CMQ300型残膜清除机过载安全保护装置的设计与研究

李锦文， 王丽琴

（1.山西省农机发展中心研发部， 山西 太原 030002； 2.北汽福田研究总院， 北京 102206）

引言

长期以来，我国农机设计与制造走产品低端、低值低价、同质竞争、薄利多销的路子。因基础研究缺失，高端产品、核心技术自主研发与创新不足，差评研发投入少，创新性、基础性研究薄弱，特别是农机具研发过程中过载安全保护装置的研究，缺乏理论支撑与经验积累[1-2]。

技术路线上走引进消化吸收适应性改进的路线，机构形状的模仿应用基本到位，但基础理论研究、材料应用、热处理加工等是模仿不来的，特别是耕整地机械中过载安全保护装置的研究与应用，在国外是不可或缺的，几乎成为中高端农机产品的标配，而国内农机产品应用较少。

CMQ300型残膜清除机的研发过程中，瞄准国外先进农机研发路线，在过载安全保护装置上进行了探索研究，第一次引入过载保护概念，设计了一种自主研发的具有过载保护功能的安全装置。通过对过载保护关键部件的结构形式、整机载荷分析、剪切销的安装与配套等方面的研究与试验，旨在为整地作业机械过载保护的设计提供依据。

1 结构形式与工作原理

1.1 结构形式

该CMQ-300型残膜清除整地机配套动力为73 500～117 600 W（100～160马力）轮式拖拉机，挂接形式为后置三点悬挂，高速宽幅作业，设计尺寸大，分成两个1.5 m的独立单元。两组作业单元分别通过主悬挂架的纵梁铰链，拖拉机的牵引力通过铰链点传递到工作部件。铰链点位置设计了过载安全保护装置，该过载安全保护装置的结构形式如图1所示，是一种剪切销过载剪断形式的安全过载保护，过载安全保护装置主要由主牵引梁（纵梁）、动力传递卡套、剪切定位套、剪切销等部分组成。

图1 过载安全保护装置结构形式

相对于普通螺栓，高强度螺栓存在较大的预紧力，螺栓与螺母有效地将两个连接板件夹紧，从而在受剪切时产生较大的摩擦力。高强度螺栓按照其破坏的标准分为两类，摩擦型链接与承压型链接，二者在螺栓本身、安装排列方式、安装工艺等方面并无不同，区别在于破坏标准上的差异。摩擦型是以两个链接钢板之间发生相对错位滑移、摩擦面破坏作为承载极限的判断标准。承压型两个连接件间即使发生滑移后，由螺栓承受连接件间的剪切力，孔壁与螺栓承压传递剪切力，直至螺栓挤压变形剪断或孔壁挤压撕裂变形破坏。

本方案的破坏形式为后者，预紧力不需要打，连接副之间采用承压型形式设计。为防止孔壁受压撕裂破坏，在结构中设计了护套形式保护孔壁的剪切定位销套管。

1.2 工作原理

当机组作业时，各单体在主牵引梁的拉力作用下，水平向前的拉力通过动力传递卡套、剪切销、剪切定位套、单体框架传递到工作部件进行工作。机组进行耕整地作业，正常工作状态下，安全剪切销能够承载机组作业过程的正常作业负荷变化，稳定作业。当作业单体的合作部件松土铲、深松犁等工作部件遇到犁底层树根、石块等坚硬障碍物，或驾驶员误操作液压失控耕深突然变大等现象时，单体承受负荷突然加大，单体承受的超载荷突然加大，超过了剪切销设计允许轴切应力时，安全销被剪断如图2，作业单体从主牵引梁脱落，保护了单体框架、仿行机构等工作部件的安全。

图2 过载安全保护销剪断过程

2 过载保护装置主要参数设计

2.1 载荷计算与参数确定

该CMQ300型残膜清除机作业设定最大耕深为25 cm，正常工作状态下，每个作业机组所承载的满负荷土壤阻力F1的计算如下：

式中：n为工作部件数量，本机为14个；h为作业深度，25 cm；b为工作部件宽度，3.0 cm；k为旱地黏土土壤比阻，1.0 kg/cm2。代入数据计算得F1=1 050 kg。

正常作业状态，剪切销应能安全承受最大设计耕深情况下土壤对所有工作部件的总阻力F1。在遇到石块、树根等坚硬障碍物时，机具承载力超过最大设计耕深的土壤总耕作阻力的的2倍，即2F1的情况下必须剪断。剪切销承受载荷F，应介于F1与2F1之间。即：F1≤F≤2F1。

不同类型土壤比阻如表1所示。

2.2 安全销材料选择

在工作中，拖拉机的牵引力通过安全剪切销杆表面与剪切套孔壁之间的挤压传递，受机具作业不同工况变化影响而变化，安全销与剪切套之间接触面相互压紧而产生局部挤压，其受力特点的受力过程可能出现拉伸与压缩、扭转、弯曲、剪切等四种基本形式的变形，最难处理的是前三种变形，接触面产生的过大的塑性变形使安全销压碎或压扁而失去安全保护作用。根据材料剪切应力极限[t]与抗拉极限[b]之间的关系：对于塑性材料，[t]=（0.6～0.8）[b]；对于脆性材料，[t]=（0.8～1.0）[b]；安全剪切销应选择[t]≥0.8[b]的材料加工。选用45号钢材料螺栓做该机剪切销。

表1 不同类型土壤比阻

2.3 安全销截面计算

安全销截面积A计算公式：

查表得：45钢的抗拉强度不小于600 MPa，屈服强度不小于355 MPa，但许用应力还是需要根据安全系数来确定，设计中一般取τ0=120 MPa。

代入公式计算得A=17.5 mm2。换算成安全销半径直径为 11.14 mm，该机单体过载安全保护用销直径选用11 mm的45号碳素钢材料。

2.4 安全销直径与开槽形式

在过载保护装置中的剪切销是重要部件，有效控制过载剪断过程的剪切面，保证剪断剪切销后牵引梁与机座快速脱离开来，在剪切销的两端设计了开槽，结构形式如图3双槽剪切销[3]，槽底面外圆直径11 mm满足剪切条件，剪切销杆的其他部位外圆直径大于槽口外圆直径，便于重新更换。

图3 双槽剪切销结构形式

3 结论

CMQ300型残膜清除机过载安全保护的结构形式为整体承载剪切销轴，销轴设计成开槽形式，确保过载时在开槽处剪断，避免弯曲挤压撕裂情况下剪切销难以取出更换的问题。剪切销用45钢材料，12mm直径剪切螺栓，开槽处11mm的设计，有效保证机组正常作业与过载情况下的安全保护。对农业机械设计，特别是耕整地机械的过载安全保护装置的设计提供了相关依据。