靜液壓驅動技術在玉米收割機上的發(fā)展研究①

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(1佳木斯大學，黑龍江 佳木斯 154002;2.龍巖學院，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的發(fā)展就十分迅猛，2011年繼續(xù)保持了高溫發(fā)展勢頭，隨著時代的進步，玉米收割機的形式結構也出了多樣化的變化，與此同時生產玉米收割機的生產廠家也迅速出現(xiàn)在了祖國各地。行走系統(tǒng)從根本上決定了收割機的動力性、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行走部分的性能。

1 常見的無級調速系統(tǒng)

1.1 機械無級傳動

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

1.2 液壓機械功率分匯流傳動(HMT)

HMT系統(tǒng)對控制要求高，由于這個原因造成制造成本相對較高。這個系統(tǒng)是由機械系統(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，還具有機械裝置的高效率性。但美中不足之處在于該結構比較復雜，開發(fā)難度大，限制了其在農業(yè)機械上的推廣和應用。

圖1 無級變速輪

1.3 液壓機械連續(xù)無級變速傳動(HST)

HST是機械傳動部分和液壓傳動部分串聯(lián)組合而成的。該系統(tǒng)除了具有液壓系統(tǒng)無級調速的特性以外還具有機械傳動高效率的優(yōu)勢。根據具體情況可以選擇整體式和分置式，考慮到玉米收割機工況復雜，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結構緊湊、操作簡單、易于與發(fā)動機實現(xiàn)合理匹配，在農業(yè)機械上應用越來越廣泛。

2 玉米收割機液壓驅動部分傳動原理分析

2.1玉米收割機對液壓系統(tǒng)的要求

玉米收割機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，甚至有的時候變化波動會很大，所以，對液壓驅動裝置要求如下[2]：

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

(2) 有效的利用液壓制動性能，從安全方面考慮，還應該加設機械制動裝置；

(3) 整個裝置的速度調節(jié)范圍一定要大；

(4) 液壓操作要人性化，設計時要考慮駕駛人員的經驗水平和駕駛習慣，力爭做到操作簡單易懂；

(5) 設計結構要簡單，便于后期維修和維護。液壓元件的質量必須要過關，并且多選用高質量制造商的元件。液壓泵必須使用雙向變量泵，以確保車輛能夠正常前進和倒退；

(6) 回路要設置保壓機構，防止過載導致元器件的損壞，也避免危險事故發(fā)生。

2.2 玉米收割機行走機構的傳動方案

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

2.3 液壓驅動裝置的調速方案

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

(1) 定量泵和定量馬達的節(jié)流調速系統(tǒng)

如圖2所示，該系統(tǒng)是傳遞系統(tǒng)，此時液壓泵與液壓馬達都是定量的。由于馬達和泵都是定量的，所以單純的靠泵和馬達是不能實現(xiàn)該系統(tǒng)速度改變的。假如通過節(jié)流來實現(xiàn)調速，那么就會出現(xiàn)液壓油在很高的壓力下通過節(jié)流閥和溢流閥，從而會引起巨大的壓力損失，而且會產生嚴重的系統(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)，該回路結構確實簡單而且操作簡便，也能實現(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或其他小型行走車輛上。

圖2 最簡單的靜液壓驅動系統(tǒng)

(2) 液壓變量泵與液壓定量馬達的容積調速回路

圖3是通過調節(jié)液壓泵的排量而達到無級調速目的回路。馬達2的回油口直接接到液壓油泵1的入口，從而形成油液內部循環(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)內循環(huán)著，空氣從油箱進入系統(tǒng)內的可能性大大降低。因此，容積調速回路都采用變量泵和定量馬達的組合形式。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。為了補償液壓油泵和馬達的泄漏，會在低壓管路上接一個小排量的補油泵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入系統(tǒng)內部。由圖可知補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的轉速nM和轉矩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其中任何一個量發(fā)生改變，馬達的轉速nM隨即改變。與此同時回路中的泵能夠反向旋轉，這樣一來調速范圍會變大。通過式子(2)可知，qM是一定的，但Pp由安全閥預設值確定，所以Pp一樣也是確定的數(shù)值。由此可見，馬達的扭矩值M輸出是確定的，也就是說調速是恒扭矩的。假如不考慮功率損失，馬達的輸出功率應該等于泵的輸出功率，其公式如下：

(3)

因為Qp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容積調速回路

2.4 液壓驅動裝置的液壓機械傳動方案

常見的液壓機械傳動主要是兩類方案：

第一類是液壓元件與機械裝置的雙流并聯(lián)連接而成的，通過功率的分流來實現(xiàn)無級調速的目的，整體系統(tǒng)由機械、液壓和動力分匯流機構構建而成[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力。該機構即可以位于輸入端，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級傳動系統(tǒng)比較復雜，而且設計周期比較長，生產成本比較高，所以該課題不采用這種調速系統(tǒng)。

第二類方案是機械變速箱與液壓傳動系統(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2共同組成了該閉式容積調速同路。通過調節(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獲得不同的轉速。除此之外還可以通過調整變量泵的斜盤角的方向，來改變馬達2旋轉方向。

圖4 液壓變量泵與液壓定量馬達容積調速系統(tǒng)原理圖

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

綜合考慮兩種傳動方案，從經濟性、生產周期、后期維護以及實用性等方面考慮，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如圖5和6所示。

圖5 液變量壓泵

圖6 液壓定量馬達

3 結 語

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