丘陵山地農機具快速換接裝置設計與試驗

楊 天，趙武云，辛尚龍，陳伯鴻，曲 浩

(1.甘肅農業大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070)

我國果園種植面積約1.19×107hm2，水果產量2.57×108t，主要集中在山東、陜西、甘肅等地的丘陵山地地帶[1-2]，傳統的輪式拖拉機由于轉彎半徑大、爬坡能力差及動力匹配不合理等問題無法適用于丘陵山地果園中，應用廣泛的三點懸掛裝置需要操作人員將掛接銷軸插入球鉸及上懸掛點孔內，由于機具懸掛點位置固定，使得掛接難度高、效率低、費時費力[3-6]，四點剛性懸掛由于每次換裝機具均需人工拆裝螺絲，換裝效率也無法保證。因此有必要設計一款基于履帶式動力底盤的農機具快速換接裝置，以提高丘陵山地果園的農機具換接效率及作業質量，進而提升果園機械化水平。

國內目前對于農用快速換接裝置的研究較少，賈朝陽等[7]設計了一種基于三點式懸掛的快速掛接器，該掛接器仍沿用三點式懸掛方式，無法有效解決動力自動對接問題。王延宏等[8]設計的機具換接裝置作業過程省去大部分人工操作，但仍需操作人員將機具輸送至換接機架并手工安裝傳動軸。高巧明等[9]設計了履帶式動力底盤的四點剛性懸掛系統，需要人工運送機具、接合動力、連接螺栓，并未實現真正的快速換接。對于目前應用較為廣泛的果園多功能田園管理機，動力結合大都為齒輪連接，更換機具后動力結合即可完成，但機具更換及鎖緊均需2人左右配合作業才能完成，耗時費力。這些產品及設計雖然提高了農機具的配套率，實現了一機多用，但并不能實現多種機具的快速換接，在實際生產過程中均需要多人配合才能有效完成機具調整及換裝。

本文在充分研究現有農機具掛接方式的前提下，以自行研制的果園履帶式動力底盤為基礎，擬設計一種農機具快速換接裝置，確定其結構及關鍵參數，通過理論分析與靜力學分析確定方案可行性，并進行快速換接試驗及田間試驗，以期實現不降低農機具掛接穩定性與作業質量的前提下提升多種農機具的換接效率的目的。

1 整體結構及工作原理

1.1 快速換接裝置整體結構

快速換接裝置整體結構由提升架與掛接架組成，如圖1所示。提升架與履帶式動力底盤尾部變速箱連接，提升架動力輸入鏈輪與變速箱輸出軸同軸連接，掛接架固定于各類作業機具上部，快速換接過程由提升架與掛接架之間的配合懸掛與脫離完成，掛接架結構簡單，便于安裝在各類農機具上部以實現機具與提升架的掛接，從而實現多種農機具的快速換接。

1.提升架;2.掛接架;3.機具

提升架由主機架、升降液壓缸、鎖緊液壓缸、鎖緊導向機構、定位爪具及聯軸器等組成，如圖2所示。機具架由兩個平行的側板通過矩管連接組成，兩個側板前端均設有掛接槽；升降液壓缸一端鉸接于履帶式動力底盤，另一端與主機架一側側板后端的鉸接孔連接，對置側板設置傳動裝置，傳動裝置輸入端與履帶式動力底盤變速箱輸出端同軸連接；鎖緊液壓缸一端與傳動鏈一側的側板連接，另一端通過銷軸與鎖緊爪具連接；鎖緊爪具與鎖緊液壓缸平行，鎖緊爪具爪頭與機具架側板平行；定位爪具前端設置兩塊定位槽對鎖緊爪具進行限位；聯軸器輸入端設置花鍵槽倒圓角，方便機具傳動軸花鍵進入聯軸器花鍵槽以完成動力結合。

1.鎖緊爪具;2.主機架;3.升降液壓缸;4.鎖緊液壓缸;5.傳動裝置;6.聯軸器;7.定位爪具;8.鎖緊機構

掛接架由上掛接桿、下掛接桿、掛接板等組成如圖3所示。上掛接桿與下掛接桿平行，將各掛接板連接固定并垂直于作業機具上部，下掛接桿同時作為機具傳動軸保護套管。機具傳動軸輸入端花鍵倒圓角，便于進入聯軸器花鍵槽內。

1.上掛接桿;2.掛接板;3.下掛接桿;4.傳動軸

1.2 工作原理

圖4為履帶式動力底盤通過快速換接裝置掛接不同農機具的示意圖。快速換接裝置提升架安裝在履帶式作業車變速箱輸出軸上，掛接架固定在各作業機具上部。掛接機具時，升降液壓缸伸長至行程最遠處配合履帶作業車行走，并盡可能使提升架掛接槽與掛接架掛接板平行，鎖緊爪具爪頭與掛接架掛接板對正，此時收縮升降液壓缸并倒車使掛接槽進入上掛接桿正下方后伸長升降液壓缸，通過提升架掛接槽帶動上掛接桿上升，并使下掛接桿在重力作用下進入主機架定位板定位槽內并貼合，此時位于中部的掛接板已進入鎖緊爪具爪頭內，收縮鎖緊液壓缸，鎖緊爪具帶動機具傳動軸花鍵進入聯軸器內部花鍵槽內，繼續收縮鎖緊液壓缸使下掛接桿上的鎖定圓面進入定位槽內，實現動力結合的同時完成機具鎖定。機具拆卸過程與上述過程反順序操作。

圖4 果園履帶式動力底盤掛接機具示意圖

2 快速換接裝置關鍵部件設計

2.1 主機架架體與掛接架設計

快速換接裝置提升架的主機架由側板為8 mm厚的鋼板通過兩根50 mm×30 mm×4 mm的矩管焊接而成。整個提升架重量輕、綜合力學性能好，滿足換接過程及作業過程中的力學條件。如圖5所示。

1.側板;2.鎖緊導向板;3.懸掛環;4.升降槽;5.鎖緊鉸接端;6.傳動盒;7.定位槽;8.定位板;9.掛接槽

掛接架上掛接桿為40 mm×5 mm圓管，下掛接桿為60 mm×7 mm圓管，掛接板為8 mm厚鋼板，整體重量輕，下掛接桿內部安裝機具動力輸入軸。如圖3所示。

掛接過程由主機架的兩個掛接槽掛接上掛接桿，提升后兩個定位槽掛接下掛接桿完成對農機具的掛接過程，由于不同的機具上部已固定了掛接架，因此可完成不同農機具的快速換接。相比于傳統三點懸掛與四點剛性懸掛采用的孔對孔連接方式，采用掛接槽與圓管進行農機具掛接可增大掛接過程中的容差性，有效減少由于操作誤差和環境因素引起的掛接困難和效率較低等問題，對作業環境的適應性更強。

2.2 升降液壓缸與鎖緊液壓缸選取

選取升降液壓缸需要對其承擔的舉升推力進行校核，快速換接裝置主要部件質量為：提升架40 kg、割草機86 kg、旋耕機38 kg、還田機80 kg，故所設計快速換接裝置與農機具最大重量為126 kg，升降液壓缸推力僅考慮最大重量情況。當快速換接機構保持平衡時，作受力分析圖，如圖6所示，對o點取矩可得：

圖6 升降液壓缸舉升受力分析

F·h=G·b

(1)

式中,F為升降液壓缸推力，N；h為升降液壓缸頂推點到變速箱與快換機構鉸接處距離，mm；b為機具重心到到變速箱與快換機構鉸接處水平距離，mm；G為機具與快換機構自身重力，N；Fx，Fy為快換機構與變速箱鉸接處支反力，N。

要使升降液壓缸推動機具上升，需保證液壓油缸推力對于o點的力矩大于機具本身重力對o點產生的力矩，即

(2)

通過已建立好的虛擬樣機模型應用Solidworks軟件的測量功能可以得到式(2)中數值分別為：h=114 mm，G=1 234.8 N，b的數值在升降液壓缸伸縮過程中介于492.97～561.79 mm之間，取最大值bmax=b=561.79 mm，帶入式(2)可得：F≥6 085 N。

計算可得升降液壓缸最小推力F=621 kg，考慮到液壓缸活塞桿穩定性及購買便捷，選用壓力8 MPa、Ф63/40-150油缸，該油缸最大推力2 500 kg，滿足使用要求。

鎖緊液壓缸僅需克服機具與主機架的摩擦力，所需拉力較小，選用市面常見的壓力8 MPa、Ф40/25-100油缸即可滿足使用要求。

2.3 鎖緊爪具及鎖緊機構設計

農機具鎖緊機構如圖7所示。鎖緊爪具、滑動板、鎖緊液壓缸保持平行，鎖緊液壓缸筒端與提升架側板通過銷軸連接，桿端與鎖緊機構移動主軸一端相連，移動主軸中間套接滑套穿過鎖緊導向板中一個腰型孔并與鎖緊爪具爪頭端相連，滑動軸中間套接滑套穿過鎖緊導向板另一個腰型孔與鎖緊爪頭尾端相連，兩個滑動護板對置并與鎖緊導向板切合。當鎖緊液壓缸收縮時，移動主軸帶動鎖緊爪具、滑動護板、滑動軸及滑套沿鎖緊導向板腰型孔向聯軸器方向水平移動，動力花鍵軸進入聯軸器花鍵孔，實現機具動力結合及機具鎖定；當鎖緊液壓缸伸長時，移動主軸帶動鎖緊爪具、滑動護板、滑動軸及滑套反向運動，動力花鍵軸退出聯軸器花鍵孔，實現機具動力分離及機具解鎖。動力花鍵軸及聯軸器花鍵孔均設倒角，增加鎖緊過程容差性，使動力結合過程更便捷，無需人員手工干預[10-12]。

1.鎖緊液壓缸;2.鎖緊導向板;3.滑動軸;4.鎖緊爪具;5.軸用彈簧擋圈;6.滑動護板;7.移動主軸

鎖緊爪具采用16 mm厚的Q235鋼板加工制成，爪具爪頭內側設置Y型倒角，方便對機具掛接板進行抓取及鎖定。

2.4 聯軸器選取

聯軸器分為剛性聯軸器與撓性聯軸器，由于快速換接裝置為全機械操作，快速換接過程受到機具的制造精度與人員操作水平的影響，因此履帶式動力底盤與農機具的動力結合選用有補償性能的撓性聯軸器。本裝置選用KC5018型滾子鏈聯軸器內置帶倒角的花鍵槽，滾子鏈聯軸器結構簡單、尺寸緊湊、質量小、拆裝方便、維修容易，具備一定的補償能力和緩沖性能，且價格僅為三點懸掛常用的萬向聯軸器的1/20左右[13]。它能夠很好地完成快速換接機構中的動力結合與脫離，有效傳遞履帶式動力底盤對各農機具的動力輸出。

3 有限元分析

3.1 快速換接裝置工作過程受力分析

快速換接裝置提升架與掛接架架體均采用Q235鋼制作，材料性能如表1所示。

表1 材料性能表

如前所述，在快速換接裝置掛接作業機具過程中，提升架與掛接架受力主要分為兩種情況：(1)提升架懸掛槽完成對掛接架上掛接桿的掛接，而掛接架下掛接桿尚未進入提升架定位板，此種情況稱為初步掛接階段；(2)提升架懸掛槽及定位板同時對掛接架上掛接桿與下掛接桿完成掛接，此種情況稱為穩定掛接階段。兩種掛接情況的受力情況不同，初步掛接階段提升架懸掛槽受到上掛接桿的壓力，上掛接桿受到提升架的提升力及機具自身重力；穩定掛接階段受力則是安裝了掛接架的機具受到提升架懸掛槽的提升力、定位槽的提升力及機具自身重力；提升架受到上掛接桿的壓力、下掛接桿的壓力、升降液壓缸以及變速箱鉸接點的支撐力。

3.2 快速換接裝置有限元分析

在進行有限元分析之前運用Solidworks軟件完成對快速換接裝置及相關作業機具的虛擬樣機建模，為降低模型的求解難度和提升精準度，在導入前將不必要的倒角、螺紋孔、螺栓等刪除，將已經處理好的模型導入ANSYS WORKBENCH軟件中進行靜力學分析，對快速換接裝置換接過程中出現的初步掛接階段與穩定掛接階段分別進行有限元分析，檢查其強度與剛度是否滿足使用要求[14-15]。選用自身質量最重的割草機掛接架為分析對象，初步掛接階段和穩定掛接階段分析結果分別如圖8和圖9所示。

由圖8可知，在初步掛接階段，快速換接機構的提升架最大位移變形量位于一側懸掛槽端頭，數值為0.06 mm，最大等效應力位于主機架與變速箱鉸接處，數值為18.19 MPa，掛接架最大位移變形量在掛接機具端頭處，數值為0.05 mm，最大等效應力在中部矩管與側板連接處，數值為89.04 MPa。由圖9可知，在穩定掛接階段，快速換接機構的提升架最大位移變形量在定位板端頭，數值為0.05 mm，最大等效應力位于中部對扣矩管的下方，數值為21.21 MPa，掛接架最大位移變形量在掛接機具的端頭處，數值為0.02 mm，最大等效應力位于中部矩管與側板連接處，數值為57.46 MPa。

圖8 初步掛接階段分析結果

圖9 穩定掛接階段分析結果

由于快速換接裝置可懸掛機具種類較多，選用自身重量最大的割草機作為分析對象能更具代表性得得到快速換接裝置在掛接過程中的受力情況及變形情況。由分析結果可知，兩種情況下快速換接裝置提升架與掛接架最大變形量為0.06 mm，最大等效應力為89.04 MPa，遠遠小于Q235材料需用應力，可確保農機具換接過程穩定、安全、可靠。

4 快速換接試驗與田間試驗

4.1 快速換接裝置樣機試制

通過對快速換接裝置的設計計算、虛擬樣機建模及有限元分析，能夠基本確定所設計快速換接裝置能夠滿足使用要求，將所設計的三維模型整理后，在陜西省咸陽市西安奧拉機械科技有限公司共計加工制造兩套樣機。提升架與掛接架主體如圖10所示。

圖10 快速換接裝置樣機

4.2 快速換接裝置換接試驗

快速換接制造制作完成后在陜西省咸陽市西安奧拉機械科技有限公司場地內進行快速換接試驗，檢測快速換接裝置的可靠性適用性、掛接時間效率，試驗采用自主研發的履帶式動力底盤配合完成，整個換接過程均未遙控操作。

本次試驗對割草機、旋耕機、還田機3種不同類型的農機具進行測試，試驗開始前首先將快速換接裝置安裝于履帶式動力底盤變速箱輸出軸上，連接好升降液壓缸及鎖緊液壓缸油路，使鎖緊液壓缸伸長至導向機構最遠處。試驗開始后，操作員遙控操作履帶式作業車伸長液壓缸，配合動力底盤倒車至機具正前方，盡可能將鎖緊爪具爪頭與機具掛接板對正(圖11a)，待掛接槽靠近機具時收縮升降液壓缸，使懸掛槽位于液壓缸下側時停車(圖11b)。此時遙控操作升降液壓缸伸長使提升架抬升(圖11c)，掛接槽懸掛機具上掛接桿帶動機具上升，機具下掛接桿依靠機具自身重力進入提升架定位槽中，待下掛接桿外壁與定位槽內壁完全貼合后停止升降液壓缸伸長，此時鎖緊爪具完成對掛接板抓取(圖11d)。遙控操作鎖緊液壓缸收縮，鎖緊爪具抓取掛接板帶動機具向聯軸器方向水平移動(圖11e)，機具動力輸入軸進入聯軸器內花鍵完成動力結合的同時，下掛接桿外側鎖緊環與定位板定位槽內壁完成緊配合以保證機具鎖緊(圖11f)，完成機具掛接作業。由于鎖緊爪具爪頭內側及掛接板外側設置倒角，聯軸器內花鍵槽與機具動力輸入軸花鍵頭設置倒角，所以允許操作員在操作履帶式作業車的過程中有一定的操作誤差，保證快速換接裝置作業順利。快速換接裝置脫離機具按上述過程反向操作。

圖11 掛接過程示意圖

對安裝了掛接架的割草機、旋耕機、還田機進行基于快速換接裝置的掛接與脫離。試驗中掛接與脫離過程均順利完成，安裝了快速換接裝置的履帶式動力底盤整體狀態穩定、掛接可靠、動力結合順暢。掛接效率的試驗測試參照JB/T 6714.2-2007《農業拖拉機液壓懸掛系統試驗方法》[16]進行，掛接時間指操作遙控手柄開始升降液壓缸伸長直至鎖緊液壓缸帶動機具完成動力結合與鎖緊所經歷的時間，共測定3次，取平均值。選取掛接架結構較為復雜的還田機進行測試，掛接時間分別為3.2、3.5、4.3 s，取平均值為3.67 s。當多功能作業車靠近機具后，從啟動履帶式動力底盤到完成掛接作業最長用時不到15 s，完成一次快速換接作業總用時不足40 s，全程未出現需要操作人員手工干預的狀況。

4.3 田間試驗

田間試驗地點在陜西省咸陽市西安奧拉機械科技有限公司附近一處櫻桃園，試驗環境溫度24 ℃，本次田間試驗配套割草機進行，采用自主研發的履帶式動力底盤配合完成，以驗證快速換接裝置在作業過程中的可靠性及機具作業質量。

試驗時履帶式動力底盤行走速度設定為4 km·h-1，割草機割茬高度設定為70 mm，每次試驗前進5 m，共進行5次試驗。以碎草率為評價指標，每試驗段取一處0.5 m×1 m的樣方進行草段長度統計，割草機作業后草段長度≤70 mm的草段定義為碎草，全割幅范圍的碎草重與該范圍內已割下的雜草重之比為碎草率，碎草率按下式計算[17-18]：

(3)

式中，SSC為碎草率，%；GS為碎草重量，kg；Gyg為已割雜草重量，kg。

每行程的割幅利用系數按下式計算：

(4)

式中，Kf為割幅利用系數；Ags為平均實際割幅，mm；Ag1為理論割幅，mm。

4.4 田間試驗結果分析

田間試驗過程中，履帶式動力底盤及割草機工作穩定，快速換接裝置掛接穩定，動力傳輸可靠，驗證了快速換接裝置在實際田間作業過程中的可靠性。割草機碎草效果如表2所示。

表2 碎草率試驗結果

試驗表明，快速換接裝置配套割草機進行果園碎草時碎草率可達到88%以上，割幅穩定，割茬高度基本穩定在設定高度70 mm，主要作業指標滿足DB 13/T 2729-2018《果園碎草機通用技術要求》[19]中規定的碎草率≥85%的要求，能夠滿足果園碎草作業需求。與河北農業大學所設計的采用三點式懸掛的果園壟面割草機與自走式果園割草機進行對比[20-21]，采用快速換接裝置進行田間作業并未影響機具作業性能，能夠在滿足作業需求的前提下提升機具換接效率。

5 結 論

1)應用ANSYS WORKBENCH軟件進行靜力學分析，得到初步掛接與穩定掛接階段時提升架最大變形量分別為0.06 mm和0.05 mm,掛接架分別為0.05 mm和0.02 mm，提升架最大等效應力分別為18.19 MPa和21.21 MPa，掛接架分別為89.04 MPa和57.46 MPa，滿足使用要求。

2)結合自主研發的履帶式多功能動力底盤對快速換接裝置進行換接試驗，根據實驗結果可知，完成機具單次掛接時間為3.67 s，完成一次農機具快速換接全過程用時小于40 s，掛接過程安全可靠，掛接質量高，極大提高了換接效率。

3)快速換接裝置配套割草機田間試驗表明，整機作業穩定，碎草率、割幅穩定性、割茬高度穩定性均在設計規范要求內，主要作業指標碎草率高于88%，滿足田間作業要求。