凱斯210拖拉機空氣濾芯的應用設計與可靠性研發

傅東興

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

隨著我國綜合國力的大幅提升，國民經濟得到了顯著的增強，國家對“三農”的扶持力度也空前加大，持續推動了我國現代農業的發展進程[1]，其中以大馬力拖拉機為代表的耕作方式的發展是最為直觀的體現。黑龍江省是全國的商品糧供應基地，承擔著國家糧食安全的重任，農業產業化建設進程也在國家及地方的各項利農、惠農政策的大力扶持下迅速發展，大農業、大農機情形已經形成，現代農機專業合作社已遍布全省各鄉鎮及農場，小型個體性質的農機服務網點也已遍布至村屯，農耕的全面機械化作業形勢已基本形成[2]。

黑龍江是我國農業大省，農業生產用地多，農機作業面積大、任務重，農機的保有量很大，近幾年土地規模化種植發展迅速，以凱斯為代表的150 kW(200馬力)以上拖拉機的應用越來越普遍，使用率越來越高。由于拖拉機作業環境惡劣，空氣中含有大量的灰塵和砂石，雜質進入汽缸，在發動機運動過程中會造成汽缸磨損，需要對空氣進行過濾后再進入汽缸，因此，需要定期對空氣濾芯進行更換，但是由于凱斯210拖拉機汽缸尚未實現國產化替代，進口原廠件價格昂貴，粗濾芯和精濾芯的價格約為1 400 元·套-1左右[3]。該機空氣過濾系統由粗濾芯和精濾芯兩部分構成，粗濾芯套置于精濾芯的內部，組合到一起完成空氣粗精過濾之后的凈化。歐美進口的農業機械相比國產品牌農機價格高昂，進口農機的日常維修、保養、換件價格太過昂貴，導致農機作業成本提升，影響農戶收益的同時也限制了進口農機的使用頻次。為加快推動黑龍江省的農業現代化產業進程，提高進口農機具的使用效能，應該加快國產農業機械及配套設備的研制與發展。

針對以上問題，以黑龍江省農業機械工程科學研究院為技術依托，以凱斯拖拉機空氣濾芯的國產化替代為目標，從結構設計、生產工藝、過濾精度、過濾效率、過流阻力、容塵量等方面進行研究和分析，對其易損件空氣濾芯進行國產化替代方案的深入探討，形成國產化的可行性替代方案，完成相關保養配件的國產化生產制造，有效降低保養成本，提高廣大農機用戶的收益，并通過田間試驗進行驗證。研究結果以期為提升我國農業生產效率及生產效益提供技術參考與優化方案。

1 拖拉機空氣濾芯發展現狀分析

1.1 微孔濾紙濾芯

目前，國內外關于拖拉機、汽車等空氣濾芯生產企業較多，不同企業之間主要生產方向與生產水平也存在較大的差異，其中主要以美國HOLLINGSWORTH&VOSE(H&V)公司、德國MANN+HUMMEL公司在空氣濾芯生產和研制中影響較大，并且在市場上具有一定的競爭力。在我國，K-100公司生產的空氣濾芯也具有一定的市場競爭力。不同企業生產的空氣濾芯技術參數如表1所示。

表1 不同企業生產空氣濾芯技術參數

目前在汽車和拖拉機等中型車輛裝備中使用最多的空氣濾芯主要是經過酚醛樹脂處理后的微孔濾芯，其強度、硬度和透氣度等較高，機械性能較強，目前形成了以皮革纖維、植物纖維、人造纖維和動物纖維多元化的原料進行研制，因此，微孔濾芯成為目前應用最為廣泛的空氣濾芯之一。

1.2 無紡布濾芯

無紡布濾芯主要是使用化學纖維，根據實際需求對厚度進行任意選擇，可以調整空氣阻力，但是在實際使用過程中孔徑設計較為困難，制作和生產成本較高，尚未得到廣泛的應用與發展。

1.3 纖維濾芯

纖維濾芯是近年來發展的一種新型濾芯材料，能夠在實現空氣凈化的同時高效吸收發動機工作時產生的噪聲，我國長春汽車生產廠對其開展相關研究，結果表明，纖維濾芯具有過濾效果高、不易吸附灰塵和較小的空氣阻力等應用優勢，但是隨著長時間的使用，使用壽命較短，長期使用成本較高。

1.4 復合濾芯

復合濾芯主要是指在傳統濾紙濾芯中增加一層纖維結構，形成一種新型復合濾芯，可以實現較高的過濾效率，但是會增加其灰塵吸附能力，需要定期進行清洗，防止發生濾芯堵塞等問題。

2 凱斯210拖拉機應用特點

凱斯210拖拉機內置高性能CaseIH發動機，可以提供可靠的動力來源。高壓共軌柴油技術與電子燃油管理技術結合，能夠確保拖拉機為不同農業生產形式提供良好經濟經濟性。共軌燃油系統可提供的燃油量能同時滿足拖拉機燃油經濟性和性能的需求。

2.1 發動機動力管理

發動機動力管理(EPM)能夠額外輸出高達27 kW(37馬力)的功率，將拖拉機工作性能提升高達22%，并且對公路運輸、液壓和PTO作業都適用，高達13 kW(CV)的額外功率可以通過調節油門降低發動機轉速至1 900/2 000 r·min-1獲得額外10%的性能提高。凱斯210拖拉機發動機體積小巧，擁有極小的轉彎半徑。其中，動態擋泥板使拖拉機轉向角增加30%，為拖拉機轉彎提供便捷操縱性。最小轉彎半徑自動四輪驅動和差速鎖可自動分離與結合，如在急拐彎時、制動時，可以提供氣動或液壓拖車制動器以方便與大型拖車聯合工作。

2.2 操作便捷

CVT變速器始終保持非常高的機械驅動比例，能夠最大限度地提高功率輸出。90%以上的機械驅動即可應對農業生產作業的重型牽引、快速鉆井或拖曳作業，能夠確保平滑換擋，而且該驅動不會中斷，具有更加優越的加速性能和更高的燃料效率。

2.3 具有更好的人機工程

凱斯210拖拉機采用可調MULTICONTROLLER扶手，該Multicontroller扶手設計完美，完全符合人體工學，而且還配備了一個控制拖拉機液壓系統的全集式操縱桿，方便駕駛員在復雜的田間環境中操作和較高的機械輸入。擁有人性化駕駛室，在田間工作時可以提供360°全景視野，為駕駛員提供平穩的操控環境。另一方面，創新采用CaseIHAFSPro700彩色觸屏顯示器，用于監測、控制CaseIH機車和導航系統，實現記錄數據(應用的數據)，或預定方案種植等，以便用于精耕應用程序，因此，是目前我國應用最為廣泛、性能較為優越的拖拉機類型之一。

2.4 發動機濾芯價格昂貴

凱斯210拖拉機空氣過濾系統由粗濾芯和精濾芯兩部分構成，粗濾芯套置于精濾芯的內部，組合實現拖拉機發動機的空氣凈化。美國凱斯210拖拉機的保養周期約為每工作200 h保養一次，其中空氣濾芯的更換是首要工作，但未實現國產化替代，進口原廠件價格昂貴，粗濾芯和精濾芯的價格約為每套1 400元左右，因此，保養和維修費用較高，大部分農戶難以接受高昂的費用。

3 性能試驗與結果分析

3.1 試驗材料與方法

與河北省衡水市約翰過濾器材有限公司合作，按技術圖紙及原件實物加工制作了10套國產化樣件產品。試制樣件的精濾芯濾紙采用了國內外合資廠獨家生產的HA型高精度空氣濾紙材料進行替代試制，粗濾芯濾紙采用國產的低精度空氣濾紙進行安全芯替代試制。

3.2 測定指標與方法

測定指標參考QC/T32—2017《汽車用空氣濾清器試驗方法》、QC/T32—2006《汽車用空氣濾清器性能試驗方法》、ISO5001—2014《內燃機和空氣壓縮機用進氣空氣濾清器性能試驗》、ISO12103-1 A2 FINE T.D.《道路交通工具——用于濾清器評估的試驗粉塵》。

3.3 結果與分析

3.3.1 標況阻力

在額定流量為1 385 m3·h-1、工況大氣壓力為98.496～98.525 kPa的條件下，將試制的精濾芯樣件與原件的標況阻力檢測數據進行對比，研究結果如圖1所示，數據統計結果如表2所示。研究結果表明，試制的精濾芯樣件與原件性能接近度較高，試制的精濾芯樣件僅高于原件標況阻力11.31%～21.23%。

圖1 不同樣品在不同流量下標況阻力變化曲線

表2 試制樣件與原件標況阻力結果統計

3.3.2 工作性能

根據《空氣濾清器測試報告》的測試結果，將試制的精濾芯樣件與原件的初始效率、全壽命效率、容塵量檢測數據進行對比，研究結果如表3所示。

表3 試制樣件與原件工作性能結果對比

4 效益分析

4.1 經濟效益

凱斯210拖拉機空氣濾芯組國產化替代后，其批量生產制造的成本在120元左右。一般情況下，從原廠進口的凱斯210拖拉機空氣濾芯組在國內售價為1 200～1 400元之間，保養換件費用很高。因此，形成國產化替代生產以后，可以顯著降低農機用戶的換件成本，經濟效益將十分明顯。

4.2 社會效益

凱斯210拖拉機空氣濾芯組產品樣件已試制成功，經過數據試驗和上機試驗結果對比，全負荷狀態下使用壽命和使用效力接近于進口濾芯，已經可以進行國產化替代。國產化生產后該維護保養配件的供貨期及時，價格下降90%，能有效保障凱斯210拖拉機的作業效能。并且該件的生產制造工藝簡單，現有的國內制造能力完全具備批量生產條件。美國進口的凱斯210拖拉機的市場保有量很大，市場推廣應用前景廣闊，社會效益非常顯著。

5 結論

1)本研究提出的粗濾芯為安全芯，主要起保護作用，可以直接投入使用，實現國產化替代。

2)本研究提出的精濾芯為主濾芯，樣件試制成功，并且通過春、秋兩季的上機試驗，發動機的能耗沒有增加，動力性能沒有下降，使用壽命能滿足生產要求，已經完全可以用于國產化替代。

(05)