新型南方水田噴桿噴霧機液壓系統(tǒng)的設(shè)計與分析

鄒 凡， 肖茂華， 傅秀清， 宋緒成

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031)

水稻是中國主要糧食作物，種植地區(qū)大多位于南方。在南方稻區(qū)，水田作業(yè)狀況復(fù)雜，缺乏有針對性的大中型植保機械，水稻植保機械化水平一直較低[1]。因此，研制基于南方水田狀況的噴桿噴霧機具有重要意義。

靜液壓無級變速傳動系統(tǒng)(Hydrostatic static transmission, HST)因體積小、重量輕、操作方便而被歐美國家、韓國、日本等廣泛地用于農(nóng)業(yè)機械中[2-3]。以往中國HST技術(shù)主要應(yīng)用在收割機與拖拉機上[4-5]。應(yīng)用HST技術(shù)的噴霧機具有在南方水田作業(yè)不易陷落的獨特優(yōu)勢，近幾年成為研究熱點。例如張磊江[6]對基于HST技術(shù)的噴霧機進行了整體設(shè)計和研究。但中國噴霧機液壓系統(tǒng)大多為進口產(chǎn)品，這極大地制約了國產(chǎn)噴霧機機械化水平的提高[7]。

與傳統(tǒng)的機械式傳動相比，基于HST液壓全驅(qū)動的傳動方式具有整機重量輕、傳動性能穩(wěn)定、便于保養(yǎng)維修等優(yōu)點[8]。采用HST傳動方式可以大大降低噴霧機自身質(zhì)量，提高噴霧機在水田行走時的性能[9]。因此，本研究擬設(shè)計一種基于HST技術(shù)的質(zhì)量小、傳動性能穩(wěn)定的傳動方案，并通過AMEsim軟件對其進行仿真分析。

1 整機的布置方案與技術(shù)要求

1.1 整機的布置方案

采用重心較穩(wěn)定的藥箱中置式整機布置方案(圖1)。液壓中置的布置方案可以使噴霧機在路況復(fù)雜多變的水田中運行平穩(wěn)，有效地降低側(cè)翻等事故的風(fēng)險[10]。

1：驅(qū)動液壓泵；2：柴油箱；3：液壓油油箱；4：柴油機；5：藥箱架；6：施藥液壓泵；7：座椅。圖1 噴霧機整機布置方案圖Fig.1 Layout scheme of sprayer

1.2 技術(shù)要求

根據(jù)南方水田特點[11]以及噴霧機的實際工作性能需求，參考傳統(tǒng)噴桿噴霧機設(shè)計方案，確定噴霧機主要技術(shù)參數(shù)：整機質(zhì)量900 kg，工作壓力0.4～1.0 MPa，最大噴幅12 m，離地間隙1 100 mm，理論作業(yè)速度1～5 km/h，藥桶容量500 L，最大爬坡度20°。

2 噴霧機液壓行駛系統(tǒng)分析及設(shè)計

2.1 液壓系統(tǒng)的負載分析

作為一種輪式移動機械，噴霧機的運動過程可以分為4個主要類型：爬坡、啟動加速、穩(wěn)定運行和減速停止。對各個階段進行分析，推導(dǎo)出馬達總負載(Mt)公式：爬坡時，Mt=M+Mf+Ma；啟動加速時，Mt=M+Mf+Ma；穩(wěn)定運行時，Mt=M+Mf；減速停止時，Mt=M+Mf-Ma。上述公式中Mt為馬達克服的總負載(N·m)，M為工作載荷力矩(N·m)，Mf為轉(zhuǎn)動部分對馬達軸徑的力矩(N·m)，Ma為車輪和馬達內(nèi)液壓在啟動和停止時的慣性力矩(N·m)。則行駛過程中最大牽引力約為：Ft=G·sinα+G·f·cosα，式中G為為噴霧機重力，α為最大坡度，f為地面摩擦系數(shù)。最大扭矩為：Mz=Ft·R/ηx，式中ηx為噴霧機的機械效率，R為車輪半徑。

根據(jù)計算所得的負載值與馬達體積選擇液壓系統(tǒng)的工作壓力，以及考慮經(jīng)濟因數(shù)和現(xiàn)有液壓元件的規(guī)格[12]，最大牽引力計算結(jié)果為5 718.34 N，初選工作壓力為19 MPa。

2.2 液壓行駛系統(tǒng)的設(shè)計方案

采用閉式液壓回路。相比于開式系統(tǒng)，閉式系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需單獨設(shè)計散熱裝置，但油箱體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，油液不易被污染且工作性能穩(wěn)定。液壓系統(tǒng)采用雙聯(lián)泵，主泵為斜盤式軸向柱塞變量泵，輔泵為單向定量液壓泵，同時與4個變量馬達組成閉合回路。變速裝置為手動伺服閥。液壓行駛系統(tǒng)的整體方案見圖2。

一般農(nóng)業(yè)四輪全驅(qū)動機械的功率質(zhì)量比范圍為 0.45～0.70 kw/kg[13]，本研究選用常柴3M78柴油機。此柴油機結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、節(jié)能節(jié)材，由于采用了低排放設(shè)計技術(shù)和隧道式結(jié)構(gòu)，排放少、污染低，振動小、噪聲低。

本系統(tǒng)的輔泵內(nèi)液壓油通過優(yōu)先閥補油、轉(zhuǎn)向與伺服控制回路供油，即液壓油過進油口進入優(yōu)先閥體，然后由出油口EF進入補油回路。當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)向時，優(yōu)先閥優(yōu)先將液壓油由DF口供給轉(zhuǎn)向回路，且轉(zhuǎn)向回路的液壓油最后直接流入補油回路中，實現(xiàn)補油功能。當(dāng)需要變速時，輔泵供壓力油至手動伺服閥，然后進入柱塞泵的伺服液壓缸操縱斜盤擺動，調(diào)節(jié)泵或馬達的排量，從而達到噴霧機以不同速度行駛的要求。

1：冷卻回路；2：補油回路；3：手動伺服閥；4：優(yōu)先閥；5：轉(zhuǎn)向回路；6：容積調(diào)速回路。圖2 液壓系統(tǒng)的總體原理圖Fig.2 Schematic of hydraulic system

由于泵和馬達上集成了各種閥，液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。又由于采用了閉式回路，因而油箱體積較小，油箱的全封閉可減少污染。變量泵和變量馬達調(diào)節(jié)方便，僅由一根操縱桿即可實現(xiàn)前進、后退及無級變速，泵與馬達組成的閉式回路系統(tǒng)還可實現(xiàn)雙向可逆?zhèn)鲃?。容積調(diào)速回路中液壓馬達采用并聯(lián)回路，用分流閥實現(xiàn)前輪兩個液壓馬達同步運行。噴霧機在水田行駛時，因道路泥濘異常需要采用四輪驅(qū)動以增加牽引力，回路中變量泵通過常開閥，供油給后輪兩個馬達，并通過調(diào)速閥實現(xiàn)與前輪同步驅(qū)動。當(dāng)出現(xiàn)打滑、陷落等狀況時，可通過關(guān)閉常開閥，停止給后輪供油，從而鎖住后輪，提高噴霧機的通過性能。

3 噴霧機液壓系統(tǒng)的AMESim建模仿真與驗證

3.1 建立仿真模型

基于以上設(shè)計和分析，在AMEsim軟件中搭建了噴霧機液壓傳動的仿真模型(圖3)。主要仿真參數(shù)：發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 600 r/min，液壓主泵的排量21.8 ml/r，補油泵排量4.1 ml/r，馬達排量380 ml/r，馬達最高轉(zhuǎn)速800 r/min，負載轉(zhuǎn)動慣量35.34 kg·m2，負載轉(zhuǎn)矩739.44 N·m，安全閥臨界壓力25 MPa。

圖3 噴霧機液壓傳動仿真模型Fig.3 Simulation model of hydraulic transmission of sprayer

由于液壓庫中沒有雙聯(lián)泵模型，本研究將主泵和輔泵分開，分別連接至發(fā)動機。信號源A發(fā)出常量信號，通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速輸出，然后由分別連至兩泵的轉(zhuǎn)速輸入端；用負載旋轉(zhuǎn)動力學(xué)模型B等效替代車輪，設(shè)置等效轉(zhuǎn)動慣量、滑動摩擦與靜摩擦等；用信號源C等效替代手動伺服閥，控制變量泵或馬達的排量，控制噴霧機的行走速度[14]。

3.2 仿真分析

3.2.1 HST性能測試仿真 賦予各個元件首選子模型，輸入仿真參數(shù)。設(shè)置仿真時間為15 s，仿真間隔為0.01 s[15]。仿真完成后，得到雙向液壓主泵與輔泵的流量、液壓馬達流量和壓力、負載的轉(zhuǎn)速與扭矩曲線(圖4、圖5、圖6)。由圖4可知，液壓主泵的穩(wěn)定輸出流量為78.8 L/min，略大于設(shè)計最大輸出流量，但考慮到在建模仿真時，忽略了液壓泵等存在液壓油泄漏的情況，仿真結(jié)果滿足使用條件。由圖5、圖6可以看出，馬達的穩(wěn)定輸出流量與壓力的大小也在正常運行范圍之內(nèi)，負載穩(wěn)定轉(zhuǎn)速大于30.8 r/min以及負載轉(zhuǎn)矩大于739.4 N·m，符合設(shè)計要求。仿真結(jié)果表明滿足所設(shè)計的轉(zhuǎn)速要求。

圖4 雙向液壓主泵與輔泵的流量Fig.4 Flow rate of two-way hydraulic main pump and auxiliary pump

圖5 馬達流量與壓力曲線Fig.5 Motor flow and pressure curve

圖6 負載的轉(zhuǎn)速與扭矩曲線Fig.6 Speed and torque curve of load

3.2.2 調(diào)速分析 本系統(tǒng)通過手動伺服閥改變泵的斜盤傾斜角度，從而改變液壓泵的排量，以達到速度調(diào)節(jié)的目的。由于AMESim液壓庫中沒有手動伺服閥模型，故采用信號源C輸出變量泵的控制參數(shù)改變主泵的排量。主泵輸入的控制參數(shù)見表1。

表1變量泵控制參數(shù)

Table1Controlparametersofvariablepump

初值終值運行時間階段0+15加速起步+1+110正向勻速+1-110由正向到反向-1-110反向勻速-1+110由反向到正向

設(shè)置仿真時間為60 s，仿真間隔為0.01 s。點擊開始，仿真完成后，得到主泵變量系數(shù)、液壓馬達和流量、負載轉(zhuǎn)速、負載扭矩等曲線(圖7、圖8、圖9、圖10)。由圖8可知，馬達的流量與壓力在變速的各個階段基本穩(wěn)定，且與速度的變化趨勢相吻合，在排量接近于0時，馬達流量與轉(zhuǎn)速在某一階段內(nèi)恒為0，這也與馬達具有臨界轉(zhuǎn)速的特點相吻合。對比圖7與圖9、圖10可知，負載轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的變化與以改變主泵排量而實現(xiàn)的速度變化而相吻合，且變化相對平穩(wěn)。仿真結(jié)果表明本液壓傳動系統(tǒng)的變速性能相對穩(wěn)定，且能適應(yīng)噴霧機的變速要求。

圖7 主泵變量系數(shù)曲線Fig.7 Variable coefficient curve of the main pump

圖8 馬達流量與壓力曲線Fig.8 Motor flow and pressure curve

圖9 負載轉(zhuǎn)速曲線Fig.9 Curve of the load speed

圖10 負載扭矩曲線Fig.10 Curve of the load torque

4 結(jié) 論

(1)運用HST全液壓傳動的原理設(shè)計出了適用于南方水田噴桿式噴霧機的液壓系統(tǒng)方案，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向、調(diào)速、冷卻等功能。

(2)在AMEsim軟件中搭建模型并進行分析，性能試驗和調(diào)速分析結(jié)果表明所設(shè)計的液壓方案準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。

(3)本研究將有利于水田噴霧機液壓傳動系統(tǒng)的優(yōu)化，降低整機質(zhì)量，對南方水田農(nóng)業(yè)機械設(shè)計和HST技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用具有參考價值。

[1] 古德祥,張古忍,張潤杰,等. 中國南方害蟲生物防治50周年回顧[J]. 昆蟲學(xué)報, 2000, 43(3):327-335.

[2] 高 翔,郭 靜,朱 鎮(zhèn),等. 高地隙自走式噴霧機動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究, 2017, 39(4) :247-268.

[3] ZAMAN Q U, ESAU T J, SCHUMANN A W, et al. Original papers: Development of prototype automated variable rate sprayer for real-time spot-application of agrochemicals in wild blueberry fields[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2011, 76(2):175-182.

[4] BATTE M T, EHSANI M R. The economics of precision guidance with auto-boom control for farmer-owned agricultural sprayers[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2006, 53(1):28-44.

[5] 孫書民,王進戈,柯 堅. 收割機中新型HST優(yōu)化設(shè)計及試驗[J]. 機械設(shè)計, 2014(5):34-38.

[6] 張磊江. 自走式水田噴桿噴霧機的設(shè)計與性能分析[D]. 鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué), 2014.

[7] 劉雪美,李 揚,李 明,等. 噴桿噴霧機精確對靶施藥系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2016, 47(3):37-44.

[8] HUANG K J, SU H W. Approaches to parametric element constructions and dynamic analyses of spur/helical gears including modifications and undercutting[J]. Finite Elements in Analysis & Design, 2010, 46(12):1106-1113.

[9] 王瀟楠,何雄奎,ANDREAS H,等. 噴桿式噴霧機霧滴飄移測試系統(tǒng)研制及性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2014(18):55-62.

[10] DU J, ZHANG G, LIU T, et al. Improvement on load performance of externally pressurized gas journal bearings by opening pressure-equalizing grooves[J]. Tribology International, 2014, 73(5):156-166.

[11] 姬長英,魯植雄,潘君拯. 中國南方水田土壤的承載能力和粘附性能預(yù)測[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1999, 22(4):105-108.

[12] 智友海,史向平,劉永壽,等. 液壓/燃油管道系統(tǒng)的管徑及其支撐的動力優(yōu)化設(shè)計[J]. 機械設(shè)計, 2010, 27(3):75-79.

[13] 路江濤. 歐美農(nóng)用發(fā)動機減排技術(shù)應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r及趨勢[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報, 2014, 35(1):46-49.

[14] 袁士豪,殷晨波,劉世豪. 基于AMESim的平衡閥動態(tài)性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2013, 44(8):273-280.

[15] 章韜韜,陳 明,陳海明. 基于Matlab的裝載機全液壓行走控制系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化[J]. 機械設(shè)計, 2010, 27(3):58-61.