全液压山地手扶式苜蓿刈割压扁机设计与试验

赵建柱，孙凤涛，陈宏伟，孙 佳，王德成

(中国农业大学 工学院，北京 100083)



全液压山地手扶式苜蓿刈割压扁机设计与试验

赵建柱，孙凤涛，陈宏伟，孙 佳，王德成

(中国农业大学 工学院，北京 100083)

为适应我国山坡、丘陵地带苜蓿收获特殊需求，提高苜蓿收获机械作业操作灵活性和安全性，提出了一款山地手扶式苜蓿刈割压扁机。该机采用全液压驱动，整机液压系统由行走驱动回路、工作装置升降控制回路及工作装置驱动回路3部分组成，可实现自走、工作装置升降和刈割压扁作业；工作装置升降机构采用平行四连杆机构，以保证工作装置升降过程中割刀刀盘倾角不变。同时，进行了样机试制与田间性能试验，试验表明：整机能够有效地实现苜蓿的刈割、压扁作业，爬坡度可达30%，行驶速度可达5km/h，能够实现单边制动转向及原地转向等功能，满足山坡、丘陵地带苜蓿收获的需求。

全液压；山地；手扶；刈割压扁

0 引言

苜蓿是世界上应用最广、经济价值最高及栽培面积最大的一种优质蛋白型牧草，在现代草业的可持续发展中具有突出的地位[1]。在苜蓿刈割后的干燥过程中，由于苜蓿叶片与茎秆的失水速率不同，后续收获时容易造成蛋白质含量较高的叶片脱落，致使苜蓿草总体蛋白质含量减少，品质降低[2]。为使苜蓿茎叶同速干燥，提高苜蓿收获质量，需要采用刈割压扁的联合收获作业方式。

目前，欧美各国农机企业均有生产自走式牧草调制收割机械产品，但其苜蓿刈割压扁设备体积大，主要适用于大农场式的苜蓿种植环境。我国苜蓿主产区主要分布在西北省区的丘陵山区地带，地形复杂、沟坎纵横、地块狭小，大型苜蓿收割机械无法作业。因此，需要开发一种操作灵活、爬坡能力强、安全可靠且作业状况稳定的山地手扶式苜蓿刈割压扁收获机械，以适应我国特殊的苜蓿种植环境。同时，为获得稳定的割茬质量，确保刈割后的苜蓿能顺利抛入压扁辊，要求割刀与地面的刀盘倾角保持在0°～8°[3]，收获不同割茬高度时，应保持工作装置的平移升降，使刀盘与地面夹角保持不变。

为此，设计了一款全液压驱动山地手扶式苜蓿刈割压扁机，整机结构简单、功率质量比高，具有无级变速、原地转向、工作装置平移升降等功能，适用于苜蓿山地收获作业。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构设计及重心位置确定

山地手扶式刈割压扁机结构主要由底盘、发动机、液压泵、液压马达、切割器、调制器及升降机构、手扶架等组成，如图1所示。

1.调制器 2.平行四连杆机构 3.液压油箱 4.燃油箱 5.发动机 6.手扶架 7.随动轮 8.底盘 9.驱动轮 10.液压缸 11.切割器 12.调制器马达 13.行走泵 14.升降泵 15.工作装置泵 16. 轮边马达 17.切割器马达图1 整机结构示意简图Fig.1 Overall structure

该机为全液压驱动，行走系统、工作装置升降机构和刈割压扁作业均由液压系统提供动力。行走系统可通过盘式制动器实现差速转向，并通过电磁液压阀的开闭控制轮边马达的旋转方向，实现整机以驱动轮轴中心为圆心的原地转向。平行四连杆机构固定在底盘机架上通过液压缸的伸缩实现工作装置的平移升降。

底盘尾部左右两侧的随动轮为万向轮，在辅助支撑整机行驶的同时，还避免随动轮中置对压扁后铺设在地面草条的破坏。同时，为减轻操作人员长时间下压手扶架的负担，保证整机良好的操纵稳定性，要求整机重心位置保持在驱动轮轴偏后的位置。

以驱动轮轴为基准，各零部件布置位置如图1所示。重心估算为[4]

其中，Gi为各部件质量(kg)；ai为各部件重心距驱动轮轴的水平距离(mm)，部件在驱动轮轴后方时，ai取正值，否则取负值。

根据图1进行重心位置估算，主要零部件质量如表1所示。在燃油箱和液压油箱满载的情况下，计算得a为24.7mm，即整机重心位置在驱动轮轴后24.7mm，符合重心位置要求。

表1 主要零部件重量及其重心距驱动轮轴的水平距离

Table 1 Main parts of weight and center of gravity from the horizontal

distance of driving axle

序号零部件Gi/Nai/mm1发动机4029002工作装置1890-5003蓄电池1679004散热器209005液压元件2454506燃油箱(满)2451107液压油箱(满)2941108车架686500

1.2 动力传递路线

山地手扶式刈割压扁机整机动力由功率为14.9kW的Command PRO CH640/CH20型风冷V型双缸汽油发动机提供，动力传递图如图2所示。

2 液压系统与关键机构

整机采用全液压驱动方式。相比于机械式驱动，液压传动不需要复杂的传动装置，可简化整机结构，减轻质量，获得较高的功率质量比，同时也提高了整机操控性和安全性,适用于在山坡丘陵地带作业的手扶式小型农业机械[5]。

本机液压系统为小型机械液压系统，选择行走驱动液压系统及工作装置驱动液压系统工作压力P=16MPa，回油背压P0=0.5MPa[6]。整机液压系统由行走驱动回路、工作装置升降控制回路、工作装置驱动回路3部分组成。行走回路和工作装置驱动回路采用闭式回路。

闭式回路液压系统中所使用的闭式柱塞泵，体积小、质量轻，油路集成效率更高。此外，相比于开式系统，要求油箱容量为液压泵每分钟效率排出体积额定值的3～5倍[7]，闭式回路液压系统油箱容量仅要求25～30L，大大减小了油箱的质量和安装空间，更适用于小型自走式机械。工作装置升降控制回路较为简单，因此采用开式回路。

图2 整机动力传递路线图Fig.2 The prototype machinery power delivery roadmap

2.1 行走驱动液压系统

行走驱动系统液压原理图如图3所示。本机行走驱动液压系统在直线行驶时为串联回路，转向时，该液压系统为并联回路。发动机通过一级带传动带动行走泵，为行走驱动液压系统提供动力。

参照作业人员行走速度，设定手扶式自走机械工作行驶速度vj为3km/h，最高行驶速度vmax为5km/h，驱动轮半径R为0.3m，轮边马达至驱动轮传动比为1[8]，则转速范围为

整机工作过程中每个驱动轮最大行驶阻力矩Ttq=300.3N·m。按行驶阻力矩计算轮边马达排量为

其中，ηmm为液压马达机械效率，ηmm=0.95。

轮边马达所需流量为

其中，ηvm为液压马达容积效率，ηvm=0.85。

图3 行走驱动系统液压原理图Fig.3 Hydraulic scheme of travel driving system

图3中虚线框内为闭式系统柱塞泵。所有电磁阀不工作时，两轮边马达串联，避免了两侧车轮所受阻力不一致时整机跑偏的问题，左右驱动轮同速旋转，实现整机的直线行驶。电磁阀2、3、4通电工作，左右轮边马达并联，对驱动轮进行单边制动能够实现整机小半径差速转向。电磁阀5通电工作，两轮边马达反向旋转，实现整机的原地转向，极大减小了转弯半径且避免车轮原地转向时的“钻地”现象。在紧急情况下，电磁阀1通电工作，闭式柱塞泵卸荷，同时对驱动轮双边制动，可实现整机急停。

2.2 平行四连杆升降机构

苜蓿力学特性及试验的研究和分析表明，适当地斜切或者削切有利于降低最大剪切载荷及剪切能耗[3]。 苜蓿收获过程中，为保证苜蓿下一茬的生长质量和产量，一般要求切割后的苜蓿植株茎秆留茬平整，茬口整齐。

为获得稳定的苜蓿刈割压扁效果，本机采用异型割刀并将刀盘倾置形成一定的刀盘倾角。异型割刀的采用，苜蓿割断后刀背不会对苜蓿植株留茬造成破坏，有效减少破头的产生。刀盘倾角的存在，使得割刀在切割苜蓿植株时，割刀在旋转方向的前半段会逐渐下降，在刀盘旋转方向的后半段会逐渐上升，刀盘倾角与异型割刀的同时作用使刈割后的苜蓿茎秆产生向上的提升作用，与刀盘滚筒的旋转运动形成合运动，使切割后的苜蓿茎秆更容易和准确地向斜后方抛入压扁辊，避免了割刀多次重割的现象。

刀盘倾角范围一般取0°～8°。为避免苜蓿割茬重割，保证割茬剪切质量稳定且剪切能耗最低，此次整机设计生产中刀盘倾角取8°[3]。

工作装置的升降机构设计为平行四连杆机构,可保持工作装置在升降过程中刀盘倾角不会随刀盘的升降而改变。图4为平行四连杆机构运动过程示意图。图4中A位置刈割压扁装置处于最低切割位置，B位置处于最高切割位置。

图4 平行四连杆机构运动过程示意图Fig.4 Parallel four-bar mechanism motion process diagram

假设连杆1两孔中心距为L，且A位置时连杆1处于水平状态，A位置时提升油缸和活塞总长为s，B位置时提升油缸和活塞总长为s＇,A位置到B位置连杆1转动角度为θ。以提升油缸下支点o为原点建立坐标系，A位置时b点坐标为(x，y)，从A位置到B位置关系为

h=Lcosθ

其中，h为工作装置提升高度(mm)；Lt提升油缸和活塞自然总长度(mm)。

整机工作装置提升高度h为300～400mm，θ不大于45°，提升油缸和活塞自然长度Lt=410mm油缸工作行程s-s＇=500mm，经上述公式计算可得连杆1长度。

3 样机试制与田间试验

样机试制后如图5所示。参照农业部行业标准(GB/T10394.3-2002)，在苜蓿试验田完成了山地手扶式苜蓿刈割压扁机田间作业性能测试 ，包括单边制动转向、原地转向及整机爬坡度等试验，并在苜蓿种植区进行了刈割压扁试验。

图5 样机试制完成图Fig.5 Prototype trial-production

1)整机在平整路面上空载行驶(刈割压扁装置不工作)时，放置于驱动轮位置的霍尔传感器测得驱动轮转速为46r/min，车轮半径为0.3m，可得车速为5.2km/h；作业(刈割压扁装置工作)时，驱动轮的转速为27r/min，车速为3.05km/h。

2)爬坡试验在人工坡道进行，经角度测量仪测得该人工坡道的坡度为30%，试验测得整机可爬上30%的坡道并在坡道上正常行驶。

3)田间行驶通过液压电磁阀的开闭可有效实现整机的直行、单边制动转向和原地转向等行驶操作。

4)在苜蓿种植田里，对生长初期的苜蓿进行了刈割压扁，如图6所示。整机割幅为1.2m，铺草条宽度为0.56m，割刀可有效调节至不同割茬高度且刀盘倾角不变，割茬整齐。

图6 苜蓿刈割压扁试验图Fig.6 Test of alfalfa cutting and flattening

4 结论

1)整机车速最高可达5.2km/h，最大爬坡度大于30%，符合设计要求。全液压油路设计可实现单边制动转向及原地转向等多种工况且反应灵敏。

2)刀盘倾角的设计和平行四连杆升降机构的采用使割刀平移升降时刀盘倾角保持不变，不同割茬高度均获得稳定的割茬质量和刈割压扁效果。

3)全液压的采用使得整机结构简单，质量功率比高，无级变速等特点满足山地、丘陵地带苜蓿收获作业要求。

[1] 刘振雨．紫花苜蓿合理收获及晒制打捆技术[J]．当代畜牧，2001(4):23-25．

[2] 卜繁超.苜蓿干燥特点及推广割草压扁机的必要性 [J].农业机械，2002(6)：35.

[3] 付作立.双圆盘式刈割压扁机切割系统研究[D].北京:中国农业大学，2014.

[4] 《拖拉机》编辑部.拖拉机设计和计算[M].上海：上海科学技术文献出版社，1980.

[5] 杨炳南,王顺喜,李树君,等.国外畜牧机械发展新动向 [J].农业科技通讯，2004(3)：38.

[6] 李万莉.工程机械液压系统设计[M].上海：同济大学出版社，2011.

[7] 雷天觉.新编液压工程手册[K].北京：北京理工大学出版社，1998.

[8] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册(下册)[K].北京:中国农业科学技术出版社, 2007.Abstract ID:1003-188X(2017)03-0089-EA

A Kind of Full Hydraulic Mountains Alfalfa Cutting and Flattening Machine Design and Test Study

Zhao Jianzhu,Sun Fengtao,Chen Hongwei,Sun jia,Wang Decheng

(College of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China)

In order to meet the requirements of alfalfa harvesting on the mountain and hill environment, this paper proposes a kind of full hydraulic mountains hand alfalfa cutting and flattening machinery to improve its operation flexibility and safety.The machine adopts full hydraulic pressure drive with hydraulic system,which includes three parts, walking circuit, working device lifting control circuit and driving circuit, to cut and flat the alfalfa, drive the machine and lift the working device. We have produced the prototype machinery and execute the tests to verify its working performance in the alfalfa field. The results indicate that the prototype can effectively complete the alfalfa cutting and flattening operation.The maximum climbable gradient is 30%,and the walking speed is up to 5 km/h. Unilateral braking steering and pivot steering is also achieved.Moreover,it can make flattening operation flexible when the machinery cut the alfalfa. So this alfalfa cutting and flattening machinery can work on the mountains and hills to harvest alfalfa.

full hydraulic; mountains; hand; cutting and flattening

2016-04-30

公益性行业(农业)科研专项(201203024)

赵建柱( 1963- )，男，山东青岛人，副教授，硕士生导师，(E-mail)zhjzh@cau.edu.cn。

王德成(1965-)，男，吉林吉林人，教授，博士生导师，(E-mail)wdc@cau.edu.cn。

S817.11+9

A

1003-188X(2017)03-0089-04