玉米聯(lián)合收獲機(jī)傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳國輝

(榆樹市環(huán)城鄉(xiāng)綜合服務(wù)中心，吉林 榆樹 130400)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提升的主要途徑之一，是提升農(nóng)業(yè)市場競爭力的重要技術(shù)支撐，目前農(nóng)業(yè)機(jī)械化正在向大功率、智能化和復(fù)合化方向發(fā)展。玉米是我國主要糧食作物和畜牧飼料之一，在我國種植面積廣泛，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，我國玉米總產(chǎn)量正在穩(wěn)步發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2019年，我國玉米機(jī)械化收獲比例超過70%[1]。

我國玉米收獲機(jī)主要以國外進(jìn)口為主，自主研發(fā)的玉米收獲機(jī)主要是通過依靠國外產(chǎn)品相關(guān)經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化而成，在實(shí)際應(yīng)用過程中，會存在結(jié)構(gòu)不合理、自動化和智能化水平較低等問題。如在田間工作過程中，機(jī)械載荷容易發(fā)生變化，導(dǎo)致連接部件和傳動部件容易出現(xiàn)變形和故障等[2]，嚴(yán)重影響玉米收獲機(jī)收獲效率。

玉米聯(lián)合收獲機(jī)收獲功率與收獲效率主要取決于傳動系統(tǒng)的自動化水平，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作性能直接影響玉米聯(lián)合收獲機(jī)各個部件的功率分配[3]。因此，優(yōu)化玉米聯(lián)合收獲機(jī)傳動系統(tǒng)對于提高玉米聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性與收獲效率具有重要意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究起步較早，在20世紀(jì)20年代，澳大利亞成功研制世界第一臺玉米聯(lián)合收獲機(jī)，經(jīng)過不斷優(yōu)化與改進(jìn)，逐漸推廣到世界各個國家與地區(qū)。傳動系統(tǒng)是影響玉米收獲機(jī)田間工作效率的重要部件，其結(jié)構(gòu)合理性直接影響玉米收獲機(jī)的工作可靠性、動力分配合理性和機(jī)械使用壽命，因此，相關(guān)研究人員及企業(yè)對傳動系統(tǒng)開展了大量的研究。

國外對玉米聯(lián)合收獲機(jī)變速箱研究較多，主要集中在無級變速裝置的傳動性能、功率分配和控制手段等方面。后期，針對玉米喂入量的問題，相關(guān)學(xué)者研發(fā)一種馬達(dá)液壓式控制系統(tǒng)，通過傳感器反饋玉米收獲機(jī)田間行進(jìn)速度與設(shè)定速度之間的偏差，實(shí)現(xiàn)玉米聯(lián)合收獲機(jī)的自動調(diào)速，后期Robert J將機(jī)械傳動系統(tǒng)改為液壓傳動系統(tǒng)，通過電磁閥調(diào)整凹版間隙、機(jī)器行進(jìn)速度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，并通過FLC反饋信號實(shí)現(xiàn)精度調(diào)節(jié)與自動控制，可以顯著提高玉米聯(lián)合收獲機(jī)田間工作效率與工作可靠性，進(jìn)而提升了整機(jī)自動化水平，為后期玉米聯(lián)合收獲機(jī)智能化發(fā)展奠定了良好的技術(shù)條件與基礎(chǔ)[4]。

綜上所述，國外農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展較早，相關(guān)學(xué)者與企業(yè)對玉米聯(lián)合收獲機(jī)傳動系統(tǒng)的研究較為全面，通過不斷優(yōu)化與升級，玉米聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)相對更為成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)玉米聯(lián)合收獲機(jī)的自動化，并向智能化邁進(jìn)。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國玉米收獲機(jī)最早是從國外引進(jìn)，對其進(jìn)行仿制與研發(fā)，目前已經(jīng)形成了我國自主研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品，并通過不斷優(yōu)化升級不斷提高機(jī)器質(zhì)量。國內(nèi)學(xué)者與專家針對目前玉米收獲機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和自動化水平偏低等問題開展了大量研究。

玉米聯(lián)合收獲機(jī)傳動系統(tǒng)優(yōu)化方面，對其關(guān)鍵零部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括玉米聯(lián)合收獲機(jī)傳動箱最佳傳動比，并通過理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法提出傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。后期，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對玉米聯(lián)合收獲機(jī)傳動系統(tǒng)自動化控制進(jìn)行研究，將傳統(tǒng)機(jī)械傳動系統(tǒng)改進(jìn)為液壓機(jī)械無級變速結(jié)構(gòu)，并通過理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對不同工作狀態(tài)下的發(fā)動機(jī)與變速器功率分配問題進(jìn)行優(yōu)化，基于控制策略不斷調(diào)整和優(yōu)化發(fā)動機(jī)功率。

通過對國內(nèi)研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研與分析可知，我國對玉米收獲機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制策略的設(shè)計(jì)研究較少，與國外相關(guān)研究仍然存在一定的差距。近年來，我國對玉米聯(lián)合收獲機(jī)的研究更側(cè)重于自動化控制策略的分析，對傳動系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件研究較少，因此，應(yīng)該在提升玉米收獲機(jī)自動化水平的同時提高對傳動部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

2 傳動系統(tǒng)

以YF8166玉米聯(lián)合收獲機(jī)為研究對象，傳動系統(tǒng)是分配發(fā)動機(jī)動力的主要部件之一，為各個工作部件傳遞動力，實(shí)現(xiàn)功率合理分配。YF8166玉米收獲機(jī)傳動系統(tǒng)傳動路線圖如圖1所示。

圖1 玉米聯(lián)合收獲機(jī)傳動路線示意圖

YF8166玉米聯(lián)合收獲機(jī)傳動裝置基本為帶傳動，但是由于受力不同會導(dǎo)致帶傳動發(fā)生不同的伸長量，導(dǎo)致傳動帶在工作過程中會出現(xiàn)彈性滑動等現(xiàn)象，用滑動率表示，取值范圍為1%～2%。根據(jù)帶傳動傳動比計(jì)算公式，由此推導(dǎo)出各級傳動部件實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，如式(1)所示。

(1)

式中n1—主動輪轉(zhuǎn)速，r·min；

n2—從動輪轉(zhuǎn)速，r·min；

i—傳動比；

ε—滑動率，%。

當(dāng)發(fā)動機(jī)以額定轉(zhuǎn)速2 200 r·min-1，滑動率ε=1%時，各部件轉(zhuǎn)速如表2所示。

表2 各部件轉(zhuǎn)速 單位：r·min-1

3 傳動系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 脫粒滾筒

傳統(tǒng)脫粒滾筒駕駛員需要通過多次操作操縱桿控制閥芯位移，進(jìn)而調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速。采用PLC控制液壓回路的滾筒調(diào)速方案，提高調(diào)節(jié)精度。其中，活塞缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，主要性能參數(shù)包括內(nèi)徑、活塞桿徑、行程和流量等。本研究中活塞缸無級變速帶輪參數(shù)如表3所示。

表3 活塞缸、變速帶輪技術(shù)參數(shù) 單位：mm

油缸最大負(fù)載主要是指彈簧最大工作極限載荷Pj，本研究使用的彈簧極限載荷Pj=6 601 N，由式(2)和式(3)得出液壓缸工作壓力p=1.31 MPa。

(2)

(3)

式中p—液壓缸工作壓力，MPa；

F—液壓缸最大負(fù)載力，N；

A—液壓缸的有效作用面積，m2；

D0—液壓缸內(nèi)徑，m。

油缸活塞運(yùn)動符合正弦運(yùn)動，位移公式如式(4)所示，其振幅為24 mm，運(yùn)動頻率f=15～20 Hz。

x=x1sinωt

(4)

式中x—油缸位移，m；

x1—油缸活塞位移，m；

對上式求導(dǎo)后得出活塞運(yùn)動速度

v=x1ωcosωt

(5)

式中v—活塞速度，m·s-1；

ω—角頻率，ω=2πf(rad·s-1)。

由式(5)得出活塞理論最大運(yùn)動時速度vmax=3.2 m·s-1。

3.2 風(fēng)機(jī)

采用無級變速帶輪，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與主動變速輪動盤位移之間的關(guān)系如式(6)所示。當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)速為1 150 r·min-1，1 175 r·min-1，1 200 r·min-1，1 225 r·min-1時，主動變速帶輪需要分別向右移動18.150 mm，18.975 mm，19.800 mm，20.625 mm。

xz=0.038(nf-600)

(6)

式中xz—主動變速輪動盤位移，m；

nf—風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1。

3.3 切碎器

切碎器轉(zhuǎn)速大小直接影響切碎功率和拋灑均勻度，由圖1可知，切碎器主要采用帶傳動的方式由發(fā)動機(jī)主軸通過中間軸傳送到切碎器主軸。通過前期試驗(yàn)得到4組切碎器較優(yōu)轉(zhuǎn)速，當(dāng)玉米籽粒含水率為24%～26%和39%～31%時，此時較優(yōu)轉(zhuǎn)速分別為2 175 r·min-1和2 225 r·min-1[5]。

5 玉米聯(lián)合收獲機(jī)操控策略

通過前期對YF8166玉米聯(lián)合收獲機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可知，將滾筒、風(fēng)機(jī)和切碎器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，再次總結(jié)出玉米聯(lián)合收獲機(jī)在不同工況下各部件轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)策略，如表3所示。當(dāng)玉米收獲機(jī)喂入量為8 kg·s-1，10 kg·s-1，12 kg·s-1，玉米籽粒含水率為24%～26%和39%～31%時，各部件轉(zhuǎn)速控制策略按照表3進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表3 玉米收獲作業(yè)時各部件轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方案 單位：r·min-1

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

針對目前玉米收獲機(jī)傳動系統(tǒng)工作效率低和傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理等問題，對玉米收獲機(jī)傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件脫粒滾筒、風(fēng)機(jī)和切碎器等進(jìn)行優(yōu)化，并總結(jié)玉米聯(lián)合收獲機(jī)在不同玉米籽粒含水率和谷物喂入量時各個部件的轉(zhuǎn)速，對于提高玉米聯(lián)合收獲機(jī)控制效率與工作可靠性具有一定參考意義。

5.2 展望

傳動系統(tǒng)作為發(fā)動機(jī)傳遞動力的載體，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅可以提高發(fā)動機(jī)工作效率，還可以提高傳動系統(tǒng)的自動化水平。未來應(yīng)該根據(jù)提出的優(yōu)化方案開展大田試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并逐步應(yīng)用于其他谷物收獲機(jī)。