农机作业载荷检测技术规范研究<br/>——以青饲料收获机为例

农机作业载荷检测技术规范研究
——以青饲料收获机为例

2019-05-30刘声春朱良金红伟王明磊

中国奶牛 2019年5期

刘声春，朱良，金红伟，王明磊

（农业农村部农业机械试验鉴定总站，北京 100122）

由于我国地域广阔，农田地势、土壤情况、作业环境、作物品种及种植模式多种多样，对农机可靠性提出了较高要求。目前，农机可靠性试验大多是通过样机多作业季节田间试验来进行的，该方法受季节性因素影响较大，不利于大面积开展。国内部分企业及学者通过计算机仿真的方式进行可靠性试验，但由于农作物属生物性材料，成分组成复杂且不均匀，对仿真结果可靠性影响较大，实际应用过程中效果有限。因此找到一种科学高效的可靠性试验方法显得十分重要。

可靠性试验主要是通过农机承受作业载荷来验证相关设计参数的合理性。据研究，农机作业过程中承受着复杂的交变载荷，零部件的早期损坏故障属于典型的疲劳破坏。传统的静强度设计方法，尽管将动载荷系数转化为静载荷加大了设计载荷的强度，但无法反映载荷随机变化的规律，不能估算因载荷作用顺序、幅值大小及出现频次对零件造成的损伤程度，并且人为选取的安全系数误差较大，无法在设计阶段准确预估零部件寿命和可靠性。交变载荷虽然看似杂乱无章，但具有统计分布的规律，而载荷谱通过载荷大小与出现频次之间的关系能够反映这种统计规律性。如果能够将农机作业过程中的载荷谱编制出来，那么就可以通过实验室模拟加载的方式来实现可靠性试验，极大地提高农机可靠性试验的效率和科学性。农机作业载荷谱是指作业条件下，受外界激励作用农机零部件的转速、扭矩、应力、应变等载荷随时间变化情况。通过对农机作业载荷的研究，可以缩短产品的研发周期，提高使用寿命和可靠性，减轻重量和体积，对增强产品的市场竞争能力具有重要意义。

但目前缺乏统一的载荷测试技术规范，导致测试数据不具可比性，大量数据资源无法使用，因此技术规范的制定尤为重要，将填补相关领域空白。下面以青饲料收获机为例说明技术规范编制的主要方法、过程及内容。

1 研究对象的确定

饲料收获机是指用来收获或收集农作物，把作物切成碎段并把碎物料送到物料箱或单独的挂车内的农业机械。青贮饲料是喂养羊、奶牛和肉牛等草食家畜的理想饲料，青饲料收获则为畜牧养殖过程中的重要环节[1～3]。

青饲料中以青贮玉米为主，特别是近年来国家相继出台鼓励政策大力发展青贮玉米。2015年中央1号文件提出：“深入推进农业结构调整，加快发展草牧业，支持青贮玉米和苜蓿等饲草料种植，开展粮改饲和种养结合模式试点，促进粮食、经济作物、饲草料三元种植结构协调发展”。农业部发布了《关于“镰刀湾”地区玉米结构调整的指导意见》，到2020年，“镰刀弯”地区玉米种植面积比目前减少5 000万亩。重点发展青贮玉米、饲草、杂粮杂豆、经济林果和生态功能植物。2016年1号文件提出：“着力构建现代农业产业体系、生产体系、经营体系，实施藏粮于地、藏粮于技战略，推动粮经饲统筹、农林牧渔结合、种养加一体、一二三产业融合发展”。明确提出进一步扩大粮改饲试点，加快建设现代饲草料产业体系。2016年4月，农业部印发《全国种植业结构调整规划（2016-2020年）》（农农发[2016]3号），提出：“按照以养带种、以种促养的原则，因地制宜发展青贮玉米，到2020年达到2500万亩”。2017年5月，农业部印发《粮改饲实施方案》（农牧发[2017]8号），方案中提出：“扩大青贮玉米等优质饲草料种植面积、增加收储量”，“到2020年，基本实现奶牛规模养殖场青贮玉米全覆盖”。因此，青贮玉米收获机应成为重点研究对象。玉米青贮收获机可分为悬挂式、牵引式和自走式三种形式。经调研发现，悬挂式、牵引式作业效率相对较低，适合小规模生产使用，且产品种类较少，自走式成为近年来国内外生产企业重点研发的机型。综上，确定自走式玉米青贮收获机作为研究对象。

2 玉米青贮作业要求

按照农业部玉米专家指导组制定的《2017年青贮玉米生产技术指导意见》中的青贮玉米定义是指：“在最佳收获期将包括果穗在内的玉米地上部植株收获，经过整株切碎、加工或贮藏发酵，并以一定比例配置成用以饲喂以牛、羊为主的草食家畜的饲料作物”。从中可以看出青贮是指全株青贮。确定青贮作业相关要求是制定技术规范的前提。青贮作业效果必须符合标准要求，从而实现青贮收获机的价值。基于以上前提测试出的数据才具有意义。经查阅相关资料，目前涉及玉米青贮作业的要求主要有以下几点：①作物条件：青贮玉米，适宜收获期为蜡熟期，原料收获作业不早于乳熟末期，不晚于蜡熟末期，适宜的含水量为65%～70%。②作业质量：玉米收获时，留茬高度不低于15cm（不同于玉米收获机等机械收获要求割茬低于15cm[4]。因为玉米根茬部分木质程度高，不利于畜禽消化，且质量大，不能满足牧场需要），不得带入泥土等杂物。切碎长度为1～2cm，宜将玉米籽粒破碎。③标准草长率（%）：是指标准长度草的总质量与小样质量之比。即从切碎物料中取500g样品（叶除外），草段长度在0.7～1.2倍的设计草长（数值取小数点后一位）数量占样品全部数量的比值[5]，标准草长率不低于85%。

通过以上内容，可以确定技术规范中所需记录的作业条件（比如：青贮玉米品种、含水率等），作业质量（留茬高度、标准草长率等）。

3 测试参数的设置

目前，载荷谱编制主要集中在工程机械、飞机、汽车等领域，测试对象主要集中在轴类零件上，测试参数主要有：转速、转矩、油压、位移等。结合农机作业实际，确定农机作业载荷测试参数选取的原则有3个：①可靠性高。测试参数的设置需要结合玉米青贮作业实际，而青贮作业面临的对象和环境十分复杂。据统计，从1988年至2017年国审专用青贮玉米青贮品种就有30个，加上粮饲通用品种则更多。玉米种植所采用的模式也多种多样。在这种条件下，对测试参数所需测试方法和设备的可靠性要求较高。②可操作性强。测试参数应在现有技术手段下能够实现，特别是在作业条件下。测试参数也不是越多越好，越精确越好，应适应目前我国农机行业整体水平。③经济性好。测试参数不是为单点式的研究而设置，而是为满足大范围推广应用需要，所以要求测试参数所需设备应能在主流机型上快速安装，不需要定制加工样机。

目前，相关标准中规定的测试参数主要有：生产率、标准草长率、驻车制动、噪声、抛送最大水平距离、抛送最大高度等。其中可以体现作业载荷的参数为生产率、噪声。生产率大小直接决定了自走式玉米青贮收获机所受载荷的大小。噪声是发声体做无规则振动时发出的声音，声音由物体的振动产生，以波的形式在一定的介质（如固体、液体、气体）中进行传播。同一自走式玉米青贮收获机所受载荷越大，噪声越大。所以通过测定作业时噪声大小可以表征作业载荷的大小。结合拖拉机及柴油机试验鉴定并征求相关自走式玉米青贮收获机生产企业意见，增加以下测试参数：①作业时间及速度。包括样机作业时间、空行时间、空转时间。速度包括作业时的行进速度、空行时的行进速度。作业时间虽然不是直接反映作业载荷的，但却是编制载荷谱所需要的。作业速度直接影响生产率，从而影响作业载荷大小。②油耗。油耗指标是用户比较关注的，也能反映自走式青贮玉米收获机作业时所承受载荷大小。③加速度。这里的加速度是指自走式玉米青贮收获机特定点受载荷影响而产生的振动加速度。加速度越大，可反映自走式玉米青贮机所受载荷越大。④轴转速和扭矩。通过测试相关轴的转速和扭矩，可以得到功率消耗变化情况。从中可以看到克服载荷消耗功率情况。

4 测试方法及设备的选择

测试参数设置完成后，需要确定测试方法，测试方法需要满足方便性、准确性及科学性的要求，能满足大面积采集工作需要，尽量减少人为因素影响。同时要考虑数据能由系统自动采集和人工统计方式两种方式得到，这也是为了扩大技术规范使用范围。根据研究，青贮玉米最大种植密度为60 000株/hm2，株距0.23m，按照最大作业速度5m/s计算，载荷频率在22Hz，根据香农采样定理，测试设备采样频率应为载荷频率的3～5倍。结合实际最终将采样频率确定在100Hz，采样时间间隔为0.01s。如果采用人工统计方式进行，考虑到可操作性，采样间隔为2min。相关参数测试方法如下。

4.1 生产率

生产率采用估算法计算，将田间调查得到的作物产量换算成含水率65%时的产量[6]。生产率按式（1）计算。采用估算法时，可以直接输入割台工作幅宽和作物产量，只测青贮作业时的行进速度就可得到。

式中：Q为生产率（t/h）；S为割台工作幅宽（m）；C为作物产量（含水率65%时的产量，kg/hm2）；Uzy为青贮作业时的行进速度（km/h）。

4.2 噪声

噪声测试位置为驾驶员耳位处。此处噪声对驾驶员人身健康影响较大。测试时，背景噪声至少比测量噪声级低10dB(A)。如果装有驾驶室，应关闭门窗、天窗、挡风玻璃。除驾驶员和测试人员外，其他人员不得在操作位置处或驾驶室内。传感器应放在座位中心面一侧250mm±20mm处，传感器应沿轴线水平向前，中心应位于驾驶座标志点上方700mm±20mm、前方100mm±20mm处。声级计读数应在慢档特性下读取，测量的量为A计权声压级[7]。

4.3 作业时间及速度

记录样机青贮作业时间、空行时间、空转时间。记录样机青贮作业时的行进速度，空行时的行进速度，记录样机状态数据，状态数据为作业过程中的实时时间、每秒钟间隔内对应的平均速度以及不同作业切换的状态信号。

4.4 油耗

样机各阶段作业消耗的燃油质量如以人工统计方式得到，需记录各状态稳定工作2h消耗的燃油质量，测试3次，以算术平均值作为样机该状态油耗，包括样机空行油耗、空转油耗。空行油耗测试时按作业时行进速度进行测试，记录作业行进速度。测试方法可通过称取油箱加满前后油桶质量差或其他方式得到，也可通过相应传感器自动采集。以人工统计方式进行时，小时油耗按式（2）计算。

式中：Gph为样机青贮作业小时油耗（kg/h）；Gzy为样机的总耗油量（kg）；Gkx为样机空行小时油耗（kg/h）；Gkz为样机空转小时油耗（kg/h）；tzy为样机青贮作业时间（h）；tkx为样机空行时间（h）；tkz为样机空转时间（h）。

4.5 加速度

加速度传感器应安装在驾驶座标志点[8]在底板上的垂直投影点处。加速度测试可以满足驾驶员座椅处产生的振动测试。传感器安装应符合GB/T 14412要求[9]。记录后侧至车前方向（X）、左侧至右侧方向（Y）、底部至顶部方向（Z）3个方向加速度。

参数测试用仪器设备应处于完好状态，使用前应经过计量检定或校准且在有效期内，确保在规定条件下使用。准确度要求见表1。

表1 仪器设备准确度要求

5 评价参数的设置

评价参数分为整机负荷参数和部件负荷参数，整机负荷参数表征整机所受载荷状况，部件负荷参数表征部件所受载荷状况。整机负荷参数包括：作业振动、作业功率、负荷系数、吨料油耗。部件负荷参数包括：作业功率。

5.1 作业振动

作业振动是指自走式玉米青贮收获机驾驶座标志点在底板上垂直投影点处的振动。表征青贮作业整机承受载荷而在特定位置产生振动的程度，用频率加权加速度均方值表示[10]。频率加权加速度均方值按式（3）计算。

5.2 作业功率

作业功率是指自走式玉米青贮收获机用于青贮作业的功率。表征青贮作业部件承受载荷而消耗功率的程度。通过测试轴转速与扭矩乘积得到。作业功率按式（4）计算。

式中：Pzy为作业功率（kW）；nzy为测试轴转速（r/min）；Tzy为测试轴扭矩（N·m）。

5.3 负荷系数

负荷系数是指自走式玉米青贮收获机用于青贮作业功率与其标定功率的比值。表征用于青贮作业过程中整机承受载荷而消耗功率的程度。作业功率由转矩、扭矩测试得到或采用G_ph值在动力输出轴特性曲线上查得的平均功率近似值。负荷系数按式（5）计算。

式中：εph为样机青贮作业时的负荷系数；Pzy为作业功率（kW）；Pbd为标定功率（kW）。

5.4 吨料油耗

吨料油耗是指自走式玉米青贮收获机收集每吨碎物料所消耗的燃油质量。表征每吨玉米青贮作业中整机承受载荷而消耗燃油的程度。吨料油耗按式（6）计算。

式中：Gth为样机青贮作业时每吨物料耗油质量（t/kg）。

5.5 作业耳位噪声

作业耳位噪声是指自走式玉米青贮收获机青贮作业时驾驶员耳位处的噪声。表征青贮作业时整机承受载荷而在驾驶员耳位处产生噪声的程度。

6 测试要求

（1）试验地块地势应符合样机作业要求，记录地块位置、地块坡度、地块面积和形状等信息。

（2）所测样机技术参数应符合制造厂的规定，并按制造厂的使用说明书进行操作。记录样机信息，包括：配套动力、发动机型号名称及生产日期、样机生产日期、样机编号、工作幅宽、整机质量、生产率、作业行进速度等。测试前，发动机、传动系统和液压系统应正常运行15min以上。测试时，满幅宽全油门作业，作业面积至少1hm2。

（3）玉米品种、种植模式应能代表试验地区情况，无明显倒伏，长势均匀，表面无明水，处于蜡熟期。记录玉米品种、种植模式、作物产量、含水率等信息。作物产量按五点法取样，取样面积1m2，割取玉米植株距地15cm以上部分称重，以五点平均质量作为地块作物产量。含水率等试验条件要符合GB/T 5262的规定。

（4）物料稳定抛送10s后至少接取2kg样品。按四分法进行分析，标准草长率（%）不低于85%（切碎长度为1～2cm）。随机测10个点，留茬高度不低于15cm。