凱斯210拖拉機空氣濾芯的應用設(shè)計與可靠性研發(fā)

傅東興

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

隨著我國綜合國力的大幅提升，國民經(jīng)濟得到了顯著的增強，國家對“三農(nóng)”的扶持力度也空前加大，持續(xù)推動了我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展進程[1]，其中以大馬力拖拉機為代表的耕作方式的發(fā)展是最為直觀的體現(xiàn)。黑龍江省是全國的商品糧供應基地，承擔著國家糧食安全的重任，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化建設(shè)進程也在國家及地方的各項利農(nóng)、惠農(nóng)政策的大力扶持下迅速發(fā)展，大農(nóng)業(yè)、大農(nóng)機情形已經(jīng)形成，現(xiàn)代農(nóng)機專業(yè)合作社已遍布全省各鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)場，小型個體性質(zhì)的農(nóng)機服務(wù)網(wǎng)點也已遍布至村屯，農(nóng)耕的全面機械化作業(yè)形勢已基本形成[2]。

黑龍江是我國農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地多，農(nóng)機作業(yè)面積大、任務(wù)重，農(nóng)機的保有量很大，近幾年土地規(guī)?；N植發(fā)展迅速，以凱斯為代表的150 kW(200馬力)以上拖拉機的應用越來越普遍，使用率越來越高。由于拖拉機作業(yè)環(huán)境惡劣，空氣中含有大量的灰塵和砂石，雜質(zhì)進入汽缸，在發(fā)動機運動過程中會造成汽缸磨損，需要對空氣進行過濾后再進入汽缸，因此，需要定期對空氣濾芯進行更換，但是由于凱斯210拖拉機汽缸尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化替代，進口原廠件價格昂貴，粗濾芯和精濾芯的價格約為1 400 元·套-1左右[3]。該機空氣過濾系統(tǒng)由粗濾芯和精濾芯兩部分構(gòu)成，粗濾芯套置于精濾芯的內(nèi)部，組合到一起完成空氣粗精過濾之后的凈化。歐美進口的農(nóng)業(yè)機械相比國產(chǎn)品牌農(nóng)機價格高昂，進口農(nóng)機的日常維修、保養(yǎng)、換件價格太過昂貴，導致農(nóng)機作業(yè)成本提升，影響農(nóng)戶收益的同時也限制了進口農(nóng)機的使用頻次。為加快推動黑龍江省的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)進程，提高進口農(nóng)機具的使用效能，應該加快國產(chǎn)農(nóng)業(yè)機械及配套設(shè)備的研制與發(fā)展。

針對以上問題，以黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院為技術(shù)依托，以凱斯拖拉機空氣濾芯的國產(chǎn)化替代為目標，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)工藝、過濾精度、過濾效率、過流阻力、容塵量等方面進行研究和分析，對其易損件空氣濾芯進行國產(chǎn)化替代方案的深入探討，形成國產(chǎn)化的可行性替代方案，完成相關(guān)保養(yǎng)配件的國產(chǎn)化生產(chǎn)制造，有效降低保養(yǎng)成本，提高廣大農(nóng)機用戶的收益，并通過田間試驗進行驗證。研究結(jié)果以期為提升我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率及生產(chǎn)效益提供技術(shù)參考與優(yōu)化方案。

1 拖拉機空氣濾芯發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 微孔濾紙濾芯

目前，國內(nèi)外關(guān)于拖拉機、汽車等空氣濾芯生產(chǎn)企業(yè)較多，不同企業(yè)之間主要生產(chǎn)方向與生產(chǎn)水平也存在較大的差異，其中主要以美國HOLLINGSWORTH&VOSE(H&V)公司、德國MANN+HUMMEL公司在空氣濾芯生產(chǎn)和研制中影響較大，并且在市場上具有一定的競爭力。在我國，K-100公司生產(chǎn)的空氣濾芯也具有一定的市場競爭力。不同企業(yè)生產(chǎn)的空氣濾芯技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 不同企業(yè)生產(chǎn)空氣濾芯技術(shù)參數(shù)

目前在汽車和拖拉機等中型車輛裝備中使用最多的空氣濾芯主要是經(jīng)過酚醛樹脂處理后的微孔濾芯，其強度、硬度和透氣度等較高，機械性能較強，目前形成了以皮革纖維、植物纖維、人造纖維和動物纖維多元化的原料進行研制，因此，微孔濾芯成為目前應用最為廣泛的空氣濾芯之一。

1.2 無紡布濾芯

無紡布濾芯主要是使用化學纖維，根據(jù)實際需求對厚度進行任意選擇，可以調(diào)整空氣阻力，但是在實際使用過程中孔徑設(shè)計較為困難，制作和生產(chǎn)成本較高，尚未得到廣泛的應用與發(fā)展。

1.3 纖維濾芯

纖維濾芯是近年來發(fā)展的一種新型濾芯材料，能夠在實現(xiàn)空氣凈化的同時高效吸收發(fā)動機工作時產(chǎn)生的噪聲，我國長春汽車生產(chǎn)廠對其開展相關(guān)研究，結(jié)果表明，纖維濾芯具有過濾效果高、不易吸附灰塵和較小的空氣阻力等應用優(yōu)勢，但是隨著長時間的使用，使用壽命較短，長期使用成本較高。

1.4 復合濾芯

復合濾芯主要是指在傳統(tǒng)濾紙濾芯中增加一層纖維結(jié)構(gòu)，形成一種新型復合濾芯，可以實現(xiàn)較高的過濾效率，但是會增加其灰塵吸附能力，需要定期進行清洗，防止發(fā)生濾芯堵塞等問題。

2 凱斯210拖拉機應用特點

凱斯210拖拉機內(nèi)置高性能CaseIH發(fā)動機，可以提供可靠的動力來源。高壓共軌柴油技術(shù)與電子燃油管理技術(shù)結(jié)合，能夠確保拖拉機為不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式提供良好經(jīng)濟經(jīng)濟性。共軌燃油系統(tǒng)可提供的燃油量能同時滿足拖拉機燃油經(jīng)濟性和性能的需求。

2.1 發(fā)動機動力管理

發(fā)動機動力管理(EPM)能夠額外輸出高達27 kW(37馬力)的功率，將拖拉機工作性能提升高達22%，并且對公路運輸、液壓和PTO作業(yè)都適用，高達13 kW(CV)的額外功率可以通過調(diào)節(jié)油門降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速至1 900/2 000 r·min-1獲得額外10%的性能提高。凱斯210拖拉機發(fā)動機體積小巧，擁有極小的轉(zhuǎn)彎半徑。其中，動態(tài)擋泥板使拖拉機轉(zhuǎn)向角增加30%，為拖拉機轉(zhuǎn)彎提供便捷操縱性。最小轉(zhuǎn)彎半徑自動四輪驅(qū)動和差速鎖可自動分離與結(jié)合，如在急拐彎時、制動時，可以提供氣動或液壓拖車制動器以方便與大型拖車聯(lián)合工作。

2.2 操作便捷

CVT變速器始終保持非常高的機械驅(qū)動比例，能夠最大限度地提高功率輸出。90%以上的機械驅(qū)動即可應對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的重型牽引、快速鉆井或拖曳作業(yè)，能夠確保平滑換擋，而且該驅(qū)動不會中斷，具有更加優(yōu)越的加速性能和更高的燃料效率。

2.3 具有更好的人機工程

凱斯210拖拉機采用可調(diào)MULTICONTROLLER扶手，該Multicontroller扶手設(shè)計完美，完全符合人體工學，而且還配備了一個控制拖拉機液壓系統(tǒng)的全集式操縱桿，方便駕駛員在復雜的田間環(huán)境中操作和較高的機械輸入。擁有人性化駕駛室，在田間工作時可以提供360°全景視野，為駕駛員提供平穩(wěn)的操控環(huán)境。另一方面，創(chuàng)新采用CaseIHAFSPro700彩色觸屏顯示器，用于監(jiān)測、控制CaseIH機車和導航系統(tǒng)，實現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)(應用的數(shù)據(jù))，或預定方案種植等，以便用于精耕應用程序，因此，是目前我國應用最為廣泛、性能較為優(yōu)越的拖拉機類型之一。

2.4 發(fā)動機濾芯價格昂貴

凱斯210拖拉機空氣過濾系統(tǒng)由粗濾芯和精濾芯兩部分構(gòu)成，粗濾芯套置于精濾芯的內(nèi)部，組合實現(xiàn)拖拉機發(fā)動機的空氣凈化。美國凱斯210拖拉機的保養(yǎng)周期約為每工作200 h保養(yǎng)一次，其中空氣濾芯的更換是首要工作，但未實現(xiàn)國產(chǎn)化替代，進口原廠件價格昂貴，粗濾芯和精濾芯的價格約為每套1 400元左右，因此，保養(yǎng)和維修費用較高，大部分農(nóng)戶難以接受高昂的費用。

3 性能試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗材料與方法

與河北省衡水市約翰過濾器材有限公司合作，按技術(shù)圖紙及原件實物加工制作了10套國產(chǎn)化樣件產(chǎn)品。試制樣件的精濾芯濾紙采用了國內(nèi)外合資廠獨家生產(chǎn)的HA型高精度空氣濾紙材料進行替代試制，粗濾芯濾紙采用國產(chǎn)的低精度空氣濾紙進行安全芯替代試制。

3.2 測定指標與方法

測定指標參考QC/T32—2017《汽車用空氣濾清器試驗方法》、QC/T32—2006《汽車用空氣濾清器性能試驗方法》、ISO5001—2014《內(nèi)燃機和空氣壓縮機用進氣空氣濾清器性能試驗》、ISO12103-1 A2 FINE T.D.《道路交通工具——用于濾清器評估的試驗粉塵》。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 標況阻力

在額定流量為1 385 m3·h-1、工況大氣壓力為98.496～98.525 kPa的條件下，將試制的精濾芯樣件與原件的標況阻力檢測數(shù)據(jù)進行對比，研究結(jié)果如圖1所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。研究結(jié)果表明，試制的精濾芯樣件與原件性能接近度較高，試制的精濾芯樣件僅高于原件標況阻力11.31%～21.23%。

圖1 不同樣品在不同流量下標況阻力變化曲線

表2 試制樣件與原件標況阻力結(jié)果統(tǒng)計

3.3.2 工作性能

根據(jù)《空氣濾清器測試報告》的測試結(jié)果，將試制的精濾芯樣件與原件的初始效率、全壽命效率、容塵量檢測數(shù)據(jù)進行對比，研究結(jié)果如表3所示。

表3 試制樣件與原件工作性能結(jié)果對比

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

凱斯210拖拉機空氣濾芯組國產(chǎn)化替代后，其批量生產(chǎn)制造的成本在120元左右。一般情況下，從原廠進口的凱斯210拖拉機空氣濾芯組在國內(nèi)售價為1 200～1 400元之間，保養(yǎng)換件費用很高。因此，形成國產(chǎn)化替代生產(chǎn)以后，可以顯著降低農(nóng)機用戶的換件成本，經(jīng)濟效益將十分明顯。

4.2 社會效益

凱斯210拖拉機空氣濾芯組產(chǎn)品樣件已試制成功，經(jīng)過數(shù)據(jù)試驗和上機試驗結(jié)果對比，全負荷狀態(tài)下使用壽命和使用效力接近于進口濾芯，已經(jīng)可以進行國產(chǎn)化替代。國產(chǎn)化生產(chǎn)后該維護保養(yǎng)配件的供貨期及時，價格下降90%，能有效保障凱斯210拖拉機的作業(yè)效能。并且該件的生產(chǎn)制造工藝簡單，現(xiàn)有的國內(nèi)制造能力完全具備批量生產(chǎn)條件。美國進口的凱斯210拖拉機的市場保有量很大，市場推廣應用前景廣闊，社會效益非常顯著。

5 結(jié)論

1)本研究提出的粗濾芯為安全芯，主要起保護作用，可以直接投入使用，實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。

2)本研究提出的精濾芯為主濾芯，樣件試制成功，并且通過春、秋兩季的上機試驗，發(fā)動機的能耗沒有增加，動力性能沒有下降，使用壽命能滿足生產(chǎn)要求，已經(jīng)完全可以用于國產(chǎn)化替代。

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