夏長(zhǎng)高，楊 賦，魏 婕

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

多功能作業(yè)機(jī)是多功能粉碎旋耕機(jī)的簡(jiǎn)稱，它用粉碎裝置將農(nóng)作物的整秸稈、高留茬或根茬粉碎還田的同時(shí)，進(jìn)行土地旋耕作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了秸稈還田和土地旋耕聯(lián)合作業(yè)，極大地滿足了目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求[1]。傳動(dòng)系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給行駛機(jī)構(gòu)和工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是多功能作業(yè)機(jī)的主要組成部分。傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)劣很大程度上決定整機(jī)工作性能和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，因此合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置具有極其重大的意義。

目前，常見的多功能作業(yè)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用純機(jī)械式傳動(dòng)，通過齒輪、皮帶、鏈條等機(jī)械零件傳遞動(dòng)力和控制，存在傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[2]；但由于多功能作業(yè)機(jī)在田間轉(zhuǎn)彎時(shí)需要頻繁的分離前后動(dòng)力輸出，現(xiàn)有的機(jī)械傳動(dòng)極為不方便[3]。鑒于這一缺點(diǎn)，本文提出了一種底盤全液壓行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)

1.1 多功能作業(yè)機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)

多功能作業(yè)機(jī)由秸稈粉碎裝置、駕駛室、自走式底盤、旋耕裝置組成，如圖1所示。

1.2 傳統(tǒng)多功能作業(yè)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)介紹

多功能作業(yè)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力輸出主要分為3部分:行走系統(tǒng)、前動(dòng)力輸出系統(tǒng)、后動(dòng)力輸出系統(tǒng)。行走系統(tǒng)輸出動(dòng)力帶動(dòng)車輪行走，前動(dòng)力輸出系統(tǒng)帶動(dòng)粉碎裝置工作，后動(dòng)力輸出系統(tǒng)帶動(dòng)旋耕裝置工作。傳統(tǒng)的多功能作業(yè)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)方案，如圖2所示。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶輪傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)輪連接，前后動(dòng)力輸出系統(tǒng)通過齒輪傳動(dòng)分別連接整地播種機(jī)和秸稈還田機(jī)。

1.秸稈粉碎裝置 2.駕駛室 3.自走式底盤 4.旋耕裝置圖1 多功能作業(yè)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of multi function machine

1.前動(dòng)力輸出 2.行走驅(qū)動(dòng)皮帶輪 3.動(dòng)力輸出換擋齒輪 4.后動(dòng)力輸出圖2 多功能作業(yè)機(jī)原傳動(dòng)方案Fig.2 Original transmission scheme of multifunctional operation machine

傳統(tǒng)多功能作業(yè)機(jī)田頭操作程序[4]：

1)分離主離合器，適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

2)切斷前動(dòng)力輸出軸動(dòng)力，提升秸稈還田機(jī)到運(yùn)輸位置；

3)切斷后動(dòng)力輸出軸動(dòng)力，提升整地播種機(jī)到運(yùn)輸位置；

4)接合主離合器，將多功能作業(yè)機(jī)調(diào)頭行駛到下一個(gè)作業(yè)位置，分離主離合器；

5)降低整地播種機(jī)到作業(yè)位置，接合后動(dòng)力輸出軸動(dòng)力；

6)降低秸稈還田施肥機(jī)到作業(yè)位置，接合前動(dòng)力輸出軸動(dòng)力；

7)接合主離合器，開始下一幅作業(yè)。

由此可見，傳統(tǒng)多功能作業(yè)機(jī)田頭操作程序操作比較復(fù)雜，容易引起誤操作，生產(chǎn)效率較低。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)

針對(duì)以上問題，對(duì)多功能作業(yè)機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的動(dòng)力傳動(dòng)方案如圖3所示。改進(jìn)主要是將多功能作業(yè)機(jī)的行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)改為液壓傳動(dòng)，改進(jìn)后動(dòng)力輸出傳動(dòng)路線的切斷與接合與行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)關(guān)。

1.發(fā)動(dòng)機(jī) 2.雙作用離合器 3、11.濕式離合器 4、19.變量泵 5、18.補(bǔ)油泵 6、17.安全閥 7、16.驅(qū)動(dòng)輪 8、15.輪邊減速裝置 9、14.變量泵 10、13.沖洗閥 12.后動(dòng)力輸出裝置 20.濾油器 21.前動(dòng)力輸出裝置圖3 多功能作業(yè)機(jī)全液壓行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

各個(gè)工況下離合器接合與斷開的情況，如表1所示。

表1 各種工況下離合器工作情況

續(xù)表1

具體操作程序如下所述。

1)正常行駛工況下：離合器2接合，離合器3、11松開，即發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)左右變量泵，經(jīng)左、右變量馬達(dá)傳遞動(dòng)力到輪邊減速裝置，再經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)左右輪帶動(dòng)多功能作業(yè)機(jī)行走。

2)粉碎、行駛工況：離合器2、3接合，離合器11松開。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力不僅傳遞至左右車輪，還要輸出到前動(dòng)力輸出軸，帶動(dòng)粉碎裝置工作。

3)旋耕、行駛工況：離合器2、11接合，離合器2松開，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞至左右車輪和后動(dòng)力輸出軸，帶動(dòng)旋耕裝置工作。

4)粉碎、旋耕、行駛工況：離合器2、3、11接合，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力遞至左右車輪、前動(dòng)力輸出軸、后動(dòng)力輸出軸，粉碎裝置和旋耕裝置同時(shí)工作。

5)制動(dòng)工況：離合器2、3、11斷開。

1.3 行駛液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

傳動(dòng)系統(tǒng)總體方案采用液壓行駛驅(qū)動(dòng)方式。其中，變量泵不僅是液壓能源也是主要的控制部件。通過調(diào)整變量泵斜盤的傾斜角度和傾斜方向來改變液流的流量和方向，從而改變液壓馬達(dá)輸出速度的大小和方向，實(shí)現(xiàn)多功能作業(yè)機(jī)的前進(jìn)、后退和調(diào)速[5]。系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)安全閥，當(dāng)負(fù)載逐漸增加時(shí)，迫使系統(tǒng)壓力逐步上升，上升到安全閥調(diào)定壓力時(shí)，安全閥打開，液壓泵輸出的液壓油經(jīng)安全閥直接流入低壓回路，系統(tǒng)壓力不再上升。液壓馬達(dá)的輸出扭矩同系統(tǒng)壓力成正比，如輸出扭矩不能有效驅(qū)動(dòng)外載荷，液壓馬達(dá)將停止轉(zhuǎn)動(dòng)；但液壓泵仍可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出的液壓油經(jīng)安全閥流回油箱，防止發(fā)動(dòng)機(jī)因過載而熄火或者損壞，從而保證了液壓系統(tǒng)的工作安全可靠[6]。

2 液壓關(guān)鍵元件的選型與設(shè)計(jì)

2.1 多功能作業(yè)機(jī)作業(yè)要求

多功能作業(yè)機(jī)行走裝置不僅要滿足在秸稈還田、旋耕播種等不同作業(yè)條件下的速度和負(fù)荷要求，而且要滿足其在道路上高速運(yùn)輸?shù)囊?。其整機(jī)結(jié)構(gòu)主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 多功能作業(yè)機(jī)主要性能參數(shù)

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)的選型

多功能作業(yè)機(jī)為多系統(tǒng)車輛，需要在行走和作業(yè)兩種工況下工作：在行走工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率主要用于行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)；在作業(yè)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率同時(shí)分配給行走系統(tǒng)與作業(yè)系統(tǒng)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)不小于兩者工作狀態(tài)下各自最大阻力功率的最大值[7]，即

Pe≥max{PXZmax,PGZmax}

(1)

行走工況下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率全部用于驅(qū)動(dòng)車輛靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大負(fù)載功率即為最大行駛車速時(shí)的行駛阻力功率PXZmax。由于多功能作業(yè)機(jī)車速較低，故在計(jì)算時(shí)可忽略空氣阻力功率和加速阻力功率，則

(2)

其中，u1為最大行駛速度(km/h)；f為滾動(dòng)阻力因數(shù)；η為多功能作業(yè)機(jī)行走效率。

田間作業(yè)工況下的最大功率PGZmax主要由車輛行走系統(tǒng)消耗的最大阻力功率Pfmax、秸稈粉碎消耗的功率Pxmax和旋耕工作裝置消耗的功率Pkmax3部分組成，因此整機(jī)的功率平衡滿足下式的關(guān)系，即

PGZmax=Pfmax+Pkmax+Pxmax

(3)

其中

Pfmax=(Ff+Fp+Ft)×u2

(4)

Pkmax=0.1Kλhu2B

(5)

(6)

其中，K為土壤比阻(N/cm2)；h為耕深(cm)；B為耕幅(m)；u2為最大作業(yè)速度(km/h)；Kλ為旋耕比阻(N/cm2)；Fs為秸稈單位長(zhǎng)度的切削阻力(N)；a為進(jìn)料口寬度(m)；b為進(jìn)料口高度(m)；n為動(dòng)刀的轉(zhuǎn)速(r/min)；k為動(dòng)刀數(shù)量。

由以上公式可計(jì)算出：PXZmax=22kW，PGZmax=104kW。通過比較多功能作業(yè)機(jī)在爬坡行駛時(shí)的負(fù)載功率和田間工作時(shí)的負(fù)載功率，則發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率Pe應(yīng)不小于7.1kW，才能保證多功能作業(yè)機(jī)正常工作。根據(jù)以上要求，并且參考現(xiàn)有旋耕播種機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇，選取上柴SC9DK200G3,額定功率為147kW。

2.3 液壓泵/液壓馬達(dá)的選型

液壓泵/液壓馬達(dá)的選型采用角功率法，即從使車輛要求的最大轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速出發(fā)，使馬達(dá)角功率和車輛角功率相吻合來選定馬達(dá)排量的規(guī)格，并以此作為后續(xù)匹配的基礎(chǔ)。減速器應(yīng)與馬達(dá)參數(shù)相互匹配，然后根據(jù)馬達(dá)規(guī)格計(jì)算泵規(guī)格[8]。

根據(jù)角功率計(jì)算式(7)，可得整個(gè)行走系統(tǒng)所需要的角功率Pjj為

(7)

單個(gè)液壓馬達(dá)的角功率

(8)

由式(8)可知：滿足車輛行走車速要求的最大馬達(dá)排量和最高匹配轉(zhuǎn)速的關(guān)系應(yīng)滿足

(9)

減速裝置應(yīng)同時(shí)滿足最大輸出轉(zhuǎn)矩、速比和最大轉(zhuǎn)速的要求，即

(10)

其中，Mkmax為行走裝置最大輸出扭矩，計(jì)算公式為

(11)

(12)

(13)

行走液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)分動(dòng)箱傳動(dòng)比計(jì)算公式為

(14)

液壓泵參數(shù)計(jì)算的條件為滿足最大流量的要求，即

(15)

綜上，參照力士樂變量柱塞泵系列產(chǎn)品樣本，選用A6V55型斜軸式變量柱塞馬達(dá)，A7V107型變量柱塞泵。終端機(jī)械減速裝置速比26.96，行走液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)分動(dòng)箱傳動(dòng)比為0.88。

3 液壓行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

3.1 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)確定的多功能作業(yè)機(jī)行駛液壓驅(qū)動(dòng)的總體方案，利用AMEsim軟件對(duì)多功能作業(yè)機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建立液壓模型，仿真模型如圖4所示。

圖4 全液壓行駛驅(qū)動(dòng)仿真模型Fig.4 Simulation model of full hydraulic driving

根據(jù)第2章的匹配計(jì)算的結(jié)果，對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要元件的主要性能參數(shù)設(shè)置，如表3所示。

表3 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型參數(shù)

3.2 仿真分析

圖5和圖6分別為行駛速度曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩曲線。由此可見：采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后，多功能作業(yè)機(jī)從靜止加速到正常行駛速度8m/s所需時(shí)間在2s左右，低于傳統(tǒng)作業(yè)機(jī)的加速時(shí)間，即新設(shè)計(jì)的多功能作業(yè)機(jī)較傳統(tǒng)機(jī)具有更好的起步加速性能；加速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大扭矩在465N·m左右，勻速階段，由于負(fù)載較小，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩為35N·m。

在10s時(shí)刻，設(shè)置前、后動(dòng)力端同時(shí)工作，即此時(shí)多功能機(jī)同時(shí)進(jìn)行粉碎和旋耕，其等效扭矩分別設(shè)置為200N·m和800N·m。由于突加了工作負(fù)荷，同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率限制，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，由此造成行駛速度由8m/s降至7.7m/s，滿足了田間作業(yè)要求。

由圖5、圖6還可以看出：采用液壓行駛驅(qū)動(dòng)方案后，在多功能機(jī)正常行駛時(shí)，可以直接結(jié)合前、后動(dòng)力端動(dòng)力，其操作簡(jiǎn)單，省去了傳統(tǒng)機(jī)許多繁瑣的操作程序。

圖5 速度曲線Fig.5 Velocity curve

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩曲線Fig.6 Output torque curve of engine

4 結(jié)論

1)改進(jìn)后動(dòng)力輸出傳動(dòng)路線的切斷與接合與行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)關(guān)，田頭轉(zhuǎn)彎時(shí)操作更方便。

2)采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后，多功能作業(yè)機(jī)較傳統(tǒng)機(jī)具有更好的起步加速性能。

3)采用新設(shè)計(jì)的方案后， 在多功能機(jī)正常行駛

時(shí)，可以直接結(jié)合前、后動(dòng)力端動(dòng)力，其操作簡(jiǎn)單，省去了傳統(tǒng)機(jī)許多繁瑣的操作程序。

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