陳恒峰，郭 輝,2，呂全貴，徐志強(qiáng)，高國民

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計實(shí)驗室重點(diǎn)實(shí)驗室，烏魯木齊 830052)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、地域城鎮(zhèn)化的穩(wěn)步推進(jìn)和人口老齡化的日益嚴(yán)重、農(nóng)業(yè)種植業(yè)的勞動力越來越少，用工成本不斷增加，迫使農(nóng)業(yè)種植業(yè)從原有的低機(jī)械使用率、高人工的小農(nóng)生產(chǎn)模式向使用大型機(jī)械化、智能控制的聯(lián)合收割機(jī)生產(chǎn)的方式轉(zhuǎn)變。聯(lián)合收割機(jī)在新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式中占有重要地位，而我國現(xiàn)有的大部分聯(lián)合收割機(jī)的驅(qū)動行走系統(tǒng)是純機(jī)械皮帶輪傳動方式，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜及皮帶高溫工作容易出現(xiàn)打滑、磨損、斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致傳動精度低、工作效力低、維護(hù)不方便、駕駛工作環(huán)境的舒適度差，無法滿足精確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求[1]。

目前，國際先進(jìn)水平的聯(lián)合收割機(jī)驅(qū)動行走系統(tǒng)是以液壓傳動代替純機(jī)械皮帶輪傳動方式，具有液壓元件位置布局靈活方便、控制反應(yīng)靈敏、系統(tǒng)回路清晰、便于使用及后期維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。同時，液壓傳動容易實(shí)現(xiàn)智能化控制，有利于實(shí)現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)環(huán)保社會發(fā)展。因此，液壓傳動代替純機(jī)械皮帶輪傳動方式將成為農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的趨勢與潮流[2]。

1 聯(lián)合收割機(jī)驅(qū)動行走系統(tǒng)

新疆C-2型聯(lián)合收割機(jī)使用的是純機(jī)械皮帶輪傳動方式驅(qū)動行走系統(tǒng)，因為皮帶輪長期在惡劣的環(huán)境中工作容易發(fā)生老化現(xiàn)象，導(dǎo)致打滑、磨損、斷裂，且維護(hù)不方便，嚴(yán)重影響工作效率，導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下。為此，在滿足生產(chǎn)技術(shù)要求基礎(chǔ)上，以新疆C-2型聯(lián)合收割機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行深度改進(jìn)，設(shè)計了一種液壓驅(qū)動行走系統(tǒng)。

新疆C-2型聯(lián)合收割機(jī)為前橋帶輪式無級變速驅(qū)動行走系統(tǒng)，設(shè)計液壓驅(qū)動行走系統(tǒng)的方案為：變量泵+定量馬達(dá)+輸出變速箱的傳動模式。此方案的優(yōu)點(diǎn)：輸出變速箱能夠提供大范圍的傳動比，并在各變速擋位中輸出穩(wěn)定的扭矩；同時，可以選擇高速低扭的馬達(dá)與之搭配工作，高速低扭的馬達(dá)相對體積小，節(jié)省布置空間，減輕整體系統(tǒng)的質(zhì)量。此種配置方案保留現(xiàn)有機(jī)型的變速箱，僅對底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限的改動，使液壓驅(qū)動行走系統(tǒng)相對傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動方式雖然價格有所增加，但在性能上卻有本質(zhì)的飛躍，達(dá)到更新?lián)Q代的效果。

聯(lián)合收割機(jī)驅(qū)動行走系統(tǒng)采用靜液壓無級變速。壓驅(qū)動行走系統(tǒng)組成為：主泵驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部回路帶動高速低扭馬達(dá)，馬達(dá)聯(lián)軸器傳動輸出力矩驅(qū)動輸出變速箱；補(bǔ)油泵和兩位兩通中位閥組成輔助工作回路，補(bǔ)償系統(tǒng)的內(nèi)泄漏及進(jìn)行油液降溫，如圖1所示[3-5]。

2 驅(qū)動行走系統(tǒng)的元件的設(shè)計與計算[6-7]

由于此次的設(shè)計是基于新疆C-2型聯(lián)合收割機(jī)為基礎(chǔ)的深度設(shè)計，需保證其基本性能參數(shù)，將機(jī)械傳動改為靜液壓驅(qū)動，其主要參數(shù)如表1所示。

1、14.過濾器 2.定量泵 3、11、12.單向閥 4.雙向變量泵 5、6、7.溢流閥 8、9.兩位兩通中位閥 10.定量馬達(dá) 13.冷卻器

項目名稱參數(shù)指標(biāo)車輛驅(qū)動系統(tǒng)前輪兩驅(qū),后輪轉(zhuǎn)向變速箱I擋傳動比144行駛速度3.39km/h空倉質(zhì)量4360kg滿載質(zhì)量5400kg驅(qū)動輪半徑0.608m工作地理環(huán)境平原化干燥地面

根據(jù)新疆C-2型聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計要求及工作性能指標(biāo)，經(jīng)過查閱書籍現(xiàn)將行駛力公式列出，即

F=FBed=Fl+4·FR+Fst+Fc

式中FR—單個車輪阻力；

FL—空氣阻力；

FST—坡道阻力(因為工作環(huán)境為平原化干燥地面為主，所以此參數(shù)不考慮)；

FC—加速阻力。

現(xiàn)將上式中的各個阻力拆分計算如下：

單個車輪阻力為

FR=FR,T+FR,pl=Fz,w·(kR,T+kR,pl)

式中FRT—車輪滾動阻力；

FR,PL—路面塑性變形引起的阻力；

FZ,W—輪載，取FZ,W=1 500kg；

K—系數(shù)，查表取k=0.35。

車輛空氣阻力為

式中p—空氣密度(1.29kg/m3)

UX±UL—車輛處于最大速度并完全逆風(fēng)時的氣流速度，此時取室外最大工作風(fēng)速15km/h，車輛迎風(fēng)工作3.39km/h，相加得18.39km/h (即5.1m/s)；

CW—車輛空氣阻力系數(shù)；

AL—車輛迎風(fēng)面積變化范圍，取最小值8.3m2。

機(jī)具加速阻力為

Fc=(ei·mv,u1,0+mzu)ax

式中ei—質(zhì)量系數(shù)，取ei=1.5；

mv,u1,0—空載車重，取mv,u1,0=4 360kg；

mZU—貨重，取mZU=1 000kg；

ax—平移加速度，取ax=0.6m/s2。

綜合上面的算結(jié)果，最終確定農(nóng)機(jī)具在工作時所受的最大阻力為

F=FBed=Fl+4·FR+Fst+Fc=30 861N

FR=20991.6N

液壓馬轉(zhuǎn)速為

Nm=V·i1/2·π·r

式中Nm—液壓馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)速；

i1—減速機(jī)構(gòu)傳動比；

r—驅(qū)動輪動力半徑。

現(xiàn)有參數(shù)I擋傳動比144，最大行駛速度3.39km/h，驅(qū)動輪半徑為0.608m；帶入?yún)?shù)V=3.39km/h,i1=144,r=0.68m，得Nm=1 908r/min。

液壓馬達(dá)驅(qū)動功率為

P=F·V

式中F—收割機(jī)牽引力；

V—收割機(jī)行駛速度。

帶入?yún)?shù)F=30 861N,V=0.942m/s，得p=29kW。

馬達(dá)扭矩為

式中P—液壓馬達(dá)驅(qū)動功率；

Nm—液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

帶入?yún)?shù)得Tw=145.6N·m,T靜=99 N·m。

馬達(dá)排量計算公式為

式中p1—液壓系統(tǒng)額定壓力；

Tw—馬液壓達(dá)扭矩；

Hm—機(jī)械效率，取Hm=0.8。

選擇系統(tǒng)額定工作壓力為16MPa, 帶入?yún)?shù)得q=71.4mL/r。

基于上計算結(jié)果與經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在液壓設(shè)計手冊中選擇馬達(dá)：GMG4-80型參數(shù)額定液壓16MPa,轉(zhuǎn)速2 000r/min,排量79.8ml/r，輸出轉(zhuǎn)矩228N·m。因為行走系統(tǒng)為靜液壓閉式系統(tǒng)，根據(jù)閉式系統(tǒng)的特點(diǎn)，主泵的總流量=1.2(系統(tǒng)損失系數(shù))×系統(tǒng)液壓馬達(dá)流量+輔助泵的流量(輔助泵的流量為系統(tǒng)中各馬達(dá)總流量的25%～30%，其作用為系統(tǒng)補(bǔ)充流量的同時進(jìn)行管路油液散熱作用)。因為發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在2 200～2 400r/min,其泵的流量為220～228L/min, 由上計算結(jié)果與經(jīng)驗數(shù)據(jù)在液壓設(shè)計手冊中選擇泵：GB-L120型額定液壓16MPa,轉(zhuǎn)速2 000r/min,排量120mL/r。仿真時不考慮系統(tǒng)的損失，變量泵的排量為99mL/r。

3 驅(qū)動行走系統(tǒng)的仿真

3.1 建立驅(qū)動行走系統(tǒng)模型

根據(jù)泵與馬達(dá)的參數(shù)及系統(tǒng)圖形的設(shè)計，可得系統(tǒng)主要仿真參數(shù)如下：

泵輸出速度/r·min-1：2 000

變量主泵排量/mL·r-1：99

馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速/r·min-1：2 000

馬達(dá)排量/mL·r-1：79.8

啟動馬達(dá)轉(zhuǎn)矩/N·m：99

正常馬達(dá)轉(zhuǎn)矩/N·m：146

溢流閥額定壓力/MPa：20

補(bǔ)油泵排量/mL·r-1：20

補(bǔ)油泵輸出速度/r·min-1：2 000

兩位兩通閥流量/L·min-1：40

兩位兩通閥設(shè)置：電流40mA,頻率20Hz，相對降壓16MPa

變量主泵信號：0～10s為1，10～20s為-1

補(bǔ)油泵信號：0～10s為1，10～20s為1

上位兩位兩通閥信號：0～10s為40，10～20s為0

下位兩位兩通閥信號：0～10s為0，10～20s為40

馬達(dá)轉(zhuǎn)矩信號：0～3s為0～9.9，3～10s為9.9～14.6，10～13s為0～-9.9，13～20s為-9.9～-14.6

馬達(dá)轉(zhuǎn)矩增益：10

根據(jù)液壓驅(qū)動行走系統(tǒng)原理與元件仿真參數(shù)，在AMESim仿真軟件中創(chuàng)建驅(qū)動行走系統(tǒng)仿真模型圖，如圖2所示。

1.液壓油 2.電機(jī) 3.補(bǔ)油泵 4、6、14.流量計 5.主泵 7、9.單向閥 8、10、11.溢流閥 12、13.兩位兩通閥 15.液壓馬達(dá) 16.模擬負(fù)載 17.轉(zhuǎn)矩儀器 18.轉(zhuǎn)矩加載器 19、20、21、22、24.分段線性信號源 23.增益

3.2 建立驅(qū)動行走系統(tǒng)回路及分析[8]

在AMESim中對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計、仿真運(yùn)算，得到液壓系統(tǒng)仿真回路中主要元件變量泵的流量曲線(見圖3)、輸出轉(zhuǎn)矩曲線(見圖4)、馬達(dá)的流量曲線(見圖5)、輸出轉(zhuǎn)矩曲線(如圖6)及馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速曲線(見圖7)。

圖3 變量泵流量曲線

圖4 變量泵輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖5 馬達(dá)的流量曲線

圖6 馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖7 馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速曲線

根據(jù)仿真圖形結(jié)果分析，在液壓驅(qū)動行走系統(tǒng)運(yùn)行0～20s時，車輛的運(yùn)行狀態(tài)為分為4個部分：0～3s從靜止到啟動，3～10s啟動后加速度階段，10～13s反向從靜止到啟動，13～20s啟動后加速度階段。由圖3～圖6變量泵與馬達(dá)的流量與輸出轉(zhuǎn)矩曲線及圖7馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速曲線可以得出：

1)在0～0.4s與10～10.4s區(qū)間是系統(tǒng)波動不穩(wěn)定狀態(tài)，運(yùn)行時間超出不穩(wěn)定區(qū)后流量與轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定，系統(tǒng)在滿載工作數(shù)值均小于設(shè)計數(shù)值。

2)在系統(tǒng)變方向時，系統(tǒng)中馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩的數(shù)值幅度成反向疊加狀態(tài)，表明馬達(dá)在此時受到巨大沖擊，容易損壞。為此，變量泵+定量馬達(dá)+輸出變速箱的傳動模式可以在不改變馬達(dá)運(yùn)行方向時，通過輸出變速箱改變車輛的運(yùn)行方向減小馬達(dá)的沖擊，延長系統(tǒng)的使用周期(變量泵的變向輸出可以作為應(yīng)急使用)。

3)在系統(tǒng)變方向時，變量泵的流量曲線顯示兩位兩通中位閥的存在，10～10.4s區(qū)間時為兩個兩位兩通中位閥同時卸荷，對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

4)系統(tǒng)在啟動與變向時，液壓馬達(dá)由高速低轉(zhuǎn)矩逐漸向低速高轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行逐漸穩(wěn)定。

5)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，變量泵與馬達(dá)的運(yùn)行參數(shù)與輸出數(shù)值符合運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，對此液壓驅(qū)動系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1)由于采用大量的理論計算與軟件仿真分析相結(jié)合的新型設(shè)計理念，使復(fù)雜的液壓系統(tǒng)得以簡明、直觀地展現(xiàn)內(nèi)在的聯(lián)系，分析了關(guān)聯(lián)部件的參數(shù)變量控制結(jié)果，極大地縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)時間，提高了工作效率，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的市場競爭力。

2)利用AMESim軟件進(jìn)行液壓系統(tǒng)的建模仿真，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在工作時的動態(tài)參數(shù)變化，對不符合線性規(guī)律的動態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，找出處理解決方法，將問題消滅萌芽狀態(tài)。

3)分析仿真軟件在機(jī)械液壓設(shè)計、維護(hù)中的應(yīng)用，將是科技發(fā)展的必然趨勢，但是軟件仿真僅僅是在十分理想狀態(tài)中進(jìn)行的，無法完善地考慮到實(shí)際生產(chǎn)使用工程中的各種復(fù)雜問題，所以仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果會存一定誤差，需要在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不足，進(jìn)行不斷完善。

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