甜菜聯合收獲機液壓系統設計與試驗*

邱田元，王琳琳, ，劉洋, ，李學強，孟鵬祥，楊善東

(1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博，255000；2. 山東希成農業機械科技有限公司，山東德州，253600)

0 引言

甜菜是制糖的重要原材料之一，也是一種經濟作物，隨著社會經濟的發展，甜菜的種植面積逐年增加。甜菜的種植區域主要集中在我國的北方地區，如內蒙古、新疆、河北、東北地區等。但是在甜菜主產區，其收獲方式主要以甜菜分段式或人工收獲為主，甜菜被挖出后仍然依靠人工進行撿拾、清選、裝車等工序[1-2]，北方地區秋季降溫快，低溫會導致甜菜的含糖量下降，而上述的收獲方式不利于搶占農時且勞動強度大，嚴重影響著甜菜生產收獲的品質，同時也制約甜菜產業的可持續發展[3-4]。

國外甜菜收獲機自動化程度高，例如德國生產的自走式甜菜聯合收獲機，除行走系統，整機的挖掘、輸送、集倉等作業均有液壓系統進行精確控制，生產效率高。自走式聯合收獲機采用的仿形、自動對行、振動等技術也是通過液壓控制技術來實現；美國生產的牽引式聯合甜菜收獲機通過液壓技術實現了對挖掘和清選輸送環節的控制調節。國內針對甜菜收獲機自動對行液壓系統研究較多，整機采用液壓系統控制研究較少，大都是機械傳動，且以小型收獲機為主[5-6]。

我國甜菜收獲機械裝備技術水平與國外差距較大，機具的自動化程度低，當前的收獲方式費時費力，不適應甜菜大面積種植模式的收獲作業。因此針對上述問題，設計了六行甜菜聯合收獲機液壓系統，通過液壓控制系統完成甜菜收獲過程中各個工作環節的操作控制，重點介紹該收獲機液壓系統的結構組成、工作原理、液壓元件選型以及試驗等內容。

1 整機結構與工作原理

六行甜菜聯合收獲機結構如圖1所示，主要由挖掘裝置、清選輸送裝置、行走裝置、裝車輸送裝置和牽引裝置等部件組成。甜菜聯合收獲機主要技術參數如表1所示。在進行甜菜收獲作業時，該機通過牽引裝置掛接在拖拉機后方牽引前進，牽引架油缸工作推動機架下降，挖掘裝置隨機架下降到一定的深度，圓盤挖掘鏟切碎土壤，同時夾持住甜菜，甜菜隨圓盤旋轉上升到一定位置。由撥送器將甜菜及土雜一起拋向分離輸送裝置，經過絞龍輥筒、桿條式鏈篩和橡膠尾篩等部件的清選輸送，實現了甜菜與土雜分離，土雜掉落至田間；甜菜進入回轉提升帶繼續提升輸送，經換向輪換向后回轉提升帶由豎直輸送變為水平輸送至轉運篩，轉運篩將甜菜輸送至料斗中暫存，由裝車輸送臂將料斗內的甜菜輸送至跟車車廂中，完成收獲作業。

表1 甜菜聯合收獲機主要技術參數

2 液壓系統設計

2.1 液壓系統工作原理

通過對甜菜聯合收獲機結構、工作原理的分析，綜合作業參數和生產成本等因素考慮，該機設計為兩個開式液壓系統即工作系統和操作系統兩部分。

如圖2所示，工作系統由油箱、液壓馬達、過濾器、優先型壓力補償調節閥組、雙聯齒輪泵、單向閥、溢流閥等液壓元件組成，拖拉機后輸出軸輸出動力經變速箱驅動雙聯齒輪泵，從油箱吸油，油液分為兩路：前泵回路和后泵回路，經單向閥、優先型壓力補償調節閥組，到達各液壓馬達。其中前泵回路控制回轉提升帶馬達，后泵回路控制桿條式鏈篩馬達、轉運篩馬達和橡膠尾篩馬達等，通過手動操作壓力補償調節閥來控制回路中流量的大小，實現對各個馬達的轉速調節，該液壓系統能夠滿足桿條式鏈篩升運、橡膠尾篩輸送、回轉提升帶提升輸送、轉運篩轉運等動作的要求，實現了控制不同輸送篩轉速的目的。

圖2 收獲機工作系統液壓原理圖

如圖3所示，操作系統由快換接頭、過濾器、油缸、卸荷閥、比例閥、插裝閥、雙平衡閥、液壓鎖等組成，拖拉機液壓系統供給壓力油，壓力油分三路分別流向裝車輸送臂油缸、車輪轉向油缸和牽引架油缸，每個回路由電磁比例閥根據輸入的電信號變化規律連續成比例控制壓力油的輸出量，能夠滿足控制裝車輸送臂的伸展、車輪轉向和牽引架的限深等動作的要求，該設計思路優點是確保每個回路工作時互不干擾，提高工作穩定性。采用雙向平衡閥和液壓鎖能夠在不同油路中對油缸起到保護作用。雙向平衡閥確保裝車輸送臂油缸伸展時不受承重載荷的影響，保持裝車輸送臂平衡穩定工作，油缸收縮時不會因失速造成沖擊、振動；雙向液壓鎖的作用是截止回油，鎖止轉向油缸和牽引架油缸，使其不受外界載荷影響，保持工作壓力[7]。

圖3 收獲機操作系統液壓原理圖

2.2 液壓元件功能介紹

前、后泵回路均采用優先型壓力補償調節閥組，如圖4所示，其中包括溢流閥和手動三通壓力補償調節閥，溢流閥起到溢流穩壓作用，油路壓力超過調定壓力時開啟溢流，進行過載保護，確保油路不會超負荷工作。

圖4 優先型壓力補償調節閥組原理圖

工作時液壓油從進油口①流入，從調節油口③流出的液壓油流量保持不變，不受調節油口下游回路或旁路通口②的負載壓力變化影響，即液壓馬達的轉動速度與負載和壓力無關。因此三通壓力補償調節閥b將只通過橡膠尾篩馬達所需的流量，而多余的流量將通過旁路通口進入調節閥c；三通壓力補償調節閥c將只通過轉運篩馬達所需的流量，多余的流量通過旁路通口進入調節閥d，實現了馬達轉速調節，確保了各篩能夠正常工作。

2.3 工作系統設計

2.3.1 確定液壓馬達主要參數

根據各液壓馬達不同負載要求確定主要工作參數和選型。分別根據桿條式鏈篩、轉運篩、橡膠尾篩的最大轉速要求，確定各馬達轉速取值范圍；根據回轉提升帶的質量，確定回轉提升帶馬達的輸出轉矩、流量，并選型。通過確定以上液壓馬達型號進而確定工作液壓系統雙聯齒輪泵的選型。

1) 桿條式鏈篩馬達計算。根據甜菜聯合收獲機作業時桿條式鏈篩的運行速度要求在0.8～2.0 m/s范圍內，確定桿條式鏈篩的驅動輪的轉速

(1)

式中：Vmax——桿條式鏈篩的最大運行速度，取2.0 m/s；

r1——桿條式鏈篩驅動輪的半徑，取0.11 m。

將相關數據代入式(1)得ns=173.7 r/min。

桿條式鏈篩馬達轉速

(2)

式中：zs——桿條式輸送鏈驅動輪鏈輪齒數，取36；

zsm——馬達鏈輪齒數，取26。

將相關數據代入式(2)中，得到nsm=240 r/min。因此確定馬達型號為BMR-200P2AⅡY10/T10，額定壓力Ps=15 MPa，排量Vs=200 mL/r。

2) 回轉提升帶馬達計算。收獲機作業時，液壓馬達輸出轉矩T由主驅動齒輪經鏈條驅動從動齒輪，驅動滿載甜菜的回轉提升帶工作，則回轉提升帶馬達對提升帶拉力

F1=m1g

(3)

(4)

式中：m1——滿載甜菜的提升帶總質量，480 kg；

g——重力加速度，10 m/s2；

r——主驅動輪半徑，0.073 m；

i——傳動比，2.5。

把相關數據代入式(3)、式(4)中得到T=146 N·m。

提升液壓馬達的排量

(5)

式中： ΔP——系統工作壓力，經查詢《機械設計手冊》[8]取15 MPa；

ηm——液壓馬達機械效率，取0.95。

經計算得到液壓馬達輸出排量Vt=63 mL/r，確定馬達型號為BMR-100P2AⅡY10/T10，額定壓力Pt=15 MPa。

此外根據式(1)、式(2)，分別計算出轉運篩馬達、橡膠尾篩馬達的最大轉速為88 r/min、95 r/min，其相關參數及選型如表2所示。

表2 液壓馬達參數

2.3.2 確定其他液壓元件的主要參數

根據系統工作壓力和系統流量，確定工作系統液壓控制閥、雙聯齒輪泵及輔助元件的主要參數及選型，如表3所示。

表3 液壓元件主要參數和型號

2.4 操作系統設計

2.4.1 確定油缸主要參數

操作系統的液壓缸均采用雙作用單桿缸[9]。甜菜聯合收獲機裝車輸送臂裝置升降過程中，雙作用油缸推力F2計算如式(6)所示。

F2l=GLz

(6)

通過受力分析輸送臂處在最低位置時如圖5所示，油缸推力最大，油缸鉸接軸與固定底座最短距離l=800 mm，輸送臂滿載時總質量為m2=800 kg，則一側油缸所受重力G=4 kN，裝車輸送力臂Lz=2 300 mm，得到F2=11.5 kN。

圖5 裝車輸送臂結構圖

液壓缸內徑[10]

(7)

式中：P——工作壓力，MPa。

根據查詢《機械設計手冊》中關于農機業機械設備的工作壓力范圍為3.5～21 MPa，本文選取P=15 MPa，把F2=11.5 kN代入式(7)計算得到D=31.1 mm。依據標準GB/T 2348—1993《液壓氣動系統及元件缸內徑及活塞桿外徑》，將液壓缸內徑圓整為D=40 mm；經計算得到活塞桿直徑d=20 mm，將液壓缸活塞桿直徑圓整為d=25 mm，可確定油缸行程s=500 mm。

按照同樣的分析方法，依次確定牽引架油缸、輪胎轉向油缸等液壓元件技術參數，如表4所示。

表4 液壓缸參數

2.4.2 確定其他液壓元件主要參數

根據操作系統工作壓力為15 MPa，拖拉機液壓系統流量為60 L/min，確定操作系統控制閥和輔助元件的主要參數及選型，如表5所示。

表5 液壓元件主要參數和型號

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗于2020年10月下旬，在山東省樂陵市某公司試驗田進行整機液壓系統的測試試驗，地勢平坦，空氣溫度為22 ℃，空氣相對濕度48%。試驗設備：一臺功率為210 kW的凱斯210型拖拉機、米尺、耐震壓力表、溫度計、PC3860型電子秒表、JM-B型電子秤等。

3.2 試驗方法及結果

本試驗分為液壓系統試驗和整機收獲試驗。整機正常工作時，用電子秒表記錄裝車輸送臂伸展用時，用溫度計測量工作系統和操作系統油液的溫度得到3 h溫升數值并記錄；觀察工作系統前泵、后泵回路壓力表的最大數值并記錄。重復3次試驗，取測量數值的平均值作為最終試驗結果，試驗結果如表6所示。

表6 液壓系統試驗性能結果

液壓系統試驗結果表明，3 h工作系統溫升62.3 ℃、3 h操作系統溫升55.6 ℃、工作系統前泵回路壓力12.5 MPa、工作系統后泵回路壓力13.5 MPa、裝車輸送臂伸展用時15.6 s，各項指標的試驗結果均符合GB/T 3766—2015《液壓傳動系統及其元件的通用規則和安全要求》的標準要求[10]。

為進一步驗證整機液壓系統可靠性和穩定性進行田間收獲試驗如圖6所示。

圖6 田間收獲試驗

試驗地隨機選取5個小區進行試驗，每個小區收獲長度為20 m，寬度為收獲機作業幅寬，對甜菜的含雜率、損傷率和作業效率等參數進行測定，通過最終的測定結果平均值計算得到收獲甜菜的含雜率、損傷率和作業效率，試驗結果如表7所示。

表7 甜菜收獲試驗結果

1) 將測定區內機器收獲到的全部樣品稱出質量，并對收獲到的甜菜除去雜質，稱出雜質質量。甜菜含雜率

(8)

式中：Kz——甜菜含雜率，%；

Wz——泥土質量，kg；

Wy——機器收獲到的樣品總質量，kg。

2) 將測定區內甜菜收獲機收獲到的全部樣品清除雜質，稱出甜菜凈質量，再從甜菜中選出損傷的甜菜稱出質量，甜菜損傷率

(9)

式中：Kg——甜菜損傷率，%；

Wg——損傷的甜菜質量，kg；

Wh——甜菜凈質量，kg。

3) 純作業時間內機器生產效率

(10)

式中：Ec——純作業時間生產效率，hm2/h；

Tc——機器通過測定區所需的時間，h；

Lc——測定區長度，m；

B——作業幅寬，m。

整機試驗表明，含雜率為4.9%、損失率為3.0%、作業效率為1.08 hm2/h，各項測試值結果均符合NY/T 1412—2018G《甜菜收獲機作業質量》的相關要求[11]。通過液壓系統試驗結果和整機收獲試驗證明該機液壓系統工作性能穩定可靠，整機設計合理，可滿足甜菜收獲要求。

4 結論

1) 針對目前甜菜收獲方式主要以分段式或人工為主，自動化水平低，設計了甜菜聯合收獲機的液壓系統，可一次性完成挖掘、清選、輸送、裝車等作業。

2) 通過對整機工作原理的分析，確定該機液壓系統分為工作系統和操作系統兩部分。根據對負載的分析和計算，確定了液壓元件主要參數并對其選型。通過液壓系統試驗表明，該甜菜聯合收獲機液壓系統合理性，工作穩定性良好，該機3 h工作系統溫升62.3 ℃、3 h 操作系統溫升55.6 ℃、工作系統前泵回路壓力12.5 MPa、工作系統后泵回路壓力13.5 MPa、裝車臂伸展用時15.6 s，各項指標結果均符合國家標準。

3) 該機收獲作業含雜率為4.9%、損失率為3.0%、作業效率為1.08 hm2/h，滿足相關標準要求，進一步證明整機工作性能良好，滿足收獲作業要求，同時提高工作效率。