履帶聯(lián)合收獲機(jī)式動力平臺油菜直播機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

廖慶喜 何 坤 萬星宇 袁佳誠 王 昌 魏國粱

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

長江流域是我國主要的冬油菜種植區(qū)域，種植方式以稻-油或稻-稻-油水旱輪作為主[1]。針對該區(qū)域土壤黏重板結(jié)、雨水充沛等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的油菜機(jī)械化播種作業(yè)方式主要為拖拉機(jī)掛接油菜播種機(jī)等機(jī)具完成碎秸滅茬、種床旋耕、播種施肥、開溝覆土等作業(yè)[2-5]，但前茬作物水稻收獲后地表秸稈量大，機(jī)具一次下地往往難以完成播種作業(yè)所有工序，且土壤含水率較高時(shí)拖拉機(jī)易打滑沉陷，影響播種質(zhì)量和作業(yè)效率。

研究表明，秸稈還田有利于增加土壤生物活性、提高土壤肥力[6-7]，秸稈覆蓋還田能蓄水保墑，更能保證冬油菜在氣溫和降水異常天氣下安全越冬，對油菜產(chǎn)量也有顯著促進(jìn)作用[8-9]。國內(nèi)外學(xué)者在秸稈還田與播種相結(jié)合的聯(lián)合作業(yè)機(jī)具方面進(jìn)行了大量的研究[10-18]。以上研究主要適用于稻麥、花生等作物播種與秸稈還田聯(lián)合作業(yè)，適用于稻油輪作區(qū)油菜播種與秸稈還田的聯(lián)合作業(yè)機(jī)具研究較少，而直接利用聯(lián)合收獲機(jī)替代拖拉機(jī)掛接播種機(jī)進(jìn)行油菜播種作業(yè)的研究鮮見報(bào)道。

為實(shí)現(xiàn)稻油輪作區(qū)油菜播種與秸稈還田目標(biāo)，達(dá)到提高機(jī)器利用率、減少機(jī)具下地次數(shù)、提高機(jī)具通過性和作業(yè)效率的目的，本文設(shè)計(jì)一種履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜直播機(jī)，在不改變聯(lián)合收獲機(jī)原有結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種將耕播系統(tǒng)掛接于履帶式聯(lián)合收獲機(jī)并可升降的導(dǎo)軌式懸掛升降系統(tǒng)，進(jìn)行傳動系統(tǒng)動力匹配設(shè)計(jì)，確定各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)和整機(jī)性能參數(shù)，以滿足整機(jī)應(yīng)用于水稻收獲后未處理地表進(jìn)行秸稈還田與油菜播種聯(lián)合作業(yè)。

1 總體方案

1.1 工藝路線

稻油輪作區(qū)水稻收獲后有豐富的秸稈資源，田間實(shí)際留茬高度往往高于標(biāo)準(zhǔn)要求[19]，而稻收后聯(lián)合收獲機(jī)多閑置，利用率低，履帶式聯(lián)合收獲機(jī)除有很好的秸稈切割與收集功能外，與輪式拖拉機(jī)相比能減小土壤內(nèi)垂直和水平應(yīng)力，防止土壤壓實(shí)[20-21]。因此，提出將履帶式聯(lián)合收獲機(jī)與油菜播種機(jī)集成設(shè)計(jì)方案，通過收獲平臺將殘茬與浮草進(jìn)行切割收集，形成相對清潔的耕播環(huán)境，有利于防堵降耗；同時(shí)收獲平臺為耕播系統(tǒng)作業(yè)提供動力，由耕播系統(tǒng)在相對清潔地表完成耕播作業(yè)，播種完成后再由收獲平臺排草口將秸稈拋至已播廂面進(jìn)行覆蓋還田，作業(yè)工藝流程如圖1所示。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過程

基于上述工藝路線開展了以履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜播種機(jī)研究，直播機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由收獲平臺、懸掛升降系統(tǒng)、耕播系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)等組成，其中懸掛升降系統(tǒng)底座外梁通過卡扣與聯(lián)合收獲機(jī)底盤對接，內(nèi)梁插入聯(lián)合收獲機(jī)底盤方管，以此實(shí)現(xiàn)懸掛升降系統(tǒng)的快速安裝與拆卸。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

播種作業(yè)前，通過底盤升降手柄控制懸掛升降系統(tǒng)的液壓缸運(yùn)動將耕播系統(tǒng)下降至合適高度，使旋耕部件的旋耕深度滿足油菜播種種床深度要求，調(diào)節(jié)中央拉桿和開畦溝犁，保證能形成穩(wěn)定的播種廂面，同時(shí)調(diào)節(jié)雙圓盤開溝器，使油菜播種深度符合農(nóng)藝要求。

播種作業(yè)時(shí)，收秸割臺對地表浮草殘茬進(jìn)行撿拾切割，收集的秸稈經(jīng)收獲平臺輸送鏈耙與脫粒清選裝置輸送作用送至收獲平臺尾部導(dǎo)草裝置，在風(fēng)機(jī)風(fēng)力作用下排至側(cè)廂，與此同時(shí)，收獲平臺動力經(jīng)帶傳動與鏈傳動傳至尾梁齒輪箱換向并經(jīng)萬向節(jié)傳遞至旋耕側(cè)箱，由耕播系統(tǒng)在相對清潔地表完成油菜播種作業(yè)所需種床旋耕工序，收獲平臺尾部電源驅(qū)動排種器電機(jī)轉(zhuǎn)動完成油菜播種作業(yè)，履帶式聯(lián)合收獲動力平臺的油菜直播機(jī)行進(jìn)過程同步完成作畦開溝作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 懸掛升降系統(tǒng)

目前常用的農(nóng)機(jī)懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主要應(yīng)用于拖拉機(jī)，對于履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力底盤的油菜直播機(jī)適應(yīng)性不高，為縮短整機(jī)縱向尺寸，使其重心處于較優(yōu)位置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)耕播系統(tǒng)掛接與升降功能，本文設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)軌式懸掛升降系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由升降組合、分體式懸掛架和定位控制裝置組成。工作時(shí)，懸掛架掛接耕播系統(tǒng)，在液壓缸提升力作用下豎直提升，下降時(shí)液壓缸卸力同時(shí)在耕播系統(tǒng)自重作用下將其降到目標(biāo)高度。

2.1.1升降組合

升降組合包括底座、導(dǎo)軌、升降液壓缸、導(dǎo)輪和提升鏈條等，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中導(dǎo)軌與升降液壓缸根據(jù)耕播系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)。耕播系統(tǒng)質(zhì)量400 kg，升降液壓缸選用負(fù)荷1 000 kg、提升行程1 m的雙向油缸，搭配外徑78 mm、輪厚22 mm、負(fù)荷1 000 kg的導(dǎo)輪與12A提升鏈條，根據(jù)提升行程與掛接質(zhì)量采用1.3 m長8號槽鋼作為導(dǎo)軌。

2.1.2分體式懸掛架

從升降行程可調(diào)和關(guān)鍵部件互換性角度考慮，本文采用分體式懸掛架，作為懸掛升降系統(tǒng)主要承載部件，分體式懸掛架直接與耕播系統(tǒng)相連，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。主框架采用50 mm×5 mm方管焊接而成，根據(jù)耕播系統(tǒng)后置懸掛架尺寸確定其長×寬為860 mm×400 mm。左右懸掛組合通過螺栓定位安裝于主框架內(nèi)，間隔50 mm，行程分3段可調(diào)整。

懸掛架設(shè)置有3對導(dǎo)向輪進(jìn)行縱向限位與上下導(dǎo)向，選用與升降組合配套的外徑67 mm加厚軌道輪。因耕播系統(tǒng)左右質(zhì)量不平衡，容易引起懸掛架左右偏轉(zhuǎn)，為保證耕播系統(tǒng)升降順暢不出現(xiàn)停滯卡頓現(xiàn)象，設(shè)置兩對限位輪與導(dǎo)軌外側(cè)面形成面接觸進(jìn)行約束。限位輪采用單邊軌道輪，通過螺栓連接安裝于主框架上，為保證升降過程安全可靠，所用螺栓需滿足剪切強(qiáng)度條件與擠壓強(qiáng)度條件[22]

(1)

其中

(2)

式中τ——剪切應(yīng)力，MPa

[τ]——許用剪切應(yīng)力，MPa

σP——擠壓應(yīng)力，MPa

[σP]——許用擠壓應(yīng)力，MPa

FS——螺栓所受橫向外載荷，N

d0——螺栓剪切面直徑，mm

m——螺栓受剪面數(shù)

Lmin——螺栓桿與孔壁擠壓面最小高度，取5 mm

σS——屈服極限，取240 MPa[22]

Sτ、SP——安全系數(shù)，Sτ取2.5，SP取1.25[22]

懸掛架整體的縱向受力主要由導(dǎo)向輪等平衡，限位輪螺栓所受外載荷主要由耕播系統(tǒng)橫向偏轉(zhuǎn)所引起，故設(shè)計(jì)分析時(shí)只考慮橫向載荷。懸掛架橫向受力如圖5a所示，主要受等效提升力T、自身重力G、耕播系統(tǒng)豎直向下分力F1與F2以及導(dǎo)軌給限位輪垂直導(dǎo)軌面的力FA與FB作用。未設(shè)置限位輪時(shí)耕播系統(tǒng)提升狀態(tài)下懸掛架偏轉(zhuǎn)情況如虛線所示，取極限狀態(tài)與極限受力進(jìn)行分析，假設(shè)由于F1、F2不等所產(chǎn)生偏角θ完全由限位輪A與限位輪B平衡，將F1、F2等效為施加在偏轉(zhuǎn)中心的豎直向下作用力與等效力偶矩，對水平方向受力進(jìn)行簡化，如圖5b所示，由平衡條件可知

(3)

式中FA——限位輪A所受導(dǎo)軌作用力，N

FB——限位輪B所受導(dǎo)軌作用力，N

lA——限位輪A到偏轉(zhuǎn)中心O的垂直距離，mm

lB——限位輪B到偏轉(zhuǎn)中心O的垂直距離，mm

M——耕播系統(tǒng)質(zhì)量不平衡所產(chǎn)生的力偶矩，N·m

參考實(shí)測結(jié)果可知，F(xiàn)1與F2差值最大為1 680 N，計(jì)算可知M=722.4 N·m，限位輪A與限位輪B豎直方向距離250 mm，代入式(3)計(jì)算得FB=-FA=2 889.6 N。

取限位輪單體進(jìn)行分析，螺栓受力情況如圖5c所示，由式(1)可知

(4)

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可知，d0≥6.19 mm，根據(jù)螺栓規(guī)格表從可靠性角度以及螺栓長度要求選取150 mm長M12鉸制孔用螺栓，光桿部分d0=13 mm，由式(1)、(2)可知擠壓應(yīng)力σP=44.46 MPa<[σP]。計(jì)算可知選用M12鉸制孔用螺栓能滿足強(qiáng)度要求，由螺栓大小確定限位輪選用外徑62 mm的單邊軌道輪。

2.1.3定位控制裝置

目前廣泛使用的聯(lián)合收獲機(jī)一般都具備底盤升降功能，為實(shí)現(xiàn)懸掛升降系統(tǒng)升降功能，將升降液壓缸接入收獲平臺底盤升降液壓回路，如圖6a所示，同時(shí)考慮到聯(lián)合收獲機(jī)后視性較差，存在視野盲區(qū)，且導(dǎo)軌有限長，工作時(shí)存在安全隱患，本文利用可檢測金屬物體靠近的電感式接近開關(guān)設(shè)計(jì)控制電路如圖6b所示，采用常閉型接近開關(guān)感應(yīng)懸掛架限位輪，通過繼電器放大作用，控制電磁換向閥在中位與工作位之間切換。

工作時(shí)，閉合開關(guān)，電磁換向閥通電，操作底盤升降手柄控制液壓缸運(yùn)動，當(dāng)懸掛架上升到安全定位高度時(shí)，限位輪到達(dá)位移傳感器動作距離，接近開關(guān)斷開，電磁換向閥回到中位，液壓缸停止上升，操作臺上紅色信號燈滅。復(fù)位時(shí)，閉合按鈕開關(guān)，電磁換向閥通電，操作底盤升降手柄控制液壓缸下降，紅色信號燈亮則斷開按鈕開關(guān)。

2.1.4強(qiáng)度校核

懸掛升降系統(tǒng)作為連接收獲平臺與耕播系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其剛度和強(qiáng)度能否滿足工作要求是整機(jī)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，為此利用ANSYS Workbench開展靜力學(xué)仿真分析，對其剛度強(qiáng)度進(jìn)行校核。

懸掛升降系統(tǒng)主要存在兩種工作狀態(tài)，一是在運(yùn)輸過程懸掛架提升狀態(tài)，二是在播種作業(yè)時(shí)懸掛架降下狀態(tài)。利用SolidWorks 2018對兩種狀態(tài)進(jìn)行建模并適當(dāng)簡化，導(dǎo)入ANSYS Workbench，定義材料屬性為Q235-A，設(shè)置導(dǎo)向輪、限位輪與導(dǎo)軌接觸類型為Frictional，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.05。網(wǎng)格劃分時(shí)對底座、導(dǎo)軌等形狀規(guī)則、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)采用Sweep法，其余零部件自動網(wǎng)格劃分，通過控制關(guān)鍵部件網(wǎng)格尺寸控制網(wǎng)格質(zhì)量，定義懸掛架、導(dǎo)軌單元尺寸為5 mm，劃分完成后單元數(shù)487 557，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 223 393，得到兩種狀態(tài)有限元模型如圖7所示。

給底座內(nèi)外梁上表面施加固定約束，運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，懸掛架主要受自身重力、鏈條提升力與耕播系統(tǒng)重力等作用，耕播系統(tǒng)自重4 000 N，以remote force形式施加在耕播系統(tǒng)重心位置，懸掛架自重380 N，施加在重心位置，單根鏈條提升力2 190 N，分別施加在對應(yīng)鏈條位置，升降液壓缸作用于底座，除自身重力還有提升耕播系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力，以pressure形式取極大值5 000 N施加于底座中央液壓缸與底座的接觸面上。工作狀態(tài)時(shí)，液壓缸完全降下，提升鏈條處于放松狀態(tài)，懸掛升降系統(tǒng)主要受耕播系統(tǒng)工作所產(chǎn)生交變載荷作用，添加邊界條件時(shí)以函數(shù)形式施加，數(shù)值參考前期功能試驗(yàn)所測拉壓力數(shù)據(jù)，選取穩(wěn)定工作段數(shù)據(jù)，利用Matlab擬合工具箱擬合數(shù)據(jù)得到函數(shù)曲線如圖8所示，設(shè)置載荷步為1，結(jié)束時(shí)間30 s，對有限元模型進(jìn)行求解計(jì)算，得到兩種狀態(tài)位移云圖和應(yīng)力云圖如圖9所示。

運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，懸掛升降系統(tǒng)最大變形量為0.413 7 mm，最大應(yīng)力為164.32 MPa，出現(xiàn)在導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌接觸處，因?qū)蜉啿牧蠟檩S承鋼，屈服強(qiáng)度大，取導(dǎo)軌與懸掛架單獨(dú)分析，最大應(yīng)力分別為147.44、89.907 MPa，導(dǎo)軌與懸掛架材料Q235-A，安全系數(shù)取1.5[23]，則許用應(yīng)力為156.67 MPa，最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度與剛度要求。工作狀態(tài)時(shí)，最大變形量0.605 9 mm，最大應(yīng)力195.11 MPa，出現(xiàn)在導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌接觸處，導(dǎo)軌與懸掛架最大應(yīng)力分別為145.06、121.83 MPa，均滿足強(qiáng)度與剛度要求。

2.2 傳動系統(tǒng)

為了不改變收獲平臺原有傳動結(jié)構(gòu)與傳動比，同時(shí)將動力傳遞給耕播系統(tǒng)完成旋耕作業(yè)，合理配套動力與布局傳動是保證整機(jī)作業(yè)性能的關(guān)鍵。

履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力底盤的油菜直播機(jī)傳動系統(tǒng)采用帶傳動、鏈傳動與齒輪傳動相結(jié)合的方式，耕播系統(tǒng)作業(yè)時(shí)收獲平臺各部分同步運(yùn)行，故可通過原有控制方式實(shí)現(xiàn)動力離合。為保證收獲平臺原有傳動不改變，重新設(shè)計(jì)過渡帶輪，采用帶輪與鏈輪組合式結(jié)構(gòu)，并在收割機(jī)箱體側(cè)板上安裝中間軸，通過兩級鏈傳動實(shí)現(xiàn)減速，達(dá)到旋耕作業(yè)轉(zhuǎn)速要求，再由1∶1齒輪箱實(shí)現(xiàn)換向，將動力傳遞給旋耕刀軸。

發(fā)動機(jī)動力分兩路傳遞，一路由收獲平臺原有傳動系統(tǒng)傳遞給收獲平臺各功能部件，一路由所增加傳動結(jié)構(gòu)傳遞給耕播系統(tǒng)，具體動力傳遞路線為：收獲平臺發(fā)動機(jī)→帶傳動→鏈傳動→尾梁齒輪箱→萬向節(jié)→旋耕側(cè)箱→旋耕刀軸，省略收獲平臺原有帶傳動等中間過程，整機(jī)傳動系統(tǒng)傳動簡圖如圖10所示。從尾梁變速箱至耕播系統(tǒng)采用萬向節(jié)過渡，以適應(yīng)耕播系統(tǒng)升降與工作過程中心距變化情況。

根據(jù)收獲平臺關(guān)鍵帶輪轉(zhuǎn)速標(biāo)定可知，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，第一級鏈傳動主動鏈輪轉(zhuǎn)速n1=1 200 r/min，旋耕轉(zhuǎn)速擬定為n3=350 r/min，由經(jīng)驗(yàn)公式[24]計(jì)算可知旋耕功耗約為18.2 kW。鏈節(jié)距25.4 mm≤p≤31.75 mm，主動鏈輪齒數(shù)17≤z1≤23。為實(shí)現(xiàn)鏈傳動平穩(wěn)、高效目標(biāo)，利用Matlab優(yōu)化工具箱對兩級鏈傳動進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[22,25-26]。根據(jù)鏈傳動設(shè)計(jì)規(guī)范，確定兩級鏈傳動傳動比分別為1.7與2.0，選用16A單排86節(jié)滾子鏈與16A單排114節(jié)滾子鏈，各部分具體參數(shù)如表2所示。

表2 鏈傳動參數(shù)Tab.2 Chain drive parameters

2.3 耕播系統(tǒng)

2.3.1結(jié)構(gòu)組成

耕播系統(tǒng)主要完成種床旋耕、作畦開溝、播種覆土等工序，其結(jié)構(gòu)如圖11所示，主要包括2BFQ系列油菜播種機(jī)常用旋耕總成、旋耕側(cè)箱、后置懸掛架、開畦溝前犁、開畦溝后犁、離心式排種器和雙圓盤開溝器等結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)耕播系統(tǒng)掛接穩(wěn)定以及作業(yè)時(shí)傾角可調(diào)，調(diào)整三點(diǎn)懸掛架位置，將其后移安裝于旋耕機(jī)后梁，通過中央拉桿與懸掛升降系統(tǒng)的懸掛架相連。同時(shí)為配合整機(jī)布局與方便排種器安裝，將排種器側(cè)置安裝于旋耕機(jī)上。

2.3.2排種器安裝高度

履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜直播機(jī)耕播系統(tǒng)與傳統(tǒng)播種機(jī)結(jié)構(gòu)有較大區(qū)別，為探究排種器側(cè)置時(shí)投種高度對整機(jī)播種性能的影響，從而確定合適的排種器安裝高度，根據(jù)排種器在耕播系統(tǒng)上位置關(guān)系設(shè)置臺架試驗(yàn)如圖12a所示。投種高度初始值設(shè)置為排種器安裝于耕播系統(tǒng)上最低投種高度600 mm，通過調(diào)整安裝座高度改變投種高度，高度梯度設(shè)置為50 mm。從左至右依次標(biāo)記輸種管序號為1～8，對應(yīng)1～8號玻璃杯用于收集1 min內(nèi)排種器各行排出種子，稱量統(tǒng)計(jì)并記錄，每個(gè)高度重復(fù)試驗(yàn)3次，得到試驗(yàn)結(jié)果如圖12b所示。

結(jié)果表明，排種器總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)低于4%，當(dāng)投種高度大于等于750 mm時(shí)，各行排量一致性變異系數(shù)低于7%，且隨著投種高度增加有降低趨勢，符合標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2709—2015《油菜播種機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》規(guī)定的油菜播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量要求。試驗(yàn)中測得當(dāng)投種高度大于等于800 mm時(shí)，距離排種器最近與最遠(yuǎn)輸種管第一粒種子落地時(shí)間差小于0.5 s，小于啟動作業(yè)反應(yīng)時(shí)間，故確定耕播系統(tǒng)排種器實(shí)際安裝高度應(yīng)使投種高度大于等于800 mm。

2.4 導(dǎo)草裝置

為縮短整機(jī)縱向尺寸，提高縱向穩(wěn)定性，取消收獲平臺原有排草口避免與懸掛升降系統(tǒng)產(chǎn)生干涉，改秸稈后拋為側(cè)拋方式，重新設(shè)計(jì)導(dǎo)草裝置以配合整機(jī)布局。導(dǎo)草裝置結(jié)構(gòu)如圖13所示，主要包括罩殼、篩網(wǎng)、風(fēng)機(jī)與調(diào)速器等結(jié)構(gòu)，由脫粒清選裝置輸送過來的秸稈流由A口進(jìn)入導(dǎo)草通道，在風(fēng)機(jī)風(fēng)力作用下由B口排出至側(cè)廂。選用24 V直流離心式風(fēng)機(jī)，最大流量可達(dá)1 194 m3/h，風(fēng)速通過調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)與導(dǎo)草通道之間采用篩網(wǎng)進(jìn)行阻隔，防止秸稈倒流入風(fēng)機(jī)造成堵塞。

3 整機(jī)縱向穩(wěn)定性分析

3.1 縱向穩(wěn)定性儲備利用系數(shù)

履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜直播機(jī)結(jié)構(gòu)為在收獲平臺后掛接耕播系統(tǒng)，質(zhì)量分布較收獲平臺有較大改變，整機(jī)重心位置相較于聯(lián)合收獲機(jī)重心后移，當(dāng)重心過后時(shí)嚴(yán)重影響整機(jī)縱向穩(wěn)定性能。整機(jī)平地行駛的縱向穩(wěn)定性主要從機(jī)組縱向穩(wěn)定性儲備利用系數(shù)來考察，將其分為3個(gè)研究整體：收獲平臺、懸掛升降系統(tǒng)和耕播系統(tǒng)，各部分質(zhì)量及重心位置確定如下：收獲平臺質(zhì)量和重心位置根據(jù)文獻(xiàn)[24]確定為G1，懸掛升降系統(tǒng)與耕播系統(tǒng)質(zhì)量和重心位置通過在SolidWorks中準(zhǔn)確建模并配置材料進(jìn)行質(zhì)量特性計(jì)算，分別確定重心位置為G2、G3。對其處于平地狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，如圖14所示，則整機(jī)縱向穩(wěn)定性儲備利用系數(shù)為

(5)

式中m1——收獲平臺使用質(zhì)量，kg

m2——懸掛升降系統(tǒng)使用質(zhì)量，kg

m3——耕播系統(tǒng)使用質(zhì)量，kg

l1——收獲平臺重心至履帶后接地點(diǎn)水平距離，mm

l2——懸掛升降系統(tǒng)重心至履帶后接地點(diǎn)水平距離，mm

l3——耕播系統(tǒng)重心至履帶后接地點(diǎn)水平距離，mm

通過測量與計(jì)算可知，收獲平臺質(zhì)量為3 250 kg，重心與履帶后接地點(diǎn)A距離1 120 mm，懸掛升降系統(tǒng)質(zhì)量170 kg，重心距離點(diǎn)A830 mm，耕播系統(tǒng)質(zhì)量400 kg，重心距離點(diǎn)A1 450 mm。代入式(5)得X=0.198≤0.2，滿足履帶式機(jī)組配置基本要求[27]。

3.2 爬坡穩(wěn)定性分析

履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜直播機(jī)實(shí)際工作環(huán)境較復(fù)雜，需經(jīng)常在田間地頭轉(zhuǎn)移，在坡地行駛中，整機(jī)重心作用線與履帶后接地點(diǎn)水平間距減小，坡度越大，間距越小，地面對履帶的支持力合力FN越向履帶后接地點(diǎn)A靠近，越容易造成整機(jī)向后傾翻。因整機(jī)重心位置較收獲平臺改變主要由耕播系統(tǒng)引起，下坡時(shí)重心作用線較爬坡時(shí)與履帶后接地點(diǎn)A水平間距大，故就其爬坡時(shí)的縱向穩(wěn)定性進(jìn)行分析。首先確定整機(jī)重心位置，由圖14平地行駛縱向穩(wěn)定性分析建立平衡方程

(6)

式中m——整機(jī)質(zhì)量，kg

l——整機(jī)重心與履帶后接地點(diǎn)A水平距離，mm

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得，整機(jī)重心在縱向位于履帶后接地點(diǎn)往前764 mm處，重心高度參考SolidWorks配置材料計(jì)算結(jié)果，取耕播系統(tǒng)提升狀態(tài)極限值1 180 mm。爬坡行駛時(shí)，整機(jī)主要受重力G、地面對履帶支持力合力FN、驅(qū)動力FQ和行駛阻力Ff等共同作用，對其爬坡狀態(tài)受力進(jìn)行分析，如圖15所示。

坡地行駛時(shí)整機(jī)要保持縱向靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定，則不能產(chǎn)生傾翻與滑移，同時(shí)有足夠的驅(qū)動力，即保持縱向穩(wěn)定性需滿足條件：支持合力FN與履帶后接地點(diǎn)距離a不小于0；停車時(shí)重力沿坡面分力G1不大于地面附著力Fμ；爬坡時(shí)履帶驅(qū)動力FQ不小于沿坡面阻力FR。即

(7)

由圖15可知，后傾是從履帶后接地點(diǎn)A開始，由力矩平衡可知

FNa+mghsinα1-mglcosα1=0

(8)

式中h——整機(jī)重心與坡面垂直距離，mm

α1——傾翻極限角，(°)

由整機(jī)坡面停車不產(chǎn)生滑移條件可知

μmgcosα2≥mgsinα2

(9)

式中μ——履帶與地面附著系數(shù)，取0.8[28]

α2——滑移極限角，(°)

爬坡行駛時(shí)，履帶驅(qū)動力由履帶板剪切地面產(chǎn)生，不考慮履帶滑轉(zhuǎn)，履帶與地面相互作用產(chǎn)生的最大驅(qū)動力[29]為

FQ=Sc+G2tanφ

(10)

式中S——地面與履帶接觸面積，m2

c——土壤內(nèi)聚力，kPa

φ——土壤內(nèi)摩擦角，(°)

爬坡時(shí)，忽略空氣阻力等的影響，行駛阻力主要包括摩擦阻力與整機(jī)重力沿坡面分力，得

FR=fmgcosα3+mgsinα3

(11)

式中f——滾動阻力系數(shù)，取0.05[27]

α3——牽引極限角，(°)

履帶接地長度1.5 m，單根履帶寬0.45 m，土壤內(nèi)摩擦角和土壤內(nèi)聚力分別取23°、13.8 kPa[30]，由式(7)～(11)可知，整機(jī)坡地行駛縱向穩(wěn)定性條件為

(12)

履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜直播機(jī)爬坡時(shí)保持縱向穩(wěn)定性的最大角度為傾翻極限角、滑移極限角與牽引極限角中的最小值，即α=min(α1,α2,α3)=20.53°。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植示范基地進(jìn)行，分別于2020年9月8日和2020年10月1日開展了旋耕性能試驗(yàn)與整機(jī)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境為聯(lián)合收獲機(jī)收獲后未做任何處理稻茬地，主要試驗(yàn)工況參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)工況參數(shù)Tab.3 Test conditions parameters

4.2 試驗(yàn)方法

履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜直播機(jī)結(jié)構(gòu)上不同于傳統(tǒng)播種機(jī)，履帶底盤與輪式拖拉機(jī)相比雖有更好的通過性能，但地表不平時(shí)易發(fā)生翹頭或翹尾，地表不平度傳遞至耕播系統(tǒng)經(jīng)放大表現(xiàn)為旋耕深淺變化，直接影響旋耕深度和播種深度；整機(jī)傳動系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)存在帶傳動與鏈傳動，負(fù)載過大時(shí)傳動比易發(fā)生波動，旋耕刀軸實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速存在一定偏差，實(shí)際轉(zhuǎn)速可能小于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，影響整機(jī)作業(yè)效果。針對上述可能影響整機(jī)工作性能的因素，參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2709—2015《油菜播種機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》和GB/T 5668—2017《旋耕機(jī)》確定指標(biāo)及開展試驗(yàn)，主要測試指標(biāo)有耕深穩(wěn)定性系數(shù)、碎土率、旋耕層深度合格率以及機(jī)具通過性與工作穩(wěn)定性等。試驗(yàn)時(shí)首先針對旋耕作業(yè)效果開展性能試驗(yàn)，測試各項(xiàng)指標(biāo)，旋耕性能試驗(yàn)整機(jī)工作穩(wěn)定、運(yùn)行良好后再集成導(dǎo)草裝置與排種系統(tǒng)，驗(yàn)證整機(jī)工作性能，工作參數(shù)設(shè)置為作業(yè)速度0.6 m/s、導(dǎo)草裝置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 500 r/min、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜直播機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場如圖16所示，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，整機(jī)作業(yè)較穩(wěn)定，懸掛升降系統(tǒng)在田間轉(zhuǎn)移與作業(yè)時(shí)能保證在安全行程內(nèi)穩(wěn)定升降與牽引工作；收獲平臺能較順利收集浮草殘茬并排至側(cè)廂，處理后殘茬高在60～90 mm之間，機(jī)具通過性較好；傳動系統(tǒng)運(yùn)行良好，可將聯(lián)合收獲機(jī)脫粒、分離、清選、秸稈粉碎等環(huán)節(jié)冗余動力分配至后置耕播系統(tǒng)，負(fù)載過大時(shí)鏈傳動有一定抖動，總體能在保證收獲平臺各功能部件穩(wěn)定運(yùn)行同時(shí)滿足種床旋耕作業(yè)所需動力要求。

整機(jī)作業(yè)后廂面較平整，溝型穩(wěn)定，無因堵塞造成的地表拖堆，平均耕深為125 mm，耕深穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)92.4%，碎土率為83.7%，旋耕層深度合格率為95%，結(jié)果表明，履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜直播機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種以履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜直播機(jī)，一次下地可完成秸稈還田、種床旋耕、作畦開溝和播種覆土等作業(yè)，較常規(guī)油菜機(jī)播作業(yè)能減少機(jī)具下地次數(shù)、有效提高機(jī)具通過性和作業(yè)效率，同時(shí)有利于提高聯(lián)合收獲機(jī)利用率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

(2)通過對懸掛升降系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型設(shè)計(jì)與理論分析確定了其結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)，利用接近開關(guān)對金屬的敏感特性設(shè)計(jì)電路控制電磁閥工作，實(shí)現(xiàn)懸掛架升降的安全可控，靜力學(xué)仿真分析表明，所設(shè)計(jì)懸掛升降系統(tǒng)剛度和強(qiáng)度滿足運(yùn)輸與田間作業(yè)基本要求；運(yùn)用Matlab優(yōu)化工具箱對傳動系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了兩級鏈傳動傳動比分別為1.7、2.0。

(3)通過臺架試驗(yàn)確定了導(dǎo)草裝置與耕播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對集成懸掛升降系統(tǒng)、耕播系統(tǒng)的履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜直播機(jī)平地行駛與爬坡行駛狀態(tài)進(jìn)行縱向穩(wěn)定性分析，得到整機(jī)縱向穩(wěn)定性儲備利用系數(shù)為0.198，保持縱向穩(wěn)定性的最大角度為20.53°，符合履帶式機(jī)組各部分質(zhì)量配置要求，滿足田間工作要求。

(4)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，履帶式聯(lián)合收獲機(jī)為動力平臺的油菜直播機(jī)在稻收后未處理地表作業(yè)時(shí)，機(jī)具通過性和工作穩(wěn)定性良好，廂面平整，溝型穩(wěn)定，平均耕深125 mm，耕深穩(wěn)定性系數(shù)、碎土率和旋耕層深度合格率分別為92.4%、83.7%和95%，整機(jī)設(shè)計(jì)滿足油菜播種作業(yè)要求。