袁守利，陳 昌，董 柯

(武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

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3WPZ-500自走式噴桿噴霧機液壓系統(tǒng)設計

袁守利，陳 昌，董 柯

(武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

以3WPZ-500自走式噴桿噴霧機的液壓系統(tǒng)為研究對象，進行液壓系統(tǒng)設計及液壓元件選型，并對部分元件進行設計計算和校核。利用AMESim建立噴桿噴霧機液壓系統(tǒng)模型，通過設置模型參數，對該系統(tǒng)進行仿真分析，驗證了所設計系統(tǒng)及所選元器件的合理性，為噴桿噴霧機液壓系統(tǒng)的設計優(yōu)化提供了新方法。

噴桿噴霧機；液壓系統(tǒng)；AMESim

噴藥作業(yè)對勞動者體力消耗大，且有毒藥物極易危害勞動者身體健康。高性能噴桿噴霧機的研制，對提高農藥利用率、節(jié)約用水、提高作業(yè)效率和施藥安全性具有重要意義[1]。筆者所設計的3WPZ-500型自走式噴桿噴霧機采用全液壓技術，有效地解決了小麥、水稻、棉花等農作物生長中后期施藥作業(yè)難的問題。

1 整車機構組成及技術要求

3WPZ-500自走式噴桿噴霧機整車結構如圖1所示，該型噴桿噴霧機包括行走系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、輪距可調系統(tǒng)及噴桿升降折疊系統(tǒng)。

1—行走馬達；2—輪距可調系統(tǒng)；3—轉向系統(tǒng)；4—藥箱；5—噴桿升降系統(tǒng)；6—噴桿折疊系統(tǒng)；7—駕駛室圖1 3WPZ-500自走式噴桿噴霧機整車結構圖

根據噴桿噴藥機的實際工作要求，設計噴霧機的主要性能參數如表1所示。

表1 3WPZ-500自走式噴桿噴霧機主要性能參數

2 自走式噴桿噴霧機液壓系統(tǒng)設計

2.1 行走系統(tǒng)液壓設計

液壓系統(tǒng)設計在滿足工作性能和工作可靠性要求的前提下，力求使系統(tǒng)結構簡單、成本低、效率高、操作維護方便、使用壽命長[2]。

1—發(fā)動機；2—變量泵；3—補油單向閥；4—安全閥；5—補油泵；6—過濾器；7—沖洗閥；8—分流閥；9—補油溢流閥；10—左前輪行走馬達；11—右后輪行走馬達圖2 閉式行走系統(tǒng)液壓原理圖

靜液壓傳動技術是現代農業(yè)機械發(fā)展的標志之一。靜液壓傳動比其他傳動方式更適合應用在傳動線路比較復雜、低速行走的機械中。作為車載液壓系統(tǒng)，考慮到整車載重，且布置空間有限，該噴桿噴霧機的行走采用閉式系統(tǒng)控制。行走系統(tǒng)的原理如圖2所示。液壓行走系統(tǒng)由一個變量柱塞雙聯泵和4個定量馬達組成(圖2只畫出一泵兩馬達)，其中變量泵既是液壓能源又是主要的控制組件。斜盤式變量柱塞泵的流量與驅動轉速及排量成正比，且可以無級調速，通過控制操縱手柄調節(jié)變量泵斜盤的角度來改變泵的流量和壓力油的方向，從而改變馬達的轉速和旋轉方向，實現行駛速度調節(jié)。液壓油從液壓馬達直接回到泵，考慮到液壓油的漏損，在變量泵上附設一個小排量補油泵，假設油箱中的液壓油由補油泵5通過補油單向閥3向主油路低壓側補油，以補償系統(tǒng)泄漏的流量?；芈窙_洗閥7集成在液壓馬達中，其作用是通過冷熱油交換實現液壓系統(tǒng)散熱，同時保持低壓壓力。

在雙泵四馬達液壓行走系統(tǒng)中，為保證快速行駛時的安全穩(wěn)定性，各驅動輪轉速必須保持一致。該行走系統(tǒng)采用交叉式油路布置，即一個變量泵帶動左前輪馬達10和右后輪馬達11，并由分流閥8來保證通過兩個馬達的流量一致，從而使得兩個馬達的轉速相等。

2.2 轉向系統(tǒng)液壓設計

轉向系統(tǒng)液壓原理如圖3所示。為保證噴霧機能在惡劣的條件下正常高效地工作，其應能實現四輪轉向功能[3]。前軸左右輪分別由兩個并聯的液壓缸控制實現轉向，后軸兩輪則由兩根縱向拉桿實現與前軸同步轉向。齒輪泵1提供的液壓油能同時供給轉向液壓系統(tǒng)和其他工作部件液壓系統(tǒng)，通過優(yōu)先閥保證優(yōu)先滿足轉向液壓系統(tǒng)所需的液壓油量。

1—齒輪泵；2—優(yōu)先閥；3—全液壓轉向器；4—左前輪轉向油缸；5—左后輪轉向油缸圖3 轉向系統(tǒng)液壓原理圖

2.3 噴桿升降、展開系統(tǒng)液壓設計

噴桿的升降、展開功能均用液壓系統(tǒng)來實現，其液壓原理如圖4所示。

1—齒輪泵；2—電磁換向閥；3—液壓鎖；4—單向節(jié)流閥；5—升降液壓缸；6—折疊與展開液壓缸圖4 噴桿升降、展開系統(tǒng)液壓原理圖

3 噴霧機液壓系統(tǒng)計算及元件選擇

3.1 閉式行走系統(tǒng)選型及計算

(1)行走馬達。在為車輛行走系統(tǒng)選擇馬達時，需要考慮車輛的基本參數來確定馬達的最高轉速及最大需求扭矩。根據技術要求，已知整機質量(滿載)m=1 420 kg；輪胎半徑r=452.5 mm；滾動阻力系數f=0.05；最大爬坡度α=20°?？紤]到后期液壓元件的布置會增加車重，且設計之初應留有余量，選擇整機質量m=2 000 kg進行計算。則設計牽引力為：

Ft=G·sinα+G·f·cosα=7 624 N

最大扭矩為：

馬達的輸出扭矩為：

式中:ηx為行走機構的效率(考慮到滑轉)；r為驅動輪的滾動半徑(不考慮輪胎變形)；n=4為馬達數量；iM為傳動比；ηM為傳動效率。該噴霧機采用低速大扭矩馬達，直接驅動車輪，無機械減速機構，故iM、ηM均取1。整機要求最快車速v0=20 km/h,則輪胎的最高轉速為:

根據上述計算結果，結合噴桿噴霧機行走系統(tǒng)扭矩大、轉速低、低速平穩(wěn)性良好的特點，選用聯眾液壓HDM系列馬達，馬達型式為重載荷擺線液壓馬達。其基本技術參數如表2所示：

表2 行走馬達基本技術參數

(2)變量泵。馬達最大輸入流量為：

根據計算結果，結合閉式行走系統(tǒng)及所選馬達的特點，選擇丹佛斯40系列軸向柱塞變量泵，其工作方式為靜液壓閉式系統(tǒng)，其基本技術參數如表3所示。

表3 變量泵基本技術參數

(3)各元件匹配計算。閉式液壓系統(tǒng)中，液壓泵所需驅動功率為[4]：

P補V補]=24.4 kW

式中：P主為主泵出油口壓力；P補為補油泵提供的補油壓力；V主為主油泵的排量；V補為補油泵的排量；np為泵的轉速，等于發(fā)動機額定轉速，取2 200 r/min。

變量泵的輸入扭矩為：

根據以上計算，得出雙聯泵的功率為48.8 kW。已知發(fā)動機輸出功率Ne=40 kW，輸出最大扭矩Me=135 N·m，根據以上計算結果可知：Mp=105.8 N·mNe=40 kW。這說明變量泵需要進行功率適應控制，即DA控制來調節(jié)功率與發(fā)動機匹配。

泵的最大輸出流量為：

式中，ηpv為泵的容積效率，取0.96，則Qmax即為馬達的最大輸入流量。

泵在最大排量時，馬達的轉速為：

則nmi=238 r/min小于馬達最大轉速570 r/min。

由輪胎半徑r=452.5 mm，可得車速vL為：

式中，ηL為輪胎壓縮系數，筆者不考慮輪胎變形，故取1。

該狀態(tài)下馬達的輸出扭矩為：

泵的最大牽引力為：

根據計算結果可知，Fti>Ft，故滿足整機設計牽引力的要求。

3.2 液壓缸選型及計算

(1)轉向油缸。轉動轉向輪系時的總力矩T為[5]：

式中：W為轉向橋所承受的質量，取710 kg；f為輪胎與地面的摩擦系數，取0.3；K1為系數，取0.01；B為輪胎名義寬度；E為偏心距噴桿噴霧機滿載時的質量為1 420 kg。

4 基于AMESim液壓系統(tǒng)建模仿真

AMESim是基于直接圖形接口的模擬軟件，模擬過程直觀可靠，在整個仿真過程中系統(tǒng)可以顯示在環(huán)境中[6]。筆者應用AMESim軟件建立噴桿噴霧機液壓系統(tǒng)的仿真模型，對所設計的液壓系統(tǒng)進行驗證，并對所選液壓元件的合理性提供有效依據。

4.1 行走系統(tǒng)仿真分析

在AMESim草圖模式下，根據行走系統(tǒng)液壓原理圖，搭建如圖5所示行走系統(tǒng)的AMESim模型。點擊首選子模型按鈕，讓AMESim自動為每個元件選擇所需要的最簡單的子模型[7]。點擊參數設置按鈕，具體參數如表4所示。

圖5 液壓行走系統(tǒng)仿真模型

表4 行走系統(tǒng)仿真參數設置

仿真時間設為10 s，仿真間隔設為0.01 s，點擊仿真按鈕進行仿真。得到行走馬達流量與壓力曲線如圖6所示，負載轉速與轉矩曲線如圖7所示。從圖7可以看出，負載轉速穩(wěn)定在126.2 r/min，扭矩為997.3 N·m，滿足系統(tǒng)輸出要求。

圖6 行走馬達流量與壓力曲線

圖7 負載轉速與扭矩曲線

4.2 其他系統(tǒng)仿真分析

輪距拓寬系統(tǒng)、噴桿升降系統(tǒng)及水泵馬達負載模型如圖8所示。輸入相應仿真參數，設置仿真時間為15 s，仿真間隔為0.01 s，得到液壓缸位移曲線，以及隔膜泵馬達轉速與扭矩曲線分別如圖9和圖10所示。

圖8 其他系統(tǒng)AMESim仿真模型

圖9 液壓缸位移曲線

圖10 隔膜泵馬達轉速與扭矩曲線

從仿真結果可以看出，液壓缸與水泵馬達相應參數均能滿足系統(tǒng)設計要求。

5 結論

筆者根據3WPZ-500自走式噴桿噴霧機的實際工作需要，設計了一套液壓系統(tǒng)以滿足其行走、轉向、拓寬及噴桿升降等功能，通過計算進行液壓系統(tǒng)的元件選型。運用AMESim軟件對該液壓系統(tǒng)進行建模仿真，然后對仿真結果進行分析，從仿真結果來看，整個液壓系統(tǒng)工作平穩(wěn)、性能可靠，符合實際要求，為噴桿噴霧機的液壓系統(tǒng)優(yōu)化設計提供了一種新方法。

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YUAN Shouli:Assoc. Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Hydraulic System Design of 3WPZ-500 Self-propelled Boom Sprayer

YUANShouli,CHENChang,DONGKe

A hydraulic system of 3WPZ-500 self-propelled boom sprayer was taken as the research object. The hydraulic system was designed and the hydraulic components were selected. And parts of the components were designed, calculated and checked at the same time. A hydraulic system model of the boom sprayer was built based on AMESim. Simulation analysis was preceded for this system by setting up the model parameters. The rationality of the system was verified. It provides a new design method for hydraulic system of boom sprayer.

boom sprayer; hydraulic system; AMESim

2015-07-22.

袁守利(1966-)，男，湖北武漢人，武漢理工大學汽車工程學院副教授.

2095-3852(2015)06-0855-05

A

S224.3

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.042