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(1佳木斯大學(xué)，黑龍江 佳木斯 154002;2.龍巖學(xué)院，福建 龍巖 364012)

0 引 言

從09年到10年這短短的一年之間玉米收割機(jī)的發(fā)展就十分迅猛，2011年繼續(xù)保持了高溫發(fā)展勢(shì)頭，隨著時(shí)代的進(jìn)步，玉米收割機(jī)的形式結(jié)構(gòu)也出了多樣化的變化，與此同時(shí)生產(chǎn)玉米收割機(jī)的生產(chǎn)廠家也迅速出現(xiàn)在了祖國各地。行走系統(tǒng)從根本上決定了收割機(jī)的動(dòng)力性、服役年限以及工作狀態(tài)，所以現(xiàn)階段急需改善玉米收割機(jī)行走部分的性能。

1 常見的無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)

1.1 機(jī)械無級(jí)傳動(dòng)

現(xiàn)階段，皮帶傳動(dòng)是市面上最常見的一種機(jī)械無級(jí)變速方式[1]，這種傳動(dòng)方式一般用于一些小機(jī)型的車上，它是通過改變主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的半徑來完成無級(jí)調(diào)速的。以皮帶作為傳遞動(dòng)力的方式的優(yōu)點(diǎn)在于其價(jià)格便宜，效率高，但這種類型變速裝置要求司機(jī)得具有良好的技術(shù)水平，而且在傳遞動(dòng)力過程中容易產(chǎn)生皮帶磨損，降低機(jī)器使用年限。如圖1所示為無級(jí)變速輪：

1.2 液壓機(jī)械功率分匯流傳動(dòng)(HMT)

HMT系統(tǒng)對(duì)控制要求高，由于這個(gè)原因造成制造成本相對(duì)較高。這個(gè)系統(tǒng)是由機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)并聯(lián)而成，功率比較大的車輛上應(yīng)用比較廣泛。HMT系統(tǒng)除了可以保持液壓系統(tǒng)良好控制性以外，還具有機(jī)械裝置的高效率性。但美中不足之處在于該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，開發(fā)難度大，限制了其在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的推廣和應(yīng)用。

圖1 無級(jí)變速輪

1.3 液壓機(jī)械連續(xù)無級(jí)變速傳動(dòng)(HST)

HST是機(jī)械傳動(dòng)部分和液壓傳動(dòng)部分串聯(lián)組合而成的。該系統(tǒng)除了具有液壓系統(tǒng)無級(jí)調(diào)速的特性以外還具有機(jī)械傳動(dòng)高效率的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)具體情況可以選擇整體式和分置式，考慮到玉米收割機(jī)工況復(fù)雜，而且底盤空間狹小，采用分置式HST可能更容易布置。分置式HST結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、易于與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)合理匹配，在農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用越來越廣泛。

2 玉米收割機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)部分傳動(dòng)原理分析

2.1玉米收割機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)的要求

玉米收割機(jī)在不同的工況下作業(yè)，無論是牽引力，還是行駛速度都是在不斷變化的，甚至有的時(shí)候變化波動(dòng)會(huì)很大，所以，對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)裝置要求如下[2]：

(1) 盡量縮短管路長度，減少沿程壓力損失，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的功率充分利用在行進(jìn)速度和牽引力上；

(2) 有效的利用液壓制動(dòng)性能，從安全方面考慮，還應(yīng)該加設(shè)機(jī)械制動(dòng)裝置；

(3) 整個(gè)裝置的速度調(diào)節(jié)范圍一定要大；

(4) 液壓操作要人性化，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮駕駛?cè)藛T的經(jīng)驗(yàn)水平和駕駛習(xí)慣，力爭做到操作簡單易懂；

(5) 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要簡單，便于后期維修和維護(hù)。液壓元件的質(zhì)量必須要過關(guān)，并且多選用高質(zhì)量制造商的元件。液壓泵必須使用雙向變量泵，以確保車輛能夠正常前進(jìn)和倒退；

(6) 回路要設(shè)置保壓機(jī)構(gòu)，防止過載導(dǎo)致元器件的損壞，也避免危險(xiǎn)事故發(fā)生。

2.2 玉米收割機(jī)行走機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案

玉米收割機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，時(shí)常出現(xiàn)波動(dòng)載荷，所以對(duì)車輛行走速度以及輸出轉(zhuǎn)矩和功率的需求在不同的工況下有所不同，液壓泵和液壓馬達(dá)有不同的組合方式，從而可以選用不同的調(diào)速方式以及油路來滿足要求。

2.3 液壓驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)速方案

通過調(diào)整液壓馬達(dá)的流量或者改變液壓馬達(dá)的排量兩種方式，都可以達(dá)到改變馬達(dá)速度的目的。節(jié)流調(diào)速和容積調(diào)速是靜液壓驅(qū)動(dòng)常采用的調(diào)速方式，查閱相關(guān)資料找到液壓泵與液壓馬達(dá)的常見配合情況如下[3]：

(1) 定量泵和定量馬達(dá)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)

如圖2所示，該系統(tǒng)是傳遞系統(tǒng)，此時(shí)液壓泵與液壓馬達(dá)都是定量的。由于馬達(dá)和泵都是定量的，所以單純的靠泵和馬達(dá)是不能實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)速度改變的。假如通過節(jié)流來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，那么就會(huì)出現(xiàn)液壓油在很高的壓力下通過節(jié)流閥和溢流閥，從而會(huì)引起巨大的壓力損失，而且會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的系統(tǒng)發(fā)熱和工作效率大大降低等問題。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，該回路結(jié)構(gòu)確實(shí)簡單而且操作簡便，也能實(shí)現(xiàn)一定條件下的速度改變，但該裝置由于發(fā)熱和壓力損失等原因現(xiàn)階段只能用在小功率拖拉機(jī)或其他小型行走車輛上。

圖2 最簡單的靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

(2) 液壓變量泵與液壓定量馬達(dá)的容積調(diào)速回路

圖3是通過調(diào)節(jié)液壓泵的排量而達(dá)到無級(jí)調(diào)速目的回路。馬達(dá)2的回油口直接接到液壓油泵1的入口，從而形成油液內(nèi)部循環(huán)，組成完全封閉式回路，如此一來可以大大減小油箱的體積和液壓油的體積，除此之外液壓油大部分都在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)著，空氣從油箱進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的可能性大大降低。因此，容積調(diào)速回路都采用變量泵和定量馬達(dá)的組合形式。觀察圖可以發(fā)現(xiàn)高壓管路上接有高壓安全閥3，它的目的是防止系統(tǒng)過載，出現(xiàn)管路破裂等問題。為了補(bǔ)償液壓油泵和馬達(dá)的泄漏，會(huì)在低壓管路上接一個(gè)小排量的補(bǔ)油泵10和單向閥6[4]，目的是為了向變量泵供油，從而提高泵的效率，除此之外還有效防止空氣進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部。由圖可知補(bǔ)油泵的工作壓力由溢流閥5來控制。

忽略泄漏以及摩擦損失的情況下馬達(dá)的轉(zhuǎn)速nM和轉(zhuǎn)矩M分別為

nM=npqp/qM=npqp/qM

(1)

M=PpqM/2π

(2)

式中Qp，qp為液壓變量泵的流量以及排量；np，Pp為液壓變量泵的轉(zhuǎn)速以及輸出壓力通過式子(1)可以看出，Qp或qp其中任何一個(gè)量發(fā)生改變，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速nM隨即改變。與此同時(shí)回路中的泵能夠反向旋轉(zhuǎn)，這樣一來調(diào)速范圍會(huì)變大。通過式子(2)可知，qM是一定的，但Pp由安全閥預(yù)設(shè)值確定，所以Pp一樣也是確定的數(shù)值。由此可見，馬達(dá)的扭矩值M輸出是確定的，也就是說調(diào)速是恒扭矩的。假如不考慮功率損失，馬達(dá)的輸出功率應(yīng)該等于泵的輸出功率，其公式如下：

(3)

因?yàn)镼p或者Pp都是不斷改變的，所以N也是變化的。

圖3 液壓變量泵和液壓定量馬達(dá)容積調(diào)速回路

2.4 液壓驅(qū)動(dòng)裝置的液壓機(jī)械傳動(dòng)方案

常見的液壓機(jī)械傳動(dòng)主要是兩類方案：

第一類是液壓元件與機(jī)械裝置的雙流并聯(lián)連接而成的，通過功率的分流來實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速的目的，整體系統(tǒng)由機(jī)械、液壓和動(dòng)力分匯流機(jī)構(gòu)構(gòu)建而成[5]。在不同的工況下要選用不同的組合情況。無論是什么組合形式大體上都是通過行星齒輪來傳遞動(dòng)力。該機(jī)構(gòu)即可以位于輸入端，即“分矩-匯速式”，也可以位于輸出端，即“分速-匯矩式”?？梢钥闯龉β史至鳠o級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且設(shè)計(jì)周期比較長，生產(chǎn)成本比較高，所以該課題不采用這種調(diào)速系統(tǒng)。

第二類方案是機(jī)械變速箱與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)直接串聯(lián)連接。如下圖4所示，雙向變量泵1和定量馬達(dá)2共同組成了該閉式容積調(diào)速同路。通過調(diào)節(jié)雙向變量泵1的斜盤傾角，來改變液壓泵輸出流量的大小，由于流量的改變使定量馬達(dá)獲得不同的轉(zhuǎn)速。除此之外還可以通過調(diào)整變量泵的斜盤角的方向，來改變馬達(dá)2旋轉(zhuǎn)方向。

圖4 液壓變量泵與液壓定量馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)原理圖

1.變量泵2.定量馬達(dá)3.吸油濾芯4.伺服控制閥5.伺服控制油缸6.補(bǔ)油溢流閥7.補(bǔ)油單向閥8.沖洗閥9.低壓溢流閥10.高壓溢流閥11.補(bǔ)油泵12.冷卻器13.液壓油箱

綜合考慮兩種傳動(dòng)方案，從經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)周期、后期維護(hù)以及實(shí)用性等方面考慮，最終選用第二種方案作為它的使用方案。初步選用的液壓變量泵和液壓定量馬達(dá)如圖5和6所示。

圖5 液變量壓泵

圖6 液壓定量馬達(dá)

3 結(jié) 語

主要分析了機(jī)械系統(tǒng)以及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過對(duì)比定量泵定量馬達(dá)回路與變量泵定量馬達(dá)系統(tǒng)的比較，最終選用變量泵定量馬達(dá)系統(tǒng)作為玉米收割機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)。