轉(zhuǎn)，后輪由定量馬達(dá)為JHFT4.0-2400型后橋輸入動力。發(fā)動機(jī)通過V型帶將動力傳遞給定量泵，產(chǎn)生高壓油。當(dāng)機(jī)器無行走、轉(zhuǎn)向需求時，系統(tǒng)中的電磁溢流閥斷電常開，油液直接回油箱，系統(tǒng)卸荷；當(dāng)機(jī)器轉(zhuǎn)向、行走時，電磁溢流閥得電起溢流安全作用，系統(tǒng)有壓力，高壓油經(jīng)過單路穩(wěn)定分流閥分流，一部分供給轉(zhuǎn)向器、一部分供向行走馬達(dá)。供向液壓馬達(dá)的油液經(jīng)比例換向閥調(diào)節(jié)，定量流入液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)無級變速功能，滿足不同狀態(tài)的前進(jìn)、后退速度需求。供向液壓轉(zhuǎn)向器的油液經(jīng)轉(zhuǎn)向器調(diào)節(jié)，流入轉(zhuǎn)向油缸，完成轉(zhuǎn)向功能。

圖4 行走液壓原理圖Fig. 4 Traveling hydraulic schematic diagram1.油箱 2.過濾器 3.電磁溢流閥 4.電磁比例換向閥 5.定量液壓馬達(dá) 6.轉(zhuǎn)向油缸 7.液壓轉(zhuǎn)向器 8.單路穩(wěn)定分流閥 9.定量液壓泵

3 關(guān)鍵部件選型設(shè)計(jì)

3.1 工作系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型

集果裝置通過兩個液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動完成集果作業(yè)，需要根據(jù)清掃頭的扭矩、轉(zhuǎn)速需求對馬達(dá)進(jìn)行選型計(jì)算。

田間工況復(fù)雜，清掃馬達(dá)載荷按清掃頭完全觸地進(jìn)行計(jì)算，由經(jīng)驗(yàn)公式[13]可得清掃頭的載荷。

(1)

式中：d——刷毛直徑，mm；

E——刷毛的彈性模量，Pa；

l——刷毛的自由長度，mm；

h——刷毛的變形量，mm；

B——單個清掃頭的清掃寬度，mm；

v——機(jī)具作業(yè)速度，m/s；

n1——清掃頭轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)紅棗物理特性及撿拾要求，確定刷毛直徑為3 mm，長度為30 mm，刷毛材質(zhì)為聚丙烯，其彈性模型為1.4×1011Pa，變形量為3 mm。根據(jù)前期研究[14]，單個清掃頭的清掃寬度為700 mm，當(dāng)清掃轉(zhuǎn)速達(dá)到100 r/min，作業(yè)速度達(dá)到3 km/h，計(jì)算可得液壓馬達(dá)載荷N=643 N。

液壓馬達(dá)的輸出功率由式(2)計(jì)算可得。

(2)

式中：k——功率儲備因數(shù)；

u1——盤刷刷束和土壤的摩擦系數(shù)；

ηt——聯(lián)軸器機(jī)械傳遞效率。

功率儲備因數(shù)一般取1.1，盤刷刷束和土壤的摩擦系數(shù)取0.5，機(jī)械傳遞效率取0.95，代入數(shù)據(jù)可得P1=1.65 kW。

將上述計(jì)算得到的輸出功率P1=1.65 kW和清掃盤設(shè)計(jì)的最大轉(zhuǎn)速n1=100 r/min代入式(3)，可得馬達(dá)輸出扭矩

(3)

為滿足上述扭矩和轉(zhuǎn)速參數(shù)，因此，選取BMP-100型液壓馬達(dá)，其轉(zhuǎn)速范圍9～615 r/min；排量98.2 mL/r；連續(xù)輸出扭矩191 N·m。

作業(yè)時，清掃馬達(dá)需要液壓泵持續(xù)提供的高壓油，清掃頭最大轉(zhuǎn)速n1=100 r/min時，流量消耗如式(4)所示。

(4)

式中：k2——系統(tǒng)泄露和溢流閥保持最小溢流量系數(shù)；

Vg——液壓馬達(dá)排量，mL/r；

ηv——液壓馬達(dá)容積效率。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]及上述選取馬達(dá)參數(shù)，一般最小溢流量系數(shù)k2取1.3，液壓馬達(dá)排量Vg取98.2 mL/r，ηv容積效率取0.95，代入式(4)計(jì)算可得Q1流量消耗為13.4 L/min，因此，節(jié)流閥選用MSW-005-Y型，其流量調(diào)節(jié)范圍0～15 L/min，最大壓力25 MPa，滿足工作要求。

液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差由式(5)計(jì)算可得。

(5)

式中：ηt——液壓馬達(dá)機(jī)械效率。

液壓馬達(dá)機(jī)械效率一般取0.85，將P1=1.65 kW，Q1=13.4 L/min，代入式(5)計(jì)算可得進(jìn)出口壓差p1=8.7 MPa，因此，電磁換向閥選用DSG-01系列，最大流量為35 L/min，最大壓力35 MPa，滿足系統(tǒng)工作需求。

由于兩個液壓馬達(dá)串聯(lián)使用，工作液壓系統(tǒng)最大工作壓力可由式(6)計(jì)算。

∑p=2p1+Δp

(6)

式中： Δp——總管路壓力損失，MPa。

有節(jié)流閥調(diào)速時，壓力損失Δp范圍0.2～0.5 MPa[16]，本文取0.5 MPa，將p1=8.7 MPa代入式(6)計(jì)算可得，工作液壓系統(tǒng)最大工作壓力為17.9 MPa。

根據(jù)卸料裝置的設(shè)計(jì)，舉升油缸最大負(fù)載為28 kN，舉升油缸以無桿腔為工作腔，油缸內(nèi)徑由式(7)計(jì)算可得。

(7)

式中：F——油缸負(fù)載，kN；

p——系統(tǒng)工作壓力，MPa；

η——油缸機(jī)械效率。

在農(nóng)用機(jī)械中液壓系統(tǒng)工作壓力一般選用10～18 MPa，屬中壓系統(tǒng)[17]，此處系統(tǒng)壓力取16 MPa，油缸機(jī)械效率取0.9，將F=28 kN代入式(7)計(jì)算可得油缸內(nèi)徑D為49.9 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊，油缸內(nèi)徑圓整取值50 mm，選用DG-J50C-E1型液壓缸。

3.2 行走系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型

驅(qū)動馬達(dá)輸出軸與后橋輸入軸通過花鍵套連接，JHFT4.0-2400型后橋總成傳動比i為13.06。驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)速可根據(jù)式(8)進(jìn)行計(jì)算。

(8)

式中：i——后橋傳動比；

R——車輪外徑，mm。

車輪外徑選取為650 mm，當(dāng)作業(yè)速度在1～3 km/h 內(nèi)變換時，驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)速在118.7～320 r/min內(nèi)變換。

撿拾機(jī)在田間行走速度較慢，忽略空氣阻力，受最大阻力狀態(tài)為在裝載后在斜坡啟動，液壓馬達(dá)輸出扭矩需要滿足滾動阻力、加速阻力、斜坡阻力在后橋輸入軸上產(chǎn)生的扭矩

(9)

式中：m——整機(jī)滿載質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，N/kg；

β——地面坡度角，°；

f——滾動阻力系數(shù)；

v——作業(yè)速度，km/h；

t——加速時間，s；

η2——后橋機(jī)械效率。

根據(jù)前期研究[14]，整機(jī)滿載質(zhì)量為4 000 kg；田間坡度測量可知，撿拾機(jī)作業(yè)時的坡面坡度角最大約20°，滾動阻力系統(tǒng)一般取0.09[18]，機(jī)具作業(yè)速度設(shè)置為3 km/h，將重力加速度9.8 N/kg代入式(9)，計(jì)算可得液壓馬達(dá)扭矩為522 N·m。

根據(jù)上述計(jì)算獲得的轉(zhuǎn)速與扭矩，選取BM5-160型液壓馬達(dá)作為行走驅(qū)動馬達(dá)，排量160 mL，容積效率取92%。

當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到320 r/min時，按式(4)計(jì)算，可得流量需求為72.4 L/min。由式(5)計(jì)算可得液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差為14.85 MPa。

電磁比例換向閥選用4WREE10W75-20/G24型,中位機(jī)能為“P”型，AB口與P口連通，能夠保證液壓馬達(dá)在系統(tǒng)不供油時仍能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，防止突然制動時對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生損傷，發(fā)生爆管、漏油等現(xiàn)象。

比例閥開度調(diào)節(jié)由駕駛員通過位于駕駛室內(nèi)的電子油門進(jìn)行控制，完成行走液壓馬達(dá)的調(diào)速。

根據(jù)需求，液壓轉(zhuǎn)向器選用BZZ1-E100，額定流量7.5 L/min，單路穩(wěn)定分流閥選用恒流型FLD-7.5H，公稱流量7.5 L/min。

行走系統(tǒng)采用比例閥進(jìn)行調(diào)速，管路損失取1.5 MPa[19]，系統(tǒng)壓強(qiáng)由式(3)可得為16.35 MPa。

行走液壓系統(tǒng)中液壓泵型號最終確定為CBT-F550型，該型號具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕轉(zhuǎn)速高、壓力大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，額定壓強(qiáng)20 MPa，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，公稱排量50 mL/r，額定流量為93 L/min能夠滿足撿拾作業(yè)時行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需。

4 田間性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2019年10月在新疆庫爾勒三十團(tuán)砂土壤棗園進(jìn)行田間性能試驗(yàn)，種植模式為4 m×3 m(行距×株距)，品種為灰棗，地勢平坦，田間試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 田間試驗(yàn)Fig. 5 Field test

4.2 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)田隨機(jī)選取3個紅棗行作為試驗(yàn)區(qū)，每個紅棗行約100 m，試驗(yàn)區(qū)由穩(wěn)定區(qū)、測定區(qū)、非測定區(qū)、停車區(qū)組成。測定區(qū)長度約為20 m，行頭留出10 m的穩(wěn)定區(qū)、行尾留出10 m停車區(qū)，在剩余80 m內(nèi)取測試區(qū)。

1) 作業(yè)效率。在試驗(yàn)區(qū)每行取1個長為80 m，寬為作業(yè)幅寬2 m的測試區(qū)，將電磁比例換向閥的開度調(diào)至50%，記錄樣機(jī)作業(yè)時通過3個測區(qū)的時間，通過式(10)計(jì)算機(jī)器的作業(yè)效率，取算數(shù)平均值為樣機(jī)的作業(yè)效率η1。

(10)

式中：S——測區(qū)面積，m2；

T2——樣機(jī)通過測區(qū)時間，s。

2) 拾凈率。在測試作業(yè)效率時，在每個單獨(dú)測區(qū)中選取3塊面積為2 000 mm×2000 mm的測區(qū)，共9塊。將每塊測區(qū)內(nèi)的紅棗撿出，稱量紅棗的質(zhì)量；記錄數(shù)值后再均勻散布于測區(qū)。撿拾作業(yè)完成后再撿出測區(qū)內(nèi)機(jī)器未撿拾的紅棗進(jìn)行稱量，通過式(11)計(jì)算樣機(jī)的拾凈率η2。

(11)

式中：M1——測區(qū)內(nèi)紅棗產(chǎn)量，g；

M2——測區(qū)內(nèi)機(jī)器未撿拾紅棗質(zhì)量，g。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將樣機(jī)作業(yè)速度控制在1.5 km/h左右時進(jìn)行作業(yè)，進(jìn)行了3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，取算數(shù)平均值，通過測區(qū)的時間如表2所示。

表2 作業(yè)效率測試Tab. 2 Work efficiency test

通過試驗(yàn)結(jié)果表明，紅棗撿拾效率不低于0.29 hm2/h。

通過對測區(qū)地面內(nèi)撿拾前后的紅棗質(zhì)量進(jìn)行稱量，進(jìn)行拾凈率統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

表3 拾凈率測試Tab. 3 Pickup rate test

速度在1.5 km/h時，撿拾效率能夠達(dá)到0.29 hm2/h，拾凈率達(dá)到96.5%，速度調(diào)節(jié)良好，卸料過程，舉升、翻轉(zhuǎn)平穩(wěn)，同步度較好，樣機(jī)各項(xiàng)動作能夠滿足紅棗撿拾收獲要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

1) 針對清掃—?dú)馕郊t棗撿拾收獲機(jī)動力傳遞與撿拾作業(yè)的功能需求，對撿拾機(jī)液壓傳動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，由工作系統(tǒng)和行走系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，根據(jù)工況對關(guān)鍵元件進(jìn)行了計(jì)算選型，設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)可完成集果清掃盤旋轉(zhuǎn)、對置清掃盤位置調(diào)整、集果箱的舉升、下降、翻轉(zhuǎn)及回正、整機(jī)的行走與轉(zhuǎn)向等動作。

2) 田間試驗(yàn)結(jié)果表明：清掃頭轉(zhuǎn)速調(diào)速明顯，卸料舉升、翻轉(zhuǎn)平穩(wěn)，同步度較好；當(dāng)紅棗撿拾機(jī)作業(yè)速度1.5 km/h時，其撿拾效率達(dá)0.29 hm2/h，拾凈率達(dá)到96.5%，設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)滿足紅棗撿拾作業(yè)的各項(xiàng)功能需求，運(yùn)行穩(wěn)定，適應(yīng)不同復(fù)雜工況。