扈凱 張文毅 祁兵

摘要：從農(nóng)業(yè)機械裝備靜液壓驅(qū)動底盤的發(fā)展趨勢出發(fā)，系統(tǒng)地闡述了靜液壓驅(qū)動底盤的應(yīng)用在生產(chǎn)實踐中的重要性，對比分析了不同底盤配置方案的優(yōu)缺點、應(yīng)用場合、閉式系統(tǒng)的工作原理及其補油回路、熱交換回路的作用，并對多馬達驅(qū)動系統(tǒng)的防滑轉(zhuǎn)問題提出相關(guān)措施及建議。同時，根據(jù)農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)特點，提出了閉式液壓系統(tǒng)的不同調(diào)節(jié)方式。以配備靜液壓驅(qū)動底盤的高速插秧機為例，詳細闡述靜液壓驅(qū)動底盤在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。對農(nóng)業(yè)機械靜液壓驅(qū)動液壓底盤的設(shè)計具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機械;液壓底盤;防滑轉(zhuǎn)措施;調(diào)節(jié)方式

中圖分類號： S22;TH137 ?文獻標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）14-0259-04

《中國制造2025》將農(nóng)業(yè)裝備定義為融合生物和農(nóng)藝技術(shù)，集成機械、電子、液壓、信息等高新技術(shù)的自動化、信息化、智能化先進裝備。近年來，我國農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，已經(jīng)成為世界最大的農(nóng)業(yè)裝備生產(chǎn)和使用大國，但大而不強的局面仍然存在，占市場需求90%以上的國產(chǎn)農(nóng)業(yè)機械（簡稱農(nóng)機）裝備為中低端產(chǎn)品[1-2]，不能全面滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需要，信息化、智能化技術(shù)的應(yīng)用進一步拉大了國產(chǎn)農(nóng)機裝備與發(fā)達國家的距離[3-5]。

現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機械底盤大多為傳統(tǒng)的機械式底盤，一般通過齒輪、帶、鏈、傳動軸、前后橋等機械零件傳遞動力，這類底盤傳動可靠、制造容易，但其具有以下幾個缺點[6-9]：（1）所使用的機械零件復(fù)雜笨重，難以實現(xiàn)輕量化需求，加大了功率損耗;（2）一般不能進行無級調(diào)速或?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速極其復(fù)雜;（3）不容易實現(xiàn)電子控制，遠距離操作困難，難以滿足當(dāng)代農(nóng)機智能化、自動化的需求;（4）安裝位置變化的柔性小。

農(nóng)業(yè)機械工作負(fù)荷具有較大的不確定性，其多在田間現(xiàn)場工作，作業(yè)工況和環(huán)境復(fù)雜嚴(yán)苛，且多采用內(nèi)燃機為原動力，其傳動系統(tǒng)不僅要求高效而且更需兼有對于工作負(fù)荷和原動機的良好適應(yīng)性、可操縱性和實現(xiàn)多種功能協(xié)調(diào)性，近年來又需要滿足節(jié)能環(huán)保和智能化需求[10-12]。為提高底盤功率密度，滿足輕量化需求，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械自動化和智能化操作，越來越多的靜液壓驅(qū)動底盤被引用到農(nóng)業(yè)機械行業(yè)中來。

我國農(nóng)機行業(yè)對靜液壓驅(qū)動的研究探索始于20世紀(jì)60年代，除中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院等少數(shù)單位曾自行研發(fā)過變量液壓泵外，其余的廠商大多采用斜盤型柱塞變量泵加殼體旋轉(zhuǎn)的低速車輪馬達方案[13-14]。如今，全液壓底盤驅(qū)動方案已在植保機械、收獲機械上得到大范圍應(yīng)用。本研究對農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域常用的幾種液壓底盤進行對比，從功能原理、性能優(yōu)劣、調(diào)節(jié)方式等多個角度闡述液壓底盤的應(yīng)用，旨在為農(nóng)業(yè)機械液壓底盤的設(shè)計使用提供一定的參考。

1 靜液壓驅(qū)動底盤的技術(shù)特點

靜液壓驅(qū)動底盤主要具有以下技術(shù)特點：

（1）靜液壓驅(qū)動方案用泵-馬達組合代替了現(xiàn)有的變速箱及其他中間傳動裝置，布局更加靈活，底盤質(zhì)量更輕，實現(xiàn)了輕量化需求。

（2）靜液壓驅(qū)動可以實現(xiàn)無級變速，變速范圍更大，功率密度高。靜液壓驅(qū)動有3種調(diào)速方式：節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速和容積-節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速由于具有較大的能量損失，且損失的能量轉(zhuǎn)換為熱量散發(fā)出來，一般只在功率較小的場合使用。容積調(diào)速依靠液壓泵或者液壓馬達的變量來改變系統(tǒng)流量，繼而實現(xiàn)調(diào)速功能。

（3）可用液壓轉(zhuǎn)向代替原有的機械轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向更加輕盈，可操作性強。此外，液壓轉(zhuǎn)向可以較為簡便地實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向多種轉(zhuǎn)向方式的切換，大大地提高了轉(zhuǎn)向靈活性，減小了轉(zhuǎn)彎半徑[15-16]。圖1為一種四輪液壓轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)原理。

（4）行走系統(tǒng)液壓回路采用閉式回路，在閉式回路中，雙向變量柱塞泵可以通過調(diào)節(jié)斜盤的傾角和方向來實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量和改變流向的雙重功能，并以此來無級地調(diào)節(jié)行走驅(qū)動馬達輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，繼而改變機器的速度和實現(xiàn)前進后退。

（5）閉式液壓系統(tǒng)具有制動能力，可省去傳統(tǒng)的摩擦制動裝置[17]。

（6）易于實現(xiàn)自動化、智能化控制和遠程操縱，滿足人們對當(dāng)代農(nóng)業(yè)機械自動化、智能化的要求[18]。

2 靜液壓驅(qū)動底盤的應(yīng)用方式與方法

2.1 基本配置方法

從靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)所使用的液壓馬達數(shù)量上，可以分為單馬達驅(qū)動系統(tǒng)和多馬達驅(qū)動系統(tǒng)，單馬達驅(qū)動系統(tǒng)即保留了傳統(tǒng)的機械車橋，僅有一個液壓馬達輸出動力，如圖2所示。

在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，為了使整機具有盡可能大的驅(qū)動力，最基本的做法是將所有的輪子都設(shè)計成驅(qū)動輪，以充分利用車輛自身質(zhì)量以及所承載物料的質(zhì)量產(chǎn)生附著力。因此，無論是單馬達驅(qū)動系統(tǒng)還是多馬達驅(qū)動系統(tǒng)大多采用四輪驅(qū)動方式。

圖2為單馬達驅(qū)動系統(tǒng)布置。動力由發(fā)動機1輸出，液壓泵3通常經(jīng)聯(lián)軸器2與發(fā)動機相連，液壓馬達輸出軸連接分動箱7，經(jīng)前后傳動軸9和主減速器5將動力傳遞給車橋以驅(qū)動車輪運動。該方案只是用液壓系統(tǒng)取代了原有的機械變速箱和離合器，使得車輛具有無級變速的能力，其優(yōu)點是未大幅度地改變原有的整機布局形態(tài)，易于改裝，成本低，但布局靈活性一般。靜液壓機械功率分流式無級變速箱（HMT）結(jié)合了機械傳動的高效率與液壓傳動易于實現(xiàn)無級變速的特點，采用其可以更全面地提升整機使用中的動力性和經(jīng)濟性。HMT的原理如圖3所示，由發(fā)動機傳出的輸入功率被分為機械功率流和液壓功率流，并通過行星齒輪裝置將2路功率匯合起來傳遞給行走系統(tǒng)。

多馬達驅(qū)動系統(tǒng)是指在液壓回路中安裝了2個以上的液壓馬達（圖4）。動力由發(fā)動機1輸出，動力經(jīng)聯(lián)軸器2傳遞給液壓泵3，液壓泵通過閉式液壓回路連接馬達以驅(qū)動車輛行走。圖4-b比圖4-a多使用了1個液壓泵，行走動力性較好。多馬達驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)完全取消了驅(qū)動橋和傳動箱等機械傳動機構(gòu)，布置靈活，但系統(tǒng)成本高。

多馬達系統(tǒng)中的液壓馬達以并聯(lián)的方式連接在一個公共回路中，所有馬達的工作壓力都是相等的[19]。這種系統(tǒng)的特點是每個液壓馬達輸出轉(zhuǎn)矩大小與其本身的實時排量成正比，通過所有液壓馬達的流量之和等于系統(tǒng)總流量。但每個馬達的實時轉(zhuǎn)速情況，取決于系統(tǒng)總流量、馬達數(shù)量、傳動關(guān)系、車輪尺寸和實時的路面附著條件等[20]。

農(nóng)用機械的液壓系統(tǒng)在正常工作過程中需要隨時調(diào)節(jié)流量和改變方向，要求系統(tǒng)具有較好的速度剛性和響應(yīng)速度，因此其驅(qū)動行走系統(tǒng)往往采用閉式回路，基本原理如圖5所示。該回路具有以下優(yōu)點：（1）由雙向變量的柱塞泵和雙向旋轉(zhuǎn)的液壓馬達構(gòu)成閉式液壓回路，可以連續(xù)調(diào)節(jié)馬達輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向;（2）該閉式回路是一個對稱可逆系統(tǒng)，除了輸出正向轉(zhuǎn)矩驅(qū)動行走外，還可以實現(xiàn)制動，取代摩擦元件構(gòu)成的常規(guī)行車制動系統(tǒng);（3）油箱較小，安裝靈活方便;（4）效率高，閉式回路的換向工作由液壓泵承擔(dān)，取消了換向閥等控制閥，減小了系統(tǒng)壓力損失。

由圖5可知，雙向變量柱塞泵可以通過調(diào)節(jié)斜盤的傾角和方向來實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量和改變流向的雙重功能，并以此來連續(xù)地調(diào)節(jié)輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。閉式系統(tǒng)中作為輸入元件的雙向變量柱塞泵并不直接從油箱吸油，此種結(jié)構(gòu)具有響應(yīng)快、速度剛性好等優(yōu)點，但液壓油不流回油箱，且油箱往往由于空間限制而較小，散熱性較差。為解決散熱問題，在閉式回路中設(shè)置熱交換回路，熱交換回路的作用是使系統(tǒng)的熱油經(jīng)冷卻后循環(huán)使用，冷卻器的規(guī)格根據(jù)系統(tǒng)流量及壓力來選擇。由于熱交換回路排出熱油及液壓元件的泄露而使系統(tǒng)內(nèi)的油液變少，為保持油液平衡而添加補油回路，以向系統(tǒng)額外補充冷卻油液。主回路和油箱之間的循環(huán)流量一般為主回路最大流量的20%～25%[14]。補油泵一般為齒輪泵，通常集成在主液壓泵中，補油油液經(jīng)單向閥和補油安全閥使該回路維持一個基礎(chǔ)壓力，即補油壓力，補油壓力的大小由補油安全閥來調(diào)節(jié)，補油系統(tǒng)在一定程度上降低了液壓系統(tǒng)的效率。

2.2 多馬達驅(qū)動系統(tǒng)的防滑轉(zhuǎn)控制

多馬達驅(qū)動系統(tǒng)通常把所有的液壓馬達并聯(lián)在回路之中。當(dāng)路面條件良好時，并聯(lián)系統(tǒng)可以滿足整機大多數(shù)工況要求。但農(nóng)用機械和公路機械不同，其路面情況復(fù)雜，附著力較差，尤其是水田機械，工作時易失去附著力而無法移動，這時多馬達驅(qū)動系統(tǒng)就存在一個問題：當(dāng)其中任何一個車輪由于附著條件不好而出現(xiàn)打滑時，系統(tǒng)就只能維持在驅(qū)動扭矩負(fù)荷最小的車輪馬達所需的最低壓力，此時的牽引力不足以驅(qū)動車輛前進，同時，打滑的馬達通過流量急劇增加，甚至可能因為超速而被損壞。為防止上述情況發(fā)生，特設(shè)置2種防滑轉(zhuǎn)機構(gòu)，分別如圖6、圖7所示。

圖6中設(shè)置了3個分流集流閥，分流集流閥的分流作用是將輸入油液按照一定的比例分2路輸出。當(dāng)其中一個車輪由于較差的附著條件而出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)時，分流集流閥開始發(fā)揮作用，按比例強制將系統(tǒng)流量分配給驅(qū)動行走馬達，分流比例取決于驅(qū)動輪的大小，通常分流比為1 ∶ 1，使用節(jié)流閥代替分流閥也可以起到相同的效果，但節(jié)流閥的原理是通過節(jié)流來限制流量，會增加液壓系統(tǒng)功率損失，造成發(fā)熱。

圖7為變量馬達防滑轉(zhuǎn)機構(gòu)，當(dāng)某一個或幾個車輪發(fā)生打滑時，可以及時地將馬達切換至小排量甚至自由輪的狀態(tài)以防止繼續(xù)打滑。當(dāng)車輪打滑時，轉(zhuǎn)速傳感器會檢測到打滑的車輪轉(zhuǎn)速異常（通常為轉(zhuǎn)速過高），進而減小馬達排量，使得車輛脫困。該防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)的前提是必須采用變量馬達，在一定程度上增加了制造成本。

2.3 液壓驅(qū)動的基本調(diào)節(jié)方式

靜液壓驅(qū)動底盤的基本調(diào)節(jié)方式分為輸入端調(diào)節(jié)和輸出端調(diào)節(jié)。

輸入端調(diào)節(jié)即通過改變液壓泵的排量或發(fā)動機轉(zhuǎn)速來改變液壓系統(tǒng)流量。在農(nóng)業(yè)機械中，雙向變量液壓泵是大多數(shù)驅(qū)動底盤的動力元件，而且原動機基本上都是采用汽油機或柴油機，因此變量液壓泵的排量和發(fā)動機轉(zhuǎn)速都是輸入端的可調(diào)節(jié)參數(shù)。對于轉(zhuǎn)速過高的汽油機往往需要增加中間變速裝置，以適應(yīng)泵的轉(zhuǎn)速要求。對于很多小功率（一般不大于10 kW）或行走速度較慢的農(nóng)用機械，僅僅使用輸入端調(diào)節(jié)方式已經(jīng)可以較好地滿足工作需求，液壓泵的排量及發(fā)動機轉(zhuǎn)速的聯(lián)合調(diào)節(jié)已經(jīng)可以覆蓋其絕大多數(shù)的工作區(qū)間，考慮到經(jīng)濟因素，液壓系統(tǒng)的輸出元件只需使用價格較低的定量馬達即可。

輸出端調(diào)節(jié)一般是通過改變執(zhí)行元件液壓馬達的排量來實現(xiàn)的。液壓系統(tǒng)具有無級調(diào)速能力，在某種程度上，只要變量泵的變量范圍足夠大，僅輸入端調(diào)節(jié)即可以滿足速度調(diào)節(jié)需求，但在實際生產(chǎn)實踐中，設(shè)計人員還需要從元件功率密度、系統(tǒng)壽命、使用成本等多個方面考慮，這也就使得輸出端調(diào)節(jié)機構(gòu)在工程中有了發(fā)揮的余地[14]。

通常，靜液壓驅(qū)動的農(nóng)業(yè)機械底盤工況可明顯地分為低速大負(fù)載作業(yè)和高速小負(fù)載轉(zhuǎn)場2個狀態(tài)，較低的行駛速度主要用于田間作業(yè)，較高的速度主要用于空載轉(zhuǎn)場行駛。根據(jù)經(jīng)驗分析[14]，農(nóng)業(yè)機械的最大速度小于25 km/h時，可只采用輸入端調(diào)節(jié)的方式，當(dāng)整機速度大于25 km/h，尤其是大于40 km/h時，則需要輸出端調(diào)節(jié)介入，在有些情況下，還需要輸入端調(diào)節(jié)和輸出端調(diào)節(jié)2種方式共同作用。

2.4 液壓泵與發(fā)動機的匹配控制

液壓泵與發(fā)動機匹配控制的目的是實現(xiàn)驅(qū)動與防熄火控制。驅(qū)動與防熄火控制主要涉及2個問題[21]：一是為裝有靜液壓驅(qū)動底盤行駛機械的駕駛?cè)藛T提供汽車式自動變速器的駕駛感受;二是使得車輛具有驅(qū)動與自動防止發(fā)動機熄火的能力。

防熄火控制過程如下：當(dāng)液壓系統(tǒng)外負(fù)載增大，引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低時，控制閥輸出的控制壓力相應(yīng)減小，使行走液壓泵排量自動減小，此時，泵的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩雖然降低，但取決于外負(fù)載的系統(tǒng)工作壓力不變，因此系統(tǒng)仍可以保持較好的驅(qū)動力，由于減少了泵對發(fā)動機功率的吸收，防止了發(fā)動機熄火。

液壓泵與發(fā)動機的特性匹配準(zhǔn)則主要包括轉(zhuǎn)速匹配準(zhǔn)則和功率匹配準(zhǔn)則。轉(zhuǎn)速匹配準(zhǔn)則[21]是（1）所選變量泵最大排量時的許用最高轉(zhuǎn)速不得低于柴油機的最高空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速;（2）所選變量泵最大排量在柴油機額定轉(zhuǎn)速下的輸出流量應(yīng)能使液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)速達到整機最高行駛速度的對應(yīng)值。功率匹配準(zhǔn)則[21]是系統(tǒng)最大負(fù)載功率不大于發(fā)動機額定功率的90%。

3 靜液壓驅(qū)動底盤應(yīng)用實例

靜液壓驅(qū)動的高速插秧機底盤實物圖、原理圖分別如圖8、圖9所示。發(fā)動機是整個底盤系統(tǒng)的動力源，將動力分別傳遞給雙向變量柱塞泵和齒輪泵，雙向變量柱塞泵通過閉式回路和變量馬達相連為行走驅(qū)動系統(tǒng)提供動力。雙向變量柱塞泵為斜盤式柱塞泵，其可以通過調(diào)節(jié)斜盤傾角和方向來實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量和改變流向的雙重功能，并以此來無級地調(diào)節(jié)行走變量馬達輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，繼而改變插秧機的速度和實現(xiàn)前進后退功能。

齒輪泵為仿形機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和升降機構(gòu)提供動力，齒輪泵輸出端連接單向穩(wěn)定分流閥，該單向穩(wěn)定分流閥將油液分配給轉(zhuǎn)向回路和仿形、升降回路，轉(zhuǎn)向回路通過高速電磁換向閥和液壓轉(zhuǎn)向器控制轉(zhuǎn)向液壓缸，前者可以實現(xiàn)較高的響應(yīng)速度，后者可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。單向穩(wěn)定分流閥的作用是優(yōu)先保證液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓油的流量，升降與仿形系統(tǒng)串聯(lián)且流量并不按照比例分配，液壓油先通過仿形機構(gòu)，優(yōu)先保證該機構(gòu)的靈敏度。仿形和升降機構(gòu)由一個液壓油路連接控制，仿形機構(gòu)控制閥和升降機構(gòu)控制閥均為三位四通換向閥，M型中位機能。仿形機構(gòu)控制閥控制液壓仿形油缸，升降機構(gòu)控制閥控制升降油缸，但考慮到兩者同時工作的概率極低，因此使用1個串聯(lián)回路在保證系統(tǒng)功能性的基礎(chǔ)上可以降低成本。轉(zhuǎn)向機構(gòu)油缸為雙活塞桿油缸，即兩邊都是有桿腔，以保證往2個方向的轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向行程均勻。

4 結(jié)論

本研究結(jié)合靜液壓驅(qū)動農(nóng)業(yè)機械底盤行業(yè)的發(fā)展趨勢，闡述了液壓底盤在應(yīng)用中的必要性，介紹了液壓底盤配置的幾種方式及其優(yōu)缺點，分析了閉式系統(tǒng)的工作原理及其補油回路與熱交換回路的作用，闡述了多馬達驅(qū)動系統(tǒng)使用分流閥和變量馬達的2種防滑措施。最后，針對農(nóng)業(yè)機械的工作特點，分析了輸入端調(diào)節(jié)和輸出端調(diào)節(jié)的應(yīng)用對象和場合，介紹了靜液壓驅(qū)動底盤的液壓泵與發(fā)動機匹配控制方式。同時，以配備了靜液壓驅(qū)動底盤的高速插秧機為例，詳細地分析闡述了靜液壓驅(qū)動底盤的技術(shù)特點。

通過本研究的分析闡述，可以得出以下結(jié)論：（1）靜液壓驅(qū)動底盤克服了傳統(tǒng)機械底盤難以實現(xiàn)無級變速、功率密度低、布置不靈活等缺點，在技術(shù)層面上是一個新的突破。（2）通過閉式傳動系統(tǒng)，液壓底盤在實現(xiàn)行走驅(qū)動的同時，也便于實現(xiàn)行車制動功能，大大地簡化了系統(tǒng)的設(shè)計。（3）靜液壓驅(qū)動底盤利于實現(xiàn)自動化、智能化控制和遠程操縱，滿足人們對當(dāng)代農(nóng)業(yè)機械自動化、智能化的要求，具有廣闊的市場前景。本研究內(nèi)容對靜液壓驅(qū)動的農(nóng)業(yè)機械液壓底盤設(shè)計具有一定的參考價值。

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