凯斯210拖拉机空气滤芯的应用设计与可靠性研发

傅东兴

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

随着我国综合国力的大幅提升，国民经济得到了显著的增强，国家对“三农”的扶持力度也空前加大，持续推动了我国现代农业的发展进程[1]，其中以大马力拖拉机为代表的耕作方式的发展是最为直观的体现。黑龙江省是全国的商品粮供应基地，承担着国家粮食安全的重任，农业产业化建设进程也在国家及地方的各项利农、惠农政策的大力扶持下迅速发展，大农业、大农机情形已经形成，现代农机专业合作社已遍布全省各乡镇及农场，小型个体性质的农机服务网点也已遍布至村屯，农耕的全面机械化作业形势已基本形成[2]。

黑龙江是我国农业大省，农业生产用地多，农机作业面积大、任务重，农机的保有量很大，近几年土地规模化种植发展迅速，以凯斯为代表的150 kW(200马力)以上拖拉机的应用越来越普遍，使用率越来越高。由于拖拉机作业环境恶劣，空气中含有大量的灰尘和砂石，杂质进入汽缸，在发动机运动过程中会造成汽缸磨损，需要对空气进行过滤后再进入汽缸，因此，需要定期对空气滤芯进行更换，但是由于凯斯210拖拉机汽缸尚未实现国产化替代，进口原厂件价格昂贵，粗滤芯和精滤芯的价格约为1 400 元·套-1左右[3]。该机空气过滤系统由粗滤芯和精滤芯两部分构成，粗滤芯套置于精滤芯的内部，组合到一起完成空气粗精过滤之后的净化。欧美进口的农业机械相比国产品牌农机价格高昂，进口农机的日常维修、保养、换件价格太过昂贵，导致农机作业成本提升，影响农户收益的同时也限制了进口农机的使用频次。为加快推动黑龙江省的农业现代化产业进程，提高进口农机具的使用效能，应该加快国产农业机械及配套设备的研制与发展。

针对以上问题，以黑龙江省农业机械工程科学研究院为技术依托，以凯斯拖拉机空气滤芯的国产化替代为目标，从结构设计、生产工艺、过滤精度、过滤效率、过流阻力、容尘量等方面进行研究和分析，对其易损件空气滤芯进行国产化替代方案的深入探讨，形成国产化的可行性替代方案，完成相关保养配件的国产化生产制造，有效降低保养成本，提高广大农机用户的收益，并通过田间试验进行验证。研究结果以期为提升我国农业生产效率及生产效益提供技术参考与优化方案。

1 拖拉机空气滤芯发展现状分析

1.1 微孔滤纸滤芯

目前，国内外关于拖拉机、汽车等空气滤芯生产企业较多，不同企业之间主要生产方向与生产水平也存在较大的差异，其中主要以美国HOLLINGSWORTH&VOSE(H&V)公司、德国MANN+HUMMEL公司在空气滤芯生产和研制中影响较大，并且在市场上具有一定的竞争力。在我国，K-100公司生产的空气滤芯也具有一定的市场竞争力。不同企业生产的空气滤芯技术参数如表1所示。

表1 不同企业生产空气滤芯技术参数

目前在汽车和拖拉机等中型车辆装备中使用最多的空气滤芯主要是经过酚醛树脂处理后的微孔滤芯，其强度、硬度和透气度等较高，机械性能较强，目前形成了以皮革纤维、植物纤维、人造纤维和动物纤维多元化的原料进行研制，因此，微孔滤芯成为目前应用最为广泛的空气滤芯之一。

1.2 无纺布滤芯

无纺布滤芯主要是使用化学纤维，根据实际需求对厚度进行任意选择，可以调整空气阻力，但是在实际使用过程中孔径设计较为困难，制作和生产成本较高，尚未得到广泛的应用与发展。

1.3 纤维滤芯

纤维滤芯是近年来发展的一种新型滤芯材料，能够在实现空气净化的同时高效吸收发动机工作时产生的噪声，我国长春汽车生产厂对其开展相关研究，结果表明，纤维滤芯具有过滤效果高、不易吸附灰尘和较小的空气阻力等应用优势，但是随着长时间的使用，使用寿命较短，长期使用成本较高。

1.4 复合滤芯

复合滤芯主要是指在传统滤纸滤芯中增加一层纤维结构，形成一种新型复合滤芯，可以实现较高的过滤效率，但是会增加其灰尘吸附能力，需要定期进行清洗，防止发生滤芯堵塞等问题。

2 凯斯210拖拉机应用特点

凯斯210拖拉机内置高性能CaseIH发动机，可以提供可靠的动力来源。高压共轨柴油技术与电子燃油管理技术结合，能够确保拖拉机为不同农业生产形式提供良好经济经济性。共轨燃油系统可提供的燃油量能同时满足拖拉机燃油经济性和性能的需求。

2.1 发动机动力管理

发动机动力管理(EPM)能够额外输出高达27 kW(37马力)的功率，将拖拉机工作性能提升高达22%，并且对公路运输、液压和PTO作业都适用，高达13 kW(CV)的额外功率可以通过调节油门降低发动机转速至1 900/2 000 r·min-1获得额外10%的性能提高。凯斯210拖拉机发动机体积小巧，拥有极小的转弯半径。其中，动态挡泥板使拖拉机转向角增加30%，为拖拉机转弯提供便捷操纵性。最小转弯半径自动四轮驱动和差速锁可自动分离与结合，如在急拐弯时、制动时，可以提供气动或液压拖车制动器以方便与大型拖车联合工作。

2.2 操作便捷

CVT变速器始终保持非常高的机械驱动比例，能够最大限度地提高功率输出。90%以上的机械驱动即可应对农业生产作业的重型牵引、快速钻井或拖曳作业，能够确保平滑换挡，而且该驱动不会中断，具有更加优越的加速性能和更高的燃料效率。

2.3 具有更好的人机工程

凯斯210拖拉机采用可调MULTICONTROLLER扶手，该Multicontroller扶手设计完美，完全符合人体工学，而且还配备了一个控制拖拉机液压系统的全集式操纵杆，方便驾驶员在复杂的田间环境中操作和较高的机械输入。拥有人性化驾驶室，在田间工作时可以提供360°全景视野，为驾驶员提供平稳的操控环境。另一方面，创新采用CaseIHAFSPro700彩色触屏显示器，用于监测、控制CaseIH机车和导航系统，实现记录数据(应用的数据)，或预定方案种植等，以便用于精耕应用程序，因此，是目前我国应用最为广泛、性能较为优越的拖拉机类型之一。

2.4 发动机滤芯价格昂贵

凯斯210拖拉机空气过滤系统由粗滤芯和精滤芯两部分构成，粗滤芯套置于精滤芯的内部，组合实现拖拉机发动机的空气净化。美国凯斯210拖拉机的保养周期约为每工作200 h保养一次，其中空气滤芯的更换是首要工作，但未实现国产化替代，进口原厂件价格昂贵，粗滤芯和精滤芯的价格约为每套1 400元左右，因此，保养和维修费用较高，大部分农户难以接受高昂的费用。

3 性能试验与结果分析

3.1 试验材料与方法

与河北省衡水市约翰过滤器材有限公司合作，按技术图纸及原件实物加工制作了10套国产化样件产品。试制样件的精滤芯滤纸采用了国内外合资厂独家生产的HA型高精度空气滤纸材料进行替代试制，粗滤芯滤纸采用国产的低精度空气滤纸进行安全芯替代试制。

3.2 测定指标与方法

测定指标参考QC/T32—2017《汽车用空气滤清器试验方法》、QC/T32—2006《汽车用空气滤清器性能试验方法》、ISO5001—2014《内燃机和空气压缩机用进气空气滤清器性能试验》、ISO12103-1 A2 FINE T.D.《道路交通工具——用于滤清器评估的试验粉尘》。

3.3 结果与分析

3.3.1 标况阻力

在额定流量为1 385 m3·h-1、工况大气压力为98.496～98.525 kPa的条件下，将试制的精滤芯样件与原件的标况阻力检测数据进行对比，研究结果如图1所示，数据统计结果如表2所示。研究结果表明，试制的精滤芯样件与原件性能接近度较高，试制的精滤芯样件仅高于原件标况阻力11.31%～21.23%。

图1 不同样品在不同流量下标况阻力变化曲线

表2 试制样件与原件标况阻力结果统计

3.3.2 工作性能

根据《空气滤清器测试报告》的测试结果，将试制的精滤芯样件与原件的初始效率、全寿命效率、容尘量检测数据进行对比，研究结果如表3所示。

表3 试制样件与原件工作性能结果对比

4 效益分析

4.1 经济效益

凯斯210拖拉机空气滤芯组国产化替代后，其批量生产制造的成本在120元左右。一般情况下，从原厂进口的凯斯210拖拉机空气滤芯组在国内售价为1 200～1 400元之间，保养换件费用很高。因此，形成国产化替代生产以后，可以显著降低农机用户的换件成本，经济效益将十分明显。

4.2 社会效益

凯斯210拖拉机空气滤芯组产品样件已试制成功，经过数据试验和上机试验结果对比，全负荷状态下使用寿命和使用效力接近于进口滤芯，已经可以进行国产化替代。国产化生产后该维护保养配件的供货期及时，价格下降90%，能有效保障凯斯210拖拉机的作业效能。并且该件的生产制造工艺简单，现有的国内制造能力完全具备批量生产条件。美国进口的凯斯210拖拉机的市场保有量很大，市场推广应用前景广阔，社会效益非常显著。

5 结论

1)本研究提出的粗滤芯为安全芯，主要起保护作用，可以直接投入使用，实现国产化替代。

2)本研究提出的精滤芯为主滤芯，样件试制成功，并且通过春、秋两季的上机试验，发动机的能耗没有增加，动力性能没有下降，使用寿命能满足生产要求，已经完全可以用于国产化替代。

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