高地隙輪式自走噴霧機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

郭 輝,陳恒峰,呂全貴,2,徐志強(qiáng),高國(guó)民，許曉波

(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(jì)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052；3.博樂市稼豐科技有限公司，新疆 博樂 833400)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械作為農(nóng)業(yè)種植從業(yè)人員的重要工具，其性能水平是衡量一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要指標(biāo)。我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械特點(diǎn)為小功率、純機(jī)械傳動(dòng)、缺少智能化，不能滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)要求[1]。液壓傳動(dòng)以其液壓元件相對(duì)安裝位置布局靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制速度快捷、反應(yīng)動(dòng)作靈敏、系統(tǒng)回路清晰及后期維護(hù)方便等特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)智能化控制，是使用成本與經(jīng)濟(jì)效益比值低，有利于實(shí)現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，成為農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的方向與趨勢(shì)[2-4]。

玉米與棉花等高稈農(nóng)作物作為中國(guó)東西部的重要農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物，種植面積與產(chǎn)量非常龐大，其生長(zhǎng)后期噴霧作業(yè)環(huán)境十分惡劣，不利于人工作業(yè)。為此，根據(jù)作業(yè)環(huán)境及液壓傳動(dòng)的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高地隙輪式自走噴霧機(jī)。

1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5-7]

為滿足高稈農(nóng)作物的后期生長(zhǎng)施藥需求，高地隙輪式自走噴霧機(jī)藥箱的負(fù)重較大，田間工作環(huán)境復(fù)雜，工作溫度高，需要液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性高，能承受大量的波動(dòng)沖擊。因此，采用開式液壓回路，以變量泵和變量馬達(dá)為重要原件，輔以各種回路控制元件，通過改變泵的排量和液壓馬達(dá)的排量來調(diào)節(jié)機(jī)械的行走速度，滿足滿載噴藥與空載行駛時(shí)的不同工作需求，且能夠?qū)崿F(xiàn)工作時(shí)的恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。整體液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 工作系統(tǒng)元件的設(shè)計(jì)與計(jì)算

本設(shè)計(jì)中，液壓工作系統(tǒng)在整個(gè)液壓系統(tǒng)中是重要組成部分,對(duì)此進(jìn)行重點(diǎn)分析與設(shè)計(jì)，以保證機(jī)械工作整體性能。工作系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

高地隙輪式自走噴霧機(jī)主要參數(shù)如下：

車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：前輪獨(dú)立兩驅(qū)，后輪轉(zhuǎn)向

馬達(dá)減速傳動(dòng)比：1：53.7

工作行駛速度/km·h-1：4.2～4.5

空載路面行駛速度/km·h-1：7～7.2

空載質(zhì)量/kg：1 800

滿載工作質(zhì)量/kg：5 000

驅(qū)動(dòng)輪半徑/m：0.5

工作地理環(huán)境：爬坡能力為20%

根據(jù)高地隙輪式自走噴霧機(jī)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)要求及工作性能指標(biāo)，可得機(jī)械在工作上坡時(shí)液壓系統(tǒng)的工作能量最大；經(jīng)過查閱書籍，可以得到行駛力計(jì)算方式。

設(shè)計(jì)噴藥機(jī)的爬坡能力為20%及爬坡的角度為11.3°，高架噴藥機(jī)在斜坡上的工作受力情況，最大情況為

∑F=Ff+H+Fx

其中，F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力；H為坡度阻力；Fx為工作阻力(空氣與加速度)。

正常工作行駛時(shí)，由于滾動(dòng)阻力和坡度阻力遠(yuǎn)大于工作阻力，計(jì)算時(shí)不考慮工作阻力，因此牽引力主要用于克服機(jī)械運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)阻力和坡度阻力。噴藥機(jī)的工作質(zhì)量為5t。

其中，F(xiàn)f=f·G·cosa；H=G·simα；G為噴藥機(jī)的工作質(zhì)量G=4 900N；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取f=0.02；α為坡度角，爬坡能力為20%時(shí)α=11.3°。因此，牽引力F=10 562N，則空載牽引力F=3803N。

液壓馬達(dá)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(dòng)比；

r——驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力半徑。

現(xiàn)有參數(shù)減速傳動(dòng)比1：53.7，最大行駛速度4.5km/h，驅(qū)動(dòng)輪半徑0.5m，帶入?yún)?shù)得Nm=1 283r/min。

空載路面行駛時(shí)，Nm空=1283×7.2/4.5=2 053r/min。

液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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)工作F=105 62N、V=1.25m/s，得P=7.8kW(兩個(gè)馬達(dá)并聯(lián))。空載時(shí)，馬達(dá)功率p=2.237kW。

馬達(dá)扭矩為

式中P——液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)功率；

Nm——液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

帶入?yún)?shù)，得工作時(shí)Tw=58.1N·m，空載時(shí)馬達(dá)扭矩Tw=10.4N·m。

馬達(dá)排量計(jì)算公式為

式中p1——液壓系統(tǒng)額定壓力；

Tw——馬液壓達(dá)扭矩；

Ηm——機(jī)械效率，取Hm=0.8。

選擇系統(tǒng)額定工作壓力為20MPa, 帶入?yún)?shù)得q=22.8mL/r。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)液壓馬達(dá)的選型要求為：額定工作壓力為20MPa,轉(zhuǎn)速1 283r/min，排量22.8mL/r，轉(zhuǎn)矩58.1N·m，功率7.8kW左右。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)中選擇馬達(dá)：LTM07B,額定工作壓力21MPa,最大為30MPa，擋位I轉(zhuǎn)速1 376r/min,排量39.5mL/r,轉(zhuǎn)矩709 N·m；擋位II轉(zhuǎn)速2 171r/min,排量25mL/r,轉(zhuǎn)矩449N·m，最高轉(zhuǎn)速3 000r/min。

在選擇液壓元器件時(shí)，根據(jù)馬達(dá)所需流量確定泵的流量Qp[8-12]。

液壓馬達(dá)的排量q、轉(zhuǎn)速n和流量Q的關(guān)系為

式中q——液壓馬達(dá)的排量(mL/r)；

n——液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速(r/min)；

Q——液壓馬達(dá)的流量(L/min)。

液壓泵(馬達(dá))功率計(jì)算公式為

式中P——液壓馬達(dá)的工作壓力(MPa)；

N——液壓馬達(dá)的功率(kW)；

Q——液壓馬達(dá)的流量(L/min)。

由于LTM07B額定工作壓力為21MPa,最大為30MPa，轉(zhuǎn)速1 376r/min,排量39.5mL/r，所以馬達(dá)所需流量Q=54.352L/min, 功率N=18.65kW。

多液壓缸或液壓馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，液壓泵的輸出流量應(yīng)為

QP≥K(ΣQmax)

式中K——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.1～1.3；

ΣQmax——同時(shí)動(dòng)作的液壓缸或液壓馬達(dá)的最大總流量。

所以，液壓泵的流量QP=119.6L/min。

軸向柱塞泵型號(hào)為63SCY14-1B，公稱排量80L/min， 額定壓力31.5MPa，額定轉(zhuǎn)速1 500r/min，排量120L/min。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)與泵的匹配標(biāo)準(zhǔn)，選擇ZHAZG1型柴油機(jī)，額定功率56kW，轉(zhuǎn)速2 400r/min。

根據(jù)上述的計(jì)算可得高地隙輪式自走噴霧機(jī)的工作系統(tǒng)的主要液壓參數(shù)如下：

馬達(dá)減速傳動(dòng)比：1：53.7

工作行駛速度/km·h-1：4.2～4.5

空載行駛速度/km·h-1：7～7.2

空載質(zhì)量/kg：1 500

滿載工作質(zhì)量/kg：5 000

驅(qū)動(dòng)輪半徑/m：0.5

工作地理環(huán)境：爬坡能力為20%

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/r·min-1：2 400

馬達(dá)參數(shù)I:1 376r/min，39.5mL/r

馬達(dá)參數(shù)II：2 171r/min，25mL/r

系統(tǒng)工作壓力/MPa:20

溢流閥壓力/ MPa:20

泵排量/L·min-1:80

泵工作轉(zhuǎn)速/r·min-1:1 500

圖1 整體液壓系統(tǒng)原理圖

1.過濾器 2.變量泵 3.單向閥 4.溢流閥 5.三位四通手動(dòng)換向閥6、8.組合閥組(調(diào)速閥+調(diào)壓閥) 7、9.變量馬達(dá)圖2 工作系統(tǒng)液壓圖Fig.2 The hydraulic diagram of working system

3 工作系統(tǒng)的仿真研究

3.1 建立工作系統(tǒng)模型

在AMESim仿真軟件中的液壓系統(tǒng)為理想狀態(tài)，對(duì)此系統(tǒng)回路與液壓元件默認(rèn)并聯(lián)回路壓力相等、速度相同、無油量損失等問題(將手動(dòng)換向閥在仿真中變?yōu)殡姶艙Q向閥進(jìn)行工作仿真、過濾器省略等。根據(jù)泵與馬達(dá)的參數(shù)及工作系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)[13]，可得系統(tǒng)主要仿真參數(shù)如下：

泵輸出速度/r·min-1：1 375

變量泵排量/mL·r-1：80

馬達(dá)I擋轉(zhuǎn)速/r·min-1：1 376

馬達(dá)I擋排量/mL·r-1：39.8

啟動(dòng)I擋馬達(dá)轉(zhuǎn)矩/N·m：0

正常I擋馬達(dá)轉(zhuǎn)矩/N·m：58.1

溢流閥額定壓力/MPa：20

馬達(dá)II擋轉(zhuǎn)速/r·min-1：2 171

馬達(dá)II擋排量/mL·r-1：25

啟動(dòng)II擋馬達(dá)轉(zhuǎn)矩/N·m：0

正常II擋馬達(dá)轉(zhuǎn)矩/N·m：10.4

三位四通閥I擋流量/ L·min-1：109.5 L/min

三位四通閥II擋流量/L·min-1：108.6L/min

三位四通閥設(shè)置：換向閥信號(hào)：0～9s為40

10～11s為0

12～20s為-40

變量泵信號(hào)：0～20s為1

馬達(dá)I擋轉(zhuǎn)矩信號(hào)：0～2s為0～5.81

3～9s為5.81

10～11s為5.81～0

11～13s為0～-5.81

14～20s為-5.81

馬達(dá)II擋轉(zhuǎn)矩信號(hào)：0～2s為0～1.04

3～9s為1.04

10～11s為1.04～0

11～13s為0～-1.04

14～20s為-1.04

馬達(dá)轉(zhuǎn)矩增益：10

根據(jù)液壓驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)原理與元件仿真參數(shù)，在AMESim仿真軟件中創(chuàng)建液壓工作系統(tǒng)的仿真模型圖，如圖3所示。

1.液壓油 2.電機(jī) 3.泵 4.單向閥 5.溢流閥 6.三位四通換向閥 7、8.馬達(dá) 9、10.模擬負(fù)載 13、14.轉(zhuǎn)矩儀器 15、16.增益 17、18、19、20.分段線性信號(hào)源圖3 工作系統(tǒng)仿真模型Fig.3 The simulation model of work system

3.2 工作系統(tǒng)回路及分析

在AMESim中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、仿真運(yùn)算，得到液壓系統(tǒng)仿真回路中主要元件。前輪左右獨(dú)立變量馬達(dá)在不同擋位、不同輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)的工作特性曲線如圖4～圖7所示。

圖4 變量馬達(dá)7在I擋工作特性曲線圖

圖5 變量馬達(dá)8在I擋工作特性曲線圖

圖6 變量馬達(dá)7在II擋工作特性曲線圖

圖7 變量馬達(dá)8在II檔工作特性曲線圖

根據(jù)仿真圖形結(jié)果分析可知：運(yùn)行時(shí)間為0～20s時(shí)，車輛的運(yùn)行狀態(tài)為分為4個(gè)部分，即0～2s從靜止到啟動(dòng)，3～9s啟動(dòng)后正常行駛，10～11s換向閥中位制動(dòng)車輛停止，12～13s反向啟動(dòng)，14～20s啟動(dòng)后正常行駛。

1)圖4與圖5進(jìn)行對(duì)比分析可知：變量馬達(dá)7與8在重載噴藥I擋工作時(shí)動(dòng)作運(yùn)行方向相反，工作特性曲線的變量關(guān)系相同，符合輪式并聯(lián)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)特征；在馬達(dá)0～1s、11～12s從靜止到啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速反應(yīng)迅速，但在1～5s、13～16s的時(shí)間段中會(huì)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，在此之間傳輸轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)相同現(xiàn)象。

3)圖6與圖7進(jìn)行對(duì)比分析可知：在馬達(dá)空載正常II擋工作時(shí)，0～3s、11～14s從靜止到啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速反應(yīng)慢，但在4～5s、15～16s的時(shí)間段中會(huì)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象；最大工作壓力為16.9MPa，小于系統(tǒng)設(shè)定的額定工作壓力20MPa；車輛滿足最高行駛速度7.2 km/h時(shí)泵的轉(zhuǎn)速為1 340r/min，小于額定轉(zhuǎn)速1 500r/min；輸出最大轉(zhuǎn)矩為66.9N·m，小于馬達(dá)額定轉(zhuǎn)矩449N·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

4)綜合圖4、圖5、圖6與圖7進(jìn)行對(duì)比分析可知：車輛重載時(shí)，啟動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速反應(yīng)速度快于空載時(shí)，這是因?yàn)镮擋、II擋的馬達(dá)轉(zhuǎn)速不同；車輛重載時(shí)，最高工作壓力大于空載時(shí)的最大工作壓力，這是因?yàn)镮I擋的馬達(dá)轉(zhuǎn)速大于I擋。馬達(dá)工作過程中，摩擦因數(shù)為定時(shí)轉(zhuǎn)速越快工作阻力越大,工作時(shí)產(chǎn)生的額外轉(zhuǎn)矩就越大,馬達(dá)在II擋工作時(shí)額外轉(zhuǎn)矩相對(duì)于馬達(dá)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩比率大于I擋。

5)綜合圖4～圖7進(jìn)行對(duì)比分析可知：車輛在工作過程中，換向閥換向時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)重大震蕩現(xiàn)象(表明馬達(dá)在此時(shí)受到巨大沖擊，容易損壞)；空載運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的回歸穩(wěn)定好于重載。為此，在噴藥工作時(shí)要用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制車輛行走方向，盡量少用換向閥控制發(fā)達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向。

4 樣機(jī)田間實(shí)驗(yàn)

新疆維吾爾自治區(qū)博樂市稼豐科技有限公司根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖制作出原型樣機(jī)進(jìn)行田間實(shí)驗(yàn)，如圖8所示。

圖8 田間試驗(yàn)樣機(jī)

樣機(jī)田間試驗(yàn)時(shí)，土壤濕度為20%～25%，土壤緊實(shí)，實(shí)度為140～150Pa，結(jié)果如下：

1)在滿載工作質(zhì)量5 100kg、泵轉(zhuǎn)速度為1 500r/min、排量80 L/min、爬坡能力為23%時(shí)，使用I擋工作時(shí)，行駛速度為4.82km/h，實(shí)際工作壓力為15.1MPa。

2)在空載工作質(zhì)量1 550kg，泵轉(zhuǎn)速度為1 500r/min、排量80L/min、爬坡能力為30%時(shí)，使用II擋工作時(shí)，行駛速度為8.2km/h，實(shí)際工作壓力為17MPa。

綜合上述結(jié)果表明：此液壓系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)與使用要求。

5 結(jié)論

1)由于在設(shè)計(jì)過程中大量地采用理論計(jì)算與計(jì)算機(jī)輔助軟件相結(jié)合的創(chuàng)作設(shè)計(jì)理念，使復(fù)雜的液壓系統(tǒng)元件關(guān)系得以簡(jiǎn)潔、明了地展現(xiàn)在設(shè)計(jì)者面前，便于分析各相聯(lián)部件之間的參數(shù)變量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在工作的動(dòng)態(tài)參數(shù)變化，對(duì)不符合線性規(guī)律的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，尋找處理解決方法。本方法將問題解決于萌芽狀態(tài)，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2)AMESim此類計(jì)算機(jī)輔助軟件，都是仿真機(jī)械車輛在十分理想的工作狀態(tài)運(yùn)行過程，其仿真的結(jié)果與實(shí)際工作的結(jié)果存在差異，不可以直接使用，需要在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)工作系統(tǒng)的不足，進(jìn)行不斷完善。