曲振興， 樊 濤， 王德柱， 湯晶宇*

(1.國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京100091；3.國(guó)家林業(yè)局林業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

研究與設(shè)計(jì)

全靜液壓驅(qū)動(dòng)油茶撫育作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)

曲振興1，2，3， 樊 濤1，2，3， 王德柱1，2，3， 湯晶宇1，2，3*

(1.國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京100091；3.國(guó)家林業(yè)局林業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

油茶具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及很好的市場(chǎng)前景。我國(guó)是油茶的原產(chǎn)地及主要種植區(qū)，但由于油茶種植環(huán)境問(wèn)題，現(xiàn)階段油茶培育的機(jī)械化作業(yè)程度較低，生產(chǎn)成本高。研發(fā)了一款油茶撫育作業(yè)機(jī)，其采用靜液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，具有可更換作業(yè)臂、體積小、動(dòng)力足等特點(diǎn)，適合丘陵地區(qū)的油茶撫育作業(yè)。

油茶撫育機(jī)；靜液壓驅(qū)動(dòng)；可換作業(yè)臂；設(shè)計(jì)

1 技術(shù)背景

油茶與橄欖、油棕、椰子并稱(chēng)為世界四大木本油料植物，其中茶籽油具有合理的脂肪酸構(gòu)成、豐富的營(yíng)養(yǎng)成分和良好的保健功能，是優(yōu)質(zhì)的保健食用油和高級(jí)天然化妝品原料，素有“東方橄欖油”的美譽(yù)，已被國(guó)際糧農(nóng)組織列為重點(diǎn)推廣的健康型食用油[1]。生產(chǎn)茶籽油的副產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、日化等方面也有廣泛的應(yīng)用[2-4]。同時(shí)，油茶耐貧瘠能力強(qiáng)，不與其他作物爭(zhēng)地，兼具保持水土、涵養(yǎng)水源等多種生態(tài)效益。

我國(guó)雖然是油茶的原產(chǎn)地及主要種植區(qū)，但目前油茶撫育機(jī)的數(shù)量相對(duì)較少，油茶的種植仍需大量的勞動(dòng)力資源。但由于產(chǎn)區(qū)勞動(dòng)力大多外出打工，導(dǎo)致人工成本高，投入產(chǎn)出比低[5]。目前，除前期的整地環(huán)節(jié)使用機(jī)械作業(yè)外，其他生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)仍是以人工為主。為解決該問(wèn)題，研究人員做出了許多努力。2001年，國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所研發(fā)了以JC-30型履帶拖拉機(jī)為牽引裝置的5YCS型幼林撫育機(jī)；2010年又研發(fā)了履帶式油茶墾復(fù)機(jī)。這些設(shè)備雖然改善了油茶撫育作業(yè)，但依然存在動(dòng)力不足、效率不高、大坡度適應(yīng)能力差等問(wèn)題。

本設(shè)計(jì)為針對(duì)油茶撫育作業(yè)研制的油茶撫育作業(yè)機(jī)，該機(jī)采用靜液壓驅(qū)動(dòng)方式、擁有一系列可替換的作業(yè)臂及作業(yè)機(jī)具，具有功能廣泛、驅(qū)動(dòng)功率大、適應(yīng)力強(qiáng)、適合丘陵地區(qū)油茶撫育作業(yè)等特點(diǎn)。

2 靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)方式選擇

1995年，零陵地區(qū)林科所和中南林學(xué)院共同研究發(fā)現(xiàn)，油茶要想早實(shí)豐產(chǎn)，必須適當(dāng)增加單位面積上的植株數(shù)量，2 m×3 m株行距、每畝110株、全林閉度0.5～0.6比較合理[6]。

為滿(mǎn)足上述株行距的要求，撫育機(jī)的基本參數(shù)設(shè)定為總寬1.2 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑小于3 m。

鑒于油茶適合在海拔700 m以下的丘陵山地栽培，丘陵山地大多地形復(fù)雜、行車(chē)?yán)щy，使得撫育機(jī)不僅要能夠正常行駛，而且要能夠充分發(fā)揮撫育功能，因此需要其具有強(qiáng)大的動(dòng)力。

采用傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)方式，在撫育機(jī)長(zhǎng)寬高的限制下機(jī)器很難擁有實(shí)現(xiàn)墾復(fù)、施肥等作業(yè)的強(qiáng)大動(dòng)力；機(jī)身笨重；實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；在制造精度不高時(shí)振動(dòng)和噪聲較大。而采用靜液壓驅(qū)動(dòng)方式的撫育機(jī)具有體積小、功率大的特點(diǎn)。靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的匹配特性及低速特性，可以保證在低速行走時(shí)依然處于最佳工作狀態(tài)；各部件安裝布置靈活，可使主機(jī)布局合理、擴(kuò)大功能、減小尺寸；易于實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)，使撫育機(jī)具有更大的牽引力。此外，撫育機(jī)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，變速范圍大，變速迅速、沖擊小、不中斷動(dòng)力；轉(zhuǎn)彎半徑小，制動(dòng)距離短，換向和制動(dòng)時(shí)間少，在行走期間可實(shí)現(xiàn)正反方向轉(zhuǎn)換，輔助作業(yè)時(shí)間短；操作靈活，操作人員舒適省力；維修保養(yǎng)只需保持液壓油清潔即可。

綜上所述，靜液壓驅(qū)動(dòng)是最佳選擇。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開(kāi)式系統(tǒng)是當(dāng)今液壓系統(tǒng)中最常用的回路系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠比較方便地用一個(gè)或一組公共液壓動(dòng)力源(施壓泵站)向眾多控制間組合執(zhí)行元件供能，有利于實(shí)現(xiàn)集成化、模塊化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。從技術(shù)層面上說(shuō)，這種系統(tǒng)的高低壓區(qū)域界限明晰，布置液壓油濾清、冷卻、排氣等方面的設(shè)施都比較方便，也比較容易在系統(tǒng)中設(shè)置那些只允許在背壓(即回油壓力)較低條件下工作的各種閥類(lèi)元件和其他附件，因此撫育機(jī)采用開(kāi)式系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 液壓系統(tǒng)的基本構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)對(duì)行走裝置及作業(yè)裝置分別供油，保證各支路的油壓，同時(shí)減小撫育機(jī)的體積，選用了雙聯(lián)泵。為實(shí)現(xiàn)較高的工作效率及較大的調(diào)速范圍，選擇了恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)行走液壓系統(tǒng)時(shí)，為使撫育機(jī)能夠在坡地作業(yè)，將發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵輸出的高壓油直接輸入到驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)的低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)設(shè)備行駛。由于撫育作業(yè)速度要求較低、牽引力需求較大，故采用并聯(lián)回路工作。當(dāng)輪子上的阻力不同時(shí)，并聯(lián)回路可自行分配相應(yīng)流量的油液進(jìn)入馬達(dá)，即具有差速功能。并聯(lián)回路如圖2所示。

在轉(zhuǎn)向及作業(yè)方面，采用優(yōu)先閥來(lái)保證撫育機(jī)可隨時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能，同時(shí)在作業(yè)臂附近安裝有快速接頭，以方便日后添加輔助作業(yè)臂，實(shí)現(xiàn)良好的功能拓展。

圖2 并聯(lián)回路

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

該油茶撫育作業(yè)機(jī)主要包括兩大部分，一是通用底盤(pán)，二是可換作業(yè)臂，油茶撫育作業(yè)機(jī)3D外形如圖3所示。

為實(shí)現(xiàn)該撫育機(jī)功能的多樣性，將陸續(xù)開(kāi)發(fā)一系列可換作業(yè)臂?，F(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種可換作業(yè)臂，其可實(shí)現(xiàn)挖坑和鉆孔功能。

該作業(yè)臂由立架、第一液壓缸、第二液壓缸、第一支臂、第二支臂、第三支臂、連接軸和連接臂組成，如圖4所示。

第一支臂和第二支臂分別設(shè)置在立架的兩側(cè)，

且它們的末端均與立架的上部連接，前部通過(guò)連接軸連接，第一液壓缸的末端與立架的上端連接，第一液壓缸活塞桿端部與連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第二液壓缸的末端也與立架的上端連接，第二液壓缸的活塞桿端部與連接臂的上端連接，連接臂的下端與第一液壓缸活塞桿的端部轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第三支臂末端與連接臂的上端轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

該作業(yè)臂能夠快速安裝在各種作業(yè)平臺(tái)上使用，具有很強(qiáng)的通用性能，作業(yè)臂的前端還能夠搭配各種作業(yè)器械配合使用。

通用底盤(pán)主要包括駕駛室、傳動(dòng)系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系，帶有挖掘臂和鉆孔臂的油茶撫育機(jī)如圖5、圖6所示。

圖3 油茶撫育作業(yè)機(jī)3D外形圖

圖4 作業(yè)臂

圖5 帶有挖掘臂的油茶撫育機(jī)

圖6 帶有鉆孔臂的油茶撫育機(jī)

4 小結(jié)

設(shè)計(jì)的油茶撫育機(jī)采用靜液壓驅(qū)動(dòng)方式，帶有可換作業(yè)臂，符合市場(chǎng)的需求。靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減小撫育機(jī)的體積、提高設(shè)備動(dòng)力、很好地適應(yīng)油茶的種植環(huán)境、降低機(jī)械的復(fù)雜程度和設(shè)備成本。該撫育機(jī)具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、油茶撫育作業(yè)成本低，以及通過(guò)更換作業(yè)臂可拓寬設(shè)備功用等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 莊瑞林.中國(guó)油茶[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2008：66-68.

[2] 李文林，黃鳳洪，王利賓.油茶籽加工和綜合利用研究進(jìn)展[J].中國(guó)油脂，2011，36(11)：55-57.

[3] 高磊，李靜，魏守興，等.油茶籽粕加工利用研究進(jìn)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013(23)：103-109.

[4] 聶海瑜.油茶籽的綜合利用[J].糧油加工與食品機(jī)械，2004(6)：39-41.

[5] 王瑞，陳永忠.我國(guó)油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及提升思路[J].林業(yè)科技開(kāi)發(fā)，2015，29(4)：6-10.

[6] 鄧東發(fā)，漆龍霖.油茶早實(shí)豐產(chǎn)技術(shù)的研究[J].湖南林業(yè)科技，1995(2)：9-13.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Design of a Full Hydrostatic Drive-based Camellia Oleifera Abel Tending Machine

QU Zhen-xing1，2，3， FAN Tao1，2，3， WANG De-zhu1，2，3， TANG Jing-yu1，2，3*

(1.Harbin Research Institute of Forestry Machinery，the State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China；2.Forestry New Technology Research Institute，the Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China；3.Forestry Machinery Engineering Technology Research Center，the State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China)

Camellia Oleifera Abel has a high economic value and a good market prospect.China is the origin and main cultivation area of Camellia Oleifera Abel，but to the problems with the cultivation environment of Camellia Oleifera Abel，the degree of mechanized operation involved in the cultivation of Camellia Oleifera Abel is low at the current stage，while the product cost is high.A Camellia Oleifera Abel tending machine is researched and developed，featuring the use of full hydrostatic drive technology，changeable operation arms，a small size and sufficient power，suitable for operation in hilly areas.

Camellia Oleifera Abel tending machine；hydrostatic drive；changeable operation arm；design

2017-03-06

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目“油茶撫育通用動(dòng)力作業(yè)機(jī)研究開(kāi)發(fā)”(CAFINT2014K08)

曲振興(1982—)，男，黑龍江人，國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所工程師，主要從事?tīng)I(yíng)林機(jī)械技術(shù)裝備及其智能化理論與應(yīng)用的研究，E-mail：qzx_2@163.com。

*通訊作者：湯晶宇(1980—)，男，黑龍江人，國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所副研究員，主要從事?tīng)I(yíng)林機(jī)械技術(shù)裝備及其智能化理論與應(yīng)用的研究，E-mail：hljtjy@163.com。

TS642

A

2095-2953(2017)04-0040-03