薛曉江 ， 薛運(yùn)起 ， 楊偉博

（第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471003）

0 引言

拖拉機(jī)在進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)離不開液壓元件的支持，不同功能和不同種類的液壓元件形成一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)。

目前，按照拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)和變速箱的相互關(guān)系可將液壓系統(tǒng)分為合油和分油兩種結(jié)構(gòu)。采用分油結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)的拖拉機(jī)，液壓油不易受到變速箱齒輪碎屑的污染，能夠最大限度地保證液壓油的清潔，對(duì)液壓元件的保護(hù)效果良好。但分油結(jié)構(gòu)的拖拉機(jī)液壓油箱布置易受到空間的影響，且分油油箱無法無限地做得更大，不能滿足拖拉機(jī)對(duì)液壓油油量的需求[1-3]。

采用合油結(jié)構(gòu)的拖拉機(jī)，變速箱里面的液壓油一方面為齒輪提供潤滑，另一方面為拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)提供油源。合油結(jié)構(gòu)的液壓系統(tǒng)因?yàn)榕c變速箱齒輪的潤滑油為同一油源，液壓系統(tǒng)容易受到齒輪碎屑的影響，要求系統(tǒng)有更高的過濾精度，另外系統(tǒng)溫度較高易影響液壓系統(tǒng)正常工作。比如，合油系統(tǒng)的拖拉機(jī)液壓油過多，易增加齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，降低齒輪的傳動(dòng)效率。同時(shí)，在液壓油多的情況下，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生熱量也會(huì)增多，易造成傳動(dòng)系統(tǒng)溫度過高。

根據(jù)多臺(tái)試驗(yàn)車的相關(guān)試驗(yàn)，拖拉機(jī)傳動(dòng)箱內(nèi)的大小錐及其他齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)液壓油的影響很大，特別是大小錐齒輪轉(zhuǎn)速高時(shí)，能在傳動(dòng)箱內(nèi)形成強(qiáng)烈的齒輪泵效應(yīng)，使得傳動(dòng)箱內(nèi)壓力升高，不利于齒輪泵從箱體里面吸油，或齒輪泵吸入大量泡沫，大大降低容積效率。

1 開發(fā)背景

隨著拖拉機(jī)更新?lián)Q代周期的縮短，一款新產(chǎn)品的生命周期一般為2~3年，這個(gè)時(shí)間對(duì)于完全開發(fā)一款全新的產(chǎn)品是不夠的。在市場(chǎng)的推動(dòng)下，在成熟結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行變型產(chǎn)品的開發(fā)，一方面可以縮短研發(fā)周期，另一方面可避免出現(xiàn)批量問題。這種開發(fā)模式對(duì)于市場(chǎng)和生產(chǎn)企業(yè)都是有利的[4-5]。

開發(fā)分油合油自轉(zhuǎn)換的拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)，不失為一種開發(fā)周期短，同時(shí)滿足多種液壓功能的有效途徑。該系統(tǒng)一方面增加了拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)的可用油量，滿足了拖拉機(jī)不同工況的使用需求，使拖拉機(jī)可擴(kuò)展的功能更多；另一方面可以平衡拖拉機(jī)液壓工作用油和傳動(dòng)系潤滑散熱用油的問題，使問題可以得到良好的解決[6-8]。

基于此，筆者在下文中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)討論和研究。

2 開發(fā)過程

2.1 液壓原理

分油合油自轉(zhuǎn)換的拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

其中，低壓潤滑泵和高壓泵構(gòu)成一個(gè)雙聯(lián)齒輪泵。低壓潤滑泵通過第一吸油濾油器從傳動(dòng)箱吸油為傳動(dòng)系潤滑散熱；高壓泵通過第二吸油濾油器從液壓油箱中吸油通過多路閥為液壓設(shè)備供油，液壓設(shè)備的液壓油經(jīng)多路閥和回油濾油器回流到液壓油箱。在該液壓系統(tǒng)中，傳動(dòng)箱通過連通管向液壓油箱補(bǔ)油，以增加液壓系統(tǒng)的有效用油量，可更多地滿足拖拉機(jī)液壓元件的用油需求，擴(kuò)展了拖拉機(jī)的功能。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分油合油自轉(zhuǎn)換的拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)吸油管路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對(duì)耕地定級(jí)的工作早有研究。趙登輝等在對(duì)揚(yáng)中市進(jìn)行定級(jí)研究中，認(rèn)為應(yīng)將農(nóng)產(chǎn)品交易難易程度與路網(wǎng)分布情況引入影響因素[7]。馮莎等運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建了嘉魚縣農(nóng)用地定級(jí)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[8]。賈雷等以石柱縣為例，構(gòu)建了“純收益—定級(jí)指數(shù)”模型，基于新規(guī)程對(duì)其進(jìn)行耕地定級(jí)[9]。詹波運(yùn)用GIS對(duì)連城縣耕地級(jí)別進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)連城縣水源充足，耕地質(zhì)量程度適中[10]。許婷等對(duì)江西省錦江鎮(zhèn)采用了多因素綜合評(píng)定法選取指標(biāo)，使用主成分分析法確定權(quán)重，最后分出4個(gè)級(jí)別[11]。本文基于因素法選取定級(jí)因子，利用GIS技術(shù)，采用網(wǎng)絡(luò)分析、耗費(fèi)路徑等GIS分析方法對(duì)指標(biāo)因子進(jìn)行分析，進(jìn)行耕地質(zhì)量定級(jí)研究。

圖2 吸油管路結(jié)構(gòu)圖

吸油管路包括高壓泵的吸油管路、低壓潤滑泵的吸油管路以及傳動(dòng)箱為液壓油箱補(bǔ)油的補(bǔ)油管路。

高壓泵的吸油管路包括高壓泵、高壓泵吸油管、帶濾芯的出油管、液壓油箱、傳動(dòng)箱與油箱連通管等幾個(gè)主要部件。在高壓泵的吸油管路中，液壓油箱用以實(shí)現(xiàn)連接管路和補(bǔ)償油液的功能。

低壓潤滑泵的吸油管路包括順次連接的低壓潤滑泵、潤滑泵前吸油管、吸油濾油器和潤滑泵后吸油管。潤滑泵后吸油管的吸油口和三通接頭連接，直接從傳動(dòng)箱將需要進(jìn)行散熱的傳動(dòng)箱油輸送給低壓潤滑泵。

將低壓潤滑泵的吸油口和高壓泵的吸油口進(jìn)行了分開吸油的設(shè)計(jì)。此種設(shè)計(jì)可提高傳動(dòng)箱和液壓油箱中液壓油的循環(huán)率，避免高壓泵和潤滑泵同時(shí)從一個(gè)吸油口吸油而導(dǎo)致傳動(dòng)箱液壓油參與系統(tǒng)循環(huán)量少，而造成傳動(dòng)系統(tǒng)高溫。

在本文所研究的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，最為重要的環(huán)節(jié)是液壓油箱的設(shè)計(jì)。在拖拉機(jī)的使用過程中，分油合油自轉(zhuǎn)換亦是通過液壓油箱上的特殊結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。至于如何實(shí)現(xiàn)分油合油自轉(zhuǎn)換將在本文后面的內(nèi)容中進(jìn)行詳細(xì)闡述。

液壓油箱的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由液壓油箱、通氣塞和帶濾芯的出油管三個(gè)部分組成。

圖3 液壓油箱的結(jié)構(gòu)示意圖

油液的清潔是拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)功能正常發(fā)揮的前提保障。為此，在液壓油箱和高壓泵吸油管路的連接設(shè)計(jì)中，將吸油濾芯內(nèi)置在液壓油箱內(nèi)，以節(jié)省裝配空間。

帶濾芯的出油管結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由旁通閥、濾芯和出油管等組成。其中，旁通閥的作用是在濾芯被堵塞嚴(yán)重的時(shí)候打開通道，保證高壓泵的吸油，避免因管路堵塞造成齒輪泵損壞。

圖4 帶濾芯的出油管

通氣塞的原理如圖5所示。設(shè)置通氣塞的目的是通過液壓油箱內(nèi)壓力的變化來形成分油系統(tǒng)或合油系統(tǒng)。在液壓油箱中不存在壓力的情況下，通氣塞可進(jìn)行雙向通氣。一旦拖拉機(jī)負(fù)荷加大，高壓泵吸油在油箱內(nèi)形成的負(fù)壓大于0.1 kPa時(shí)，通氣塞向油箱內(nèi)的通道被關(guān)閉，僅能向外排氣，形成一個(gè)單向通道。當(dāng)油箱內(nèi)部壓力繼續(xù)升高，超過10 kPa時(shí)，通氣塞向外的通道被打開，液壓油箱可向外排氣。

圖5 通氣塞的原理圖

在拖拉機(jī)進(jìn)行耕作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大，油泵轉(zhuǎn)速高，吸油作用在液壓油箱內(nèi)形成的吸油負(fù)壓遠(yuǎn)大于通氣塞的雙向通氣開啟壓力。此時(shí)系統(tǒng)形成合油結(jié)構(gòu)，通氣塞有助于防止液壓油箱進(jìn)氣，保證油面的穩(wěn)定，可以有效減少傳動(dòng)箱齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的倒吸油現(xiàn)象。在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較小時(shí)，油泵轉(zhuǎn)速降低，油泵的吸油負(fù)壓小，液壓油箱產(chǎn)生的氣體可將通氣塞頂開，通過通氣塞排出，使油箱內(nèi)壓力保持穩(wěn)定。此時(shí)，可形成分油系統(tǒng)。

在本文描述的液壓系統(tǒng)中，高壓泵和潤滑泵吸油口的位置選擇也影響著整個(gè)系統(tǒng)分油和合油之間的轉(zhuǎn)換。

通過不同方案的樣車試驗(yàn)表明，潤滑泵的吸油口靠近高壓泵的吸油口處時(shí)，會(huì)存在潤滑泵和高壓泵搶油的現(xiàn)象。為此，在該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了如圖6所示的三通結(jié)構(gòu)來解決潤滑泵搶油問題。在圖6中，L1為三通在傳動(dòng)箱內(nèi)的傳動(dòng)箱與液壓油箱連通水平面，L2為傳動(dòng)箱與油箱連通管的吸油水平面，L3為潤滑泵后吸油管的吸油水平面，H1為L2和L3在豎直方向的高度差。由于H1高度差的存在，加之液壓油重力的影響，潤滑泵在進(jìn)行吸油時(shí)，會(huì)優(yōu)先從傳動(dòng)箱中吸油。

圖6 三通結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 實(shí)現(xiàn)途徑

下面將重點(diǎn)講述分油合油自轉(zhuǎn)換的液壓系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程。在進(jìn)行討論時(shí)，先假設(shè)傳動(dòng)箱內(nèi)的壓力為P傳，雙聯(lián)齒輪泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中高壓泵和低壓潤滑泵所產(chǎn)生的吸油負(fù)壓的絕對(duì)值分別為P高和P低，液壓油箱內(nèi)的壓力為P液。

拖拉機(jī)在處于耕作工況時(shí)，行駛速度較慢，傳動(dòng)箱內(nèi)的大小錐及其他齒輪的攪油影響較小。液壓系統(tǒng)各處的壓力絕對(duì)值滿足以下條件：P高＞P液＞P傳，P低＞P傳。此時(shí)，因?yàn)閴毫Σ畹拇嬖?，傳?dòng)箱的液壓油除了給低壓潤滑泵供油外，有一部分液壓油通過傳動(dòng)箱和液壓油箱之間的連通管流向了液壓油箱。拖拉機(jī)若需要使用多組液壓輸出，傳動(dòng)箱的液壓油對(duì)液壓油箱進(jìn)行的補(bǔ)油，彌補(bǔ)了液壓油箱油量不足的問題。此時(shí)，傳動(dòng)箱和液壓油箱共同形成一個(gè)合油的液壓系統(tǒng)。

通常情況下，當(dāng)拖拉機(jī)處于轉(zhuǎn)場(chǎng)或運(yùn)輸工況時(shí)，拖拉機(jī)行駛速度高，傳動(dòng)箱內(nèi)齒輪攪油影響較為明顯。大小錐齒輪的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，使得傳動(dòng)箱體內(nèi)壓力P傳增大。而位于大小錐齒輪附近的吸油口則因傳動(dòng)箱內(nèi)的壓力變化而導(dǎo)致液壓油向外流動(dòng)困難，甚至?xí)a(chǎn)生從液壓油箱倒吸油現(xiàn)象。油液一旦增多，傳動(dòng)箱內(nèi)的液壓油在大小錐齒輪的高速攪動(dòng)作用下，被甩到箱體內(nèi)壁上，從而造成傳動(dòng)箱內(nèi)液壓油油面增高。在各個(gè)齒輪攪油的共同作用下，傳動(dòng)箱溫度升高很快。

在拖拉機(jī)由耕作狀態(tài)轉(zhuǎn)為高速轉(zhuǎn)場(chǎng)過程中，高壓泵從液壓油箱吸油后經(jīng)多路閥直接回油到液壓油箱，形成一個(gè)不帶負(fù)荷的液壓循環(huán)系統(tǒng)。此時(shí)，液壓油箱為正壓環(huán)境，P液不斷升高，使得液壓油通過傳動(dòng)箱與液壓油箱連通管進(jìn)入傳動(dòng)箱，使得液壓油箱的液面降低，傳動(dòng)箱液面升高。在傳動(dòng)箱和液壓油箱之間形成一個(gè)高度差H2，當(dāng)液壓油箱內(nèi)部P液達(dá)到10 kPa時(shí)，液壓油箱上方的通氣塞打開排氣，使得P高＞P液=P傳，P低＞P傳。當(dāng)P液=P傳時(shí)，液壓油箱和傳動(dòng)箱內(nèi)的液壓油停止流動(dòng)。此時(shí)，傳動(dòng)箱與液壓油箱連通管的吸油面和潤滑泵后吸油管的吸油面保證存在一個(gè)高度差H1。再加上H2的高度差，這樣一來，潤滑泵后吸油管和傳動(dòng)箱與液壓油箱連通管的吸油面形成一個(gè)吸油位勢(shì)差，變速箱中的液壓油則會(huì)優(yōu)先進(jìn)入潤滑泵后吸油管中，防止液壓油箱中的液壓油被低壓潤滑泵搶油。此時(shí)，拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)成為一個(gè)分油系統(tǒng)。

2.4 實(shí)際效果

通過控制傳動(dòng)箱和液壓油箱內(nèi)部的壓力變化，同時(shí)合理地分配潤滑油泵的吸油口位置，可以實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的分油與合油自轉(zhuǎn)換，以滿足不同工況的需求[9-12]。

拖拉機(jī)的懸掛系統(tǒng)在工作時(shí)，高壓泵通過高壓泵吸油管和濾油器從液壓油箱中吸取液壓油，以滿足液壓懸掛系統(tǒng)的用油需要。由于高壓泵的吸油，在液壓油箱中形成一定的負(fù)壓，并且液壓油箱排氣口的通氣塞封閉排氣口，進(jìn)一步維持液壓油箱的負(fù)壓環(huán)境。此時(shí)，傳動(dòng)箱的油液通過三通和傳動(dòng)箱與液壓油箱連通管進(jìn)入液壓油箱，為液壓油箱補(bǔ)油，傳動(dòng)箱和液壓油箱共同形成合油液壓系統(tǒng)。

合油的液壓系統(tǒng)增加了系統(tǒng)的有效用油量，可更多地滿足拖拉機(jī)液壓元件的用油需求，擴(kuò)展了拖拉機(jī)的功能。傳動(dòng)箱向液壓油箱的補(bǔ)油也減少了傳動(dòng)系統(tǒng)油量過高造成的攪動(dòng)生熱問題。

拖拉機(jī)在轉(zhuǎn)場(chǎng)或運(yùn)輸過程中，高壓泵因在高速轉(zhuǎn)場(chǎng)和運(yùn)輸過程中無負(fù)荷，高壓泵從液壓油箱吸油后經(jīng)多路閥直接回油到液壓油箱，形成一個(gè)不帶負(fù)荷的液壓循環(huán)系統(tǒng)。液壓油回到液壓油箱，造成液壓油箱的壓力增大，可以頂開通氣塞向外排氣，維持液壓油箱內(nèi)的壓力穩(wěn)定。潤滑泵后吸油管的吸油面低于傳動(dòng)箱與液壓油箱連通管的吸油面，這樣傳動(dòng)箱中的液壓油則會(huì)優(yōu)先進(jìn)入潤滑泵后吸油管中，僅用于散熱和潤滑，形成一個(gè)單獨(dú)的散熱潤滑系統(tǒng)，此時(shí)傳動(dòng)箱和液壓油箱之間形成分油系統(tǒng)。

3 結(jié)語

對(duì)于存在液壓油箱且液壓油箱和傳動(dòng)箱相連通的液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力的變化和潤滑泵吸油口位置的選擇對(duì)系統(tǒng)存在極大的影響。

在本研究中，經(jīng)過多次試驗(yàn)和改進(jìn)，尋求了一套實(shí)用的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以在拖拉機(jī)不同工況下實(shí)現(xiàn)分油合油自轉(zhuǎn)換。

此結(jié)構(gòu)已在某型號(hào)輪式拖拉機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，液壓系統(tǒng)工作良好，傳動(dòng)系統(tǒng)不存在高溫的情況。同時(shí)，進(jìn)行了批量裝車，從市場(chǎng)表現(xiàn)來看，液壓系統(tǒng)工作可靠，傳動(dòng)系統(tǒng)潤滑散熱良好，達(dá)到了預(yù)想的效果。

當(dāng)前，拖拉機(jī)的功能越來越多，電控液壓系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛及智能導(dǎo)航等新技術(shù)的應(yīng)用使得拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，本文提出的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可為拖拉機(jī)新產(chǎn)品的研發(fā)提供一些設(shè)計(jì)方面的參考。