切段式甘蔗联合收割机履带底盘设计与试验

梁宇达，邹小平，胡圣荣，刘庆庭

(华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广东广州510642)

切段式甘蔗联合收割机履带底盘设计与试验

梁宇达，邹小平，胡圣荣，刘庆庭*

(华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广东广州510642)

本文设计了一种适合HN4GDL-132型切段式甘蔗联合收割机作业使用的履带底盘，依据行走系统所承受的行驶阻力，经负载分析，确定履带底盘主要性能指标，确定液压传动系统相关参数选取液压元件，并制造样机进行田间试验，测试收割机液压系统参数在前进工作、后退和空车3种工况下的变化。试验结果表明，收割机匀速作业时，行走系统流量和压力稳定，行驶速度约为0.507 m/s，消耗功率小于10 kW，小于预定值，行走系统能满足收割机的工作要求，试验结果为履带式甘蔗收割机行走系统的使用和改进提供参考。

甘蔗；收割机；履带底盘；液压驱动；试验

0 引言

我国的甘蔗产业发展受到许多因素的制约，如甘蔗品种、农业生产体制、蔗农观念、气候地形、农机农艺配套、制糖企业和国家政策问题等，其中甘蔗的收获是一个重要的制约因素。到目前为止，我国甘蔗生产种植区的生产基本上还是人畜作业完成，劳动强度大，生产成本高[1]。因此，研发及生产适合我国甘蔗生产种植区使用的甘蔗收割机，对提高我国甘蔗及制糖产业有着重要意义。

在广东湛江、广西等甘蔗主产区，甘蔗收获窗

口期在1～3月份，近几年在该时间段经常会阴雨连绵，影响收割机下田作业[2]。据国外相关资料介绍，土壤湿度增大1%，履带拖拉机滚动阻力增大约2.8%，轮式拖拉机增大约4.2%[3]，这表明在潮湿土壤中，相比于履带式底盘，轮式底盘滚动阻力的增长要更快。且在潮湿土壤环境下轮式底盘的附着性能和牵引性能远逊于履带式底盘[4]，且容易发生陷车现象，而履带底盘在坡地、沙地、土壤黏重的田地具有更好的性能[5]。结合甘蔗收割机作业地区的气候和土壤等条件，本实验室研发的HN4GDL-132型切段式甘蔗联合收割机将采用履带式底盘行走系统。

目前国内中小型甘蔗联合收割机的底盘常用轮式或履带式2种。在水田[6]、林业[7]作业等机械化应用中表明，2种行走方式各有其特点。轮式底盘的优势在于行走速度较快、机动性好、轮胎对路面损坏小；劣势是接地比压大、附着性能和爬坡能力较弱。履带式底盘的优势在于接地比压小、稳定性好、负载能力和附着性能强；劣势是行走速度低、零件磨损快、结构复杂、制造成本高。

本文对HN4GDL-132型切段式甘蔗联合收割机履带式底盘行走系统进行田间试验，了解履带底盘的性能特点，为后续机型的改进和优化提供参考依据。

1 履带式底盘参数设定

1.1 两侧履带中心距的确定

我国传统甘蔗种植行距为0.8～0.9 m，中大型切段式联合收割机要求行距不小于1.3 m[8]，其他收割机不小于1.0 m。要实现甘蔗机械化，就必须改变传统种植模式。陈超君和陈传华等对甘蔗“吨糖田”不同种植模式的研究结果表明，采用行距1.25 m的蔗茎产量和含糖量显著高于行距为1.0 m的[9]。

湛江农垦一直大力开展甘蔗机械化的研究和推广工作，为适应目前主流甘蔗联合收割机的作业，供机收的甘蔗将逐步采用1.2 m的种植行距。从机械作业的要求看，以1.2 m和1.3 m行距种植的甘蔗不仅适宜机械作业，而且相对于1.2 m以下的窄行距，宽行距种植可以改善甘蔗生长环境，提高个体长势，通过提升株高、茎径、单茎重等农艺性状弥补有效茎数的不足[10]，产量更高[11]。因此设计甘蔗收割机时按照1.3 m的种植行距来设计，保证两侧履带中心距为1.3 m，履带板宽0.32 m，底盘总宽度为1.62 m，保证收割机在作业时不压实旁侧蔗垄以及不碾压旁侧的甘蔗，并留有一定的作业空间，能够顺利开展收割作业。

1.2 爬坡能力的确定

我国蔗区地形复杂，60%属于丘陵坡地。广西是中国最大的蔗糖基地，种植面积和蔗糖产量均占全国约60%，坡度小于15°的甘蔗地占总面积的87.6%。云南省是我国第2大甘蔗和食糖生产基地，蔗区地形复杂多样，主要蔗区坡度小于15˚的甘蔗地占其总面积的62.6%。广东省甘蔗种植面积位居全国第3，其主要甘蔗生产地区湛江农垦的甘蔗地地势总体平坦，没有坡地和陡坡地，非常适合大型甘蔗机械的工作，甘蔗地≤6˚的平地和缓坡地占甘蔗总耕地的50%，6～15°的丘陵地则占甘蔗总耕地的50%[12]。

根据我国主要甘蔗种植区大部分坡度小于15˚的现况，甘蔗收割机应具备不小于15°的爬坡能力。

1.3 接近角和离去角的确定

接近角和离去角是机器接近或离开障碍物时不产生碰撞的可能性表示，接近角与离去角越大通过性越好[13]。

1.4 液压系统的要求

由于蔗地地块窄小、无机耕路，为使收割机能在田间作业时获得更高的效率，履带底盘必须具有良好的机动灵活性。甘蔗收割机作业时，为保证良好的切蔗效果，前进速度必须与切割器转速相匹配[14]，为适应切割器的切割速度，甘蔗收割机作业时最佳前进速度为1 m/s。考虑收割机自重及收割作业时受到的阻力，为达到甘蔗收割机作业性能要求，本机型将采用14 t级别工程车辆的液压系统，履带的驱动轮、支重轮、导向轮、托链轮、履带板等零件采用小松PC-120液压挖掘机的同型号配件。

1.5 其他尺寸的确定

HN4GDL-132型切段式甘蔗收割机总长约为9 m(输送臂折叠时)，为实现顺利装配，履带底盘应具备足够的载重及刚性，并为割台和输送臂转台留有足够的空间，避免部件的干涉。依据刀盘位置高度、二级输送通道截面积尺寸和收割机各系统的尺寸和布局，确定履带底盘总长度不大于3.5 m，总高度不大于0.8 m。履带的驱动轮、支重轮、导向轮、托链轮、履带板等零件采用小松PC-120液压挖掘机的同型号配件。

2 液力行走系统测试

甘蔗收割机行驶分为作业行驶，倒车和空车行驶3种情况。倒车和空车行驶时，行走系统只受到来自田间不平路面的干扰等情况下，测试行走液压系统的流量、压力变化。而在前进作业中，行走系统除了空车的影响因素外，还会受到收获机推倒滚筒阻力、割台砍切甘蔗阻力和一级输送喂入阻力，其前进阻力的变化反映在液压系统中压力的变化，即底盘液压系统的压力变化是由前进阻力所决定的，其变化与阻力变化相一致。机器工作时，输送臂向左摆，左侧履带承受压力比右侧大，测试左侧的液压行走系统的流量、压力变化。

2.1 试验器材及步骤

试验地点：广前甘蔗试验田。

实验仪器：HN4GDL-132甘蔗收获机，Thinkpad E50 笔记本，CHPM液压测试仪，2个涡轮流量传感器(型号CT60-5V-B-B，量程为0～60 mL/min，输出电压0～5 V，精度为量程显示度数的±1%，深圳雷诺智能测试有限公司)，2个压力传感器(系列PPT，量程为0～15 MPa，输出电压0～5 V，精度为量程显示度数的±1%，深圳雷诺智能测试有限公司)，秒表1个，皮尺1个，连接油管接头若干，数据采集线若干。

试验步骤：

⑴将传感器接在左侧行走液压油路上。设液压系统沿油路顺时针流动时，即a→b→c→d，收割机向前行驶。a-b为进油路，c-d为回油路，压力传感器p1和流量传感器q1接在a-b油路上，压力传感器p2和流量传感器q2接在c-d油路上。

⑵将液压测试仪、传感器、笔记本电脑连接好，把测试仪的数据采集时间设置为最短采集时间10 ms。

⑶收割机启动发动机转速控制在约为1500～2300 r/min，变量泵排量在0～1500 ms内从0匀速增大至35 mL/r。

⑷收割机正常作业前进、空车前进和后退时，记录其行驶过程中液压系统流量和压力变化、行驶路程，并推算其前进速度、滑转率和消耗功率。

⑸收割机正常作业前进时，记录整个行驶过程(包括起动，行驶和停车)的液压系统流量和压力变化、行驶路程。

2.2 前进作业工况

前进行驶距离：56.20 m；

试验时间：110.81 s；

平均速度：0.507 m/s；

测试结果如表1所示。

表1 前进作业工况试验结果

在整个作业过程中，系统稳定后，流量变化不大，大约在50～60 L/min的范围内上下浮动，这也反映出收割机行驶速度的变化情况，收割机理论平均行驶速度为0.590 m/s，实际平均前进速度为0.507 m/s，滑转率δ为1.4 %。系统压力在整个过程中，除起动超调峰值外出现了4个峰值，液压系统的压力反映了负载的变化情况，当系统压力升高时，收割机前进阻力增大，这可能是受到甘蔗形状、生长密度和甘蔗倒伏情况的影响，当甘蔗弯曲或倒伏得比较严重时，就较难进入输送通道，或甘蔗生长密度较大时，增大刀盘切割阻力和甘蔗的喂入量。与此同时，在压力升高的时间段内，系统的流量相应降低，降低行驶速度，相对减少甘蔗的喂入量，这样有利于防止输送通道堵塞。还偶尔出现了回油压力大于进油压力的现象，这是前进阻力稍大时，收割机可以适当地向后倒退，缓冲一下切割阻力和甘蔗喂入阻力[15]。

在收获机前进工作的整个过程中，进油量总是大于回油量，平均流量差为9.49 L/4 min，液压马达的平均容积效率为82.134 %，损失的流量是由液压元件、油路的泄漏和溢流阀的泄压所引起。收割机前进作业时，行走所消耗的功率约为4.33 kW。

2.3 后退工况

后退行驶距离：80 m；

试验时间：81.33 s； 测试结果如表2所示。

表2 后退行驶工况试验结果

收割机向后行驶时，系统流量波动不大，其平均值和前进工况大致相同；但压力波动得比较厉害，原因可能是收割机后退时，驾驶员的只能通过倒后镜来操控收割机，并不能准确观察到田间地势情况，收割机在后退行驶时不如前进平稳；但系统压力总体上比前进工作情况要大一些，这是因为前进作业时，收割机的全部系统都工作，但发动机的输出功率为一定值，收割机各工作系统都分配到相应的功率，行走系统所占的功率较少，当收割机后退时，收割机上的工作系统都不运行，发动机输出的功率只传给行走系统，因此后退行驶动力充足，理论速度为0.906 m/s，实际平均速度为0.762 m/s，液压马达的平均容积效率为87.33%，滑转率δ为1.6%，消耗平均功率为8.04 kW。

2.4 空车前进工况

前进行驶距离：152 m；试验时间：292.56 s；测试结果如表3所示。

表3 空车工况试验结果

空车行驶时，影响系统流量和压力的因素只有田间地势。在液压泵输出流量不变的情况下，马达排量减小，行驶速度加快。尽管行驶速度可以加快，但田间地势起伏不平，收割机在田间不允许快速行驶，因此试验时把发动机转速控制在2300 r/min。从表中可以看到，空车工况下，系统流量和压力基本保持平稳，变化不大，收割机理论平均行驶速度为0.895 m/s，实际平均前进速度为0.870 m/s，液压马达的平均容积效率为87.60%，滑转率δ为1.7%，平均消耗功率4.46 kW，与前进作业消耗功率相接近。

2.5 实际作业工况

而在实际的收割作业中，驾驶员要以甘蔗的生长情况和垄的高低来决定行驶速度，在正常收割中会出现前进、后退和停车。收割机在收割甘蔗过程中，系统流量和压力变化断断续续，在0～191 s内，行走系统内的流量基本上是q1＞q2，p1＞p2，收割机总体是向前行驶，但在整个行驶过程中出现了q2＞q1的现象，这是行驶速度挫顿而导致回油流量急剧变化，这段时间收割机收获了80 m甘蔗；在191～302 s内，q2＞q1，收割机退回原地，开始另一行作业。在302～365 s内，收割机调整收割位置。373～569 s内收割机正常收割74 m甘蔗，系统流量和压力变化与开始前进收割的情况相似，在492 s时，发现收割机刀盘入土太深，割台缠草严重，一级滚筒和二级输送之间输送损失率严重，收割机停车，重新调节刀盘位置，清理杂草，在50.5 s继续前进作业。在工作了60 s后，收割机的输送通道出现堵塞，这时停机修整，输送通道疏通后，收割机调整位置，继续向前作业，收获整体比较顺利。

3 结论

收割机在甘蔗田里前进作业、倒退、空车3种工况下运行，测试左侧行走系统的流量和压力。试验结果为，在前进工况下，收割机匀速前进工作，系统流量压力变化稳定，收割机平均行驶速度约为0.5 m/s，平均流量51.60 L/min，平均压力8928 kPa，所消耗的功率为4.33 kW，从收割机作业情况来看，行走系统的行驶速度能与收割机工作系统合理匹

配；在倒车和空车工况下，系统流量压力变化稳定，行驶平稳，基本能满足收割机作业要求。

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(本篇责任编校：李金玉)

Design and Test on Tracked Chassis of Sugarcane Billet Harvester

LIANG Yu-da, ZOU Xiao-ping, HU Sheng-rong, LIU Qing-ting
(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment/South China Agricultural University, Ministry of Education, Guangzhou 510642)

The technology mechanized harvesting is a key of cane industrial growth. Development of self-propelled sugarcane harvester is a new way to solve disadvantages by direct mounted harvester. However, the driving system must be meet requirements of other parts in harvester, and it must be low speed, high torque, less power and it running stable. The performance of driving system has some effect on efficiency of harvester directly. Therefore, design the driving system for harvest is meaningfulness on the development of sugarcane harvester. This article made field test of sugarcane harvester. Measurement of hydraulic parameters when the harvester forward work and backed off and empty ran in test. The test result is close to theoretical analysis, so the state-space model of driving system is corrected. When harvester works at driving speed of 0.507 m/s, the flow and pressure of hydraulic system is stable. Therefore, the drive system is appropriated for sugarcane harvester.

Sugarcane; Harvester; Tracked chassis; Hydraulic transmission; Testing

S566.1

A

1005-9695(2015)05-0023-05

2015-06-02；

2015-10-09

国家科技支撑计划项目(2013BAD08B00)，国家甘蔗产业技术体系（CARS20-4-1）

梁宇达(1989-)，男，华南农业大学硕士研究生

*通讯作者：刘庆庭(1967-)，男，华南农业大学工程学院教授

梁宇达，邹小平，胡圣荣，等. 切段式甘蔗联合收割机履带底盘设计与试验[J]. 甘蔗糖业，2015(5)：23-27.