番茄收獲機齒輪泵傳動設計與試驗

郝朝會 楊學軍 周軍平 張志杉

（1.中國農業(yè)機械化科學研究院，北京 100083；2.山東新華醫(yī)療器械股份有限公司，山東 淄博 255086）

新疆地區(qū)得天獨厚的天然和地理條件，適宜于加工型番茄的大面積種植。近些年，在政府和市場的引導下，加工型番茄的種植得到了長足發(fā)展。由于種植面積增加和人力采收成本高、采收時間長等限制，使得人工采收已經(jīng)滿足不了加工型番茄的收獲，而加工型番茄機械化收獲具有采收效率高、時間短、成本低等優(yōu)勢，得到了新疆市場的認可。

現(xiàn)在新疆地區(qū)的加工型番茄收獲機主要以國外進口為主，而中國的番茄收獲機還不能很好地滿足市場的要求，但進口機器適應性不佳、維修成本高、價格昂貴，限制了新疆地區(qū)加工型番茄機械化收獲的良性發(fā)展，因此加工型番茄收獲機的國內化亟需解決［1－3］。

為滿足新疆地區(qū)加工型番茄機械化收獲的國內化需求，筆者所在單位研制的4FZ－2型番茄收獲機，采用全液壓驅動，行走系統(tǒng)為閉式控制柱塞發(fā)動機，其余發(fā)動機和油缸均為開式系統(tǒng)，其中振動分離發(fā)動機、整機油缸、轉向、剎車、換擋等由一組三聯(lián)齒輪泵提供油壓，三聯(lián)齒輪泵的動力來自柴油發(fā)動機風扇端主軸，為雙聯(lián)V帶傳動，但由于V帶加工精度差、預緊力以及長時間運動變形等原因，容易打滑失效，并且三聯(lián)齒輪泵轉軸容易磨損失效，造成整機可靠性較差。同步帶傳動是通過帶齒和齒輪的嚙合傳動動力和運動的，具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。因此，本研究擬在前期研究［4－6］的基礎上，改進三聯(lián)齒輪泵傳動裝置為同步帶傳動，并加軸承座過度裝置，以便有效保護三聯(lián)泵轉子，旨在解決番茄收獲機齒輪泵傳動過程中傳動失效的問題，提高其傳動的可靠性和穩(wěn)定性。

1 總體方案設計

4FZ－2型番茄收獲機配備玉柴柴油發(fā)動機YC6B160ZT20，基于安裝空間及動力配置考慮，三聯(lián)齒輪泵傳動裝置安裝在發(fā)動機風扇端主軸，三聯(lián)齒輪泵通過螺栓固定在帶導槽的軸承固定座上，轉子通過花鍵聯(lián)接到從動輪軸，并裝在軸承上，見圖1。

圖1 三聯(lián)齒輪泵方案簡圖Figure 1 The scheme diagram of three－linkage gear pump

三聯(lián)齒輪泵在運動過程中，隨著管道內油壓增大，帶輪拉力增大，當管道內油壓達到溢流壓力時，帶輪拉力趨于穩(wěn)定。同步帶傳動是通過帶和帶輪的嚙合傳遞運動和動力，無相對滑動，能夠保證恒定的傳動比，且傳動效率高，預緊力小。圓弧齒同步帶較梯型齒同步帶嚙合更平穩(wěn)，降低了震動和噪聲，同時減小了齒根處應力集中，提高了同步帶壽命，而且載荷分布均勻，承載能力大［7］。因此，本試驗傳動機構選用圓弧齒形同步帶傳動。

三聯(lián)齒輪泵主要性能參數(shù)見表1。

三聯(lián)齒輪泵傳動技術要求：

（1）傳動平穩(wěn)、可靠，震動和噪聲小，不干涉。

（2）便于拆裝，易維護，整機的油缸和發(fā)動機正常運轉。

表1 三聯(lián)齒輪泵主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of three－linkage gear pump

2 關鍵零部件設計

2.1 同步帶輪設計

4FZ－2型番茄收獲機配備的柴油發(fā)動機額定轉速為2 200r/min，因安裝位置限制，帶輪節(jié)徑d≤105mm。為更好地匹配整機性能，初定傳動比i為1∶1。簡化計算，設計功率按式（1）計算：

式中：

Pd——設計功率，kW；

KA——工況系數(shù)；

P——額定功率，kW。

查工況系數(shù)KA選型表［8］得KA＝1.5；因3個泵不同時工作，根據(jù)實際工作情況，選P＝10kW。得：

Pd＝15kW

查《機械設計手冊》［8］中“圓弧齒同步帶選型圖”，滿足發(fā)動機和三聯(lián)泵參數(shù)要求，初定同步帶選型8M或14M。且?guī)л喒?jié)徑d≤105mm，故可選8M40齒或14M23齒，考慮多邊形效應，且8M最小齒數(shù)為36齒，14M最小齒數(shù)為28齒，故選：8M40齒同步帶輪。

根據(jù)實際安裝空間限制，以及張緊方式，初定中心距可調，調節(jié)范圍為：240mm≤a0≤270mm。

帶寬bs按式（2）計算：

式中：

bs0——選定型號的基準寬度，mm；

KL——圓弧齒帶長系數(shù)；

KZ——小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)；

P0——基準額定功率，kW。

查設計計算表［8］可得：bs0＝20mm，KL＝0.9，KZ＝1，P0＝7.15kW。得：

bs≥42.02mm

限于安裝位置狹小，寬度太大會出現(xiàn)干涉，所以8M40齒同步帶輪不可行，則選14M23齒同步帶輪，但14M最小齒數(shù)為28齒，23齒的相關參數(shù)機械手冊未給出，只能憑經(jīng)驗設計。帶輪齒數(shù)越小，同步輪的多邊效應越明顯，同步帶傳動的穩(wěn)定性也相對越差，但同步帶最小齒數(shù)不是絕對的，只要齒形合理，傳動就能相對平穩(wěn)。查GB/T 13487—2002《一般傳動用同步帶》中表1可知圓弧齒同步帶單位帶寬抗強度14M是8M的1.33倍，以此推算，同時考慮安裝位置限制等，選14M23齒同步帶輪帶寬bs＝30mm。

綜上，主動同步帶輪和從動同步帶輪選型為：槽型：14M；齒數(shù)Z：23齒；帶寬bs：30mm；齒節(jié)徑d：102.50mm。

2.2 三聯(lián)齒輪泵固定裝置設計

發(fā)動機在運轉過程中會產(chǎn)生振動，其自身也會有縱向和橫向振動，如果將三聯(lián)齒輪泵固定裝置安裝在發(fā)動機支架上，在傳動過程中會對同步帶產(chǎn)生沖擊負荷［9］，從而使同步帶折曲失效，影響整機可靠性。因此，三聯(lián)齒輪泵的安裝要固定在發(fā)動機機體上，減小因發(fā)動機振動而帶來的沖擊負荷。

三聯(lián)齒輪泵固定裝置通過4個M12螺栓固定在發(fā)動機上，形如懸臂梁結構，帶有導軌，為減小因負載變化而產(chǎn)生的沖擊負荷使固定支架發(fā)生振動引起的皮帶折曲失效，設計底板厚度為20mm，同時加筋處理，見圖2。

2.3 三聯(lián)齒輪泵軸承座設計

圖2 三聯(lián)齒輪泵固定裝置Figure 2 The fixing device of three－linkage gear pump

三聯(lián)齒輪泵雙聯(lián)V帶傳動中雙聯(lián)V帶直接固定在三聯(lián)齒輪泵轉軸上，由于V帶壓軸力作用，使得三聯(lián)齒輪泵轉軸受到徑向力，長時間運動，轉軸會發(fā)生變形，油封失效，最終三聯(lián)齒輪泵磨損壞掉，為避免三聯(lián)齒輪泵磨損失效，設計了帶導槽的軸承座，使壓軸力作用在過渡軸上，從而避免對三聯(lián)齒輪泵轉軸的損傷；并考慮實際安裝空間和運動情況，設計以潤滑脂為潤滑方式，定期打油。三聯(lián)齒輪泵軸承座見圖3。

圖3 三聯(lián)齒輪泵軸承座Figure 3 The bearing seat of three－linkage gear pump

2.4 張緊機構設計

同步帶在傳動過程中，為保證可靠性，必須要進行適當?shù)貜埦o，使皮帶具有一定的初拉力。張緊力的選取，至關重要，張緊力過小會使同步帶在運轉中因嚙合不良而發(fā)生跳齒現(xiàn)象，在跳齒的瞬間，可能因拉力過大而使帶斷裂或帶齒斷裂，同步帶傳遞運動的精度降低，帶的振動噪音變大；張緊力過大則會導致皮帶表層壓力過大，帶和帶輪之間的摩擦力增大，造成皮帶發(fā)熱量大，當橡膠皮帶工作在85℃以上較長一段時間后，橡膠成分會變硬，由于運轉彎曲導致背部開裂，致使皮帶大面積區(qū)域磨損，皮帶齒部剪切或斷裂，使帶的壽命降低，傳動噪音增大，皮帶由于齒部剪切也會導致拉伸性斷裂。同時軸和軸承上的載荷增大，加劇軸承的發(fā)熱和使軸承壽命降低。因此，適宜的張緊力是保證同步帶傳動正常工作的重要條件［10，11］。

同步帶緊邊張力F1、松邊張力F2和張緊力F0分別為：

式中：

F——同步帶所受力，N；

Pd——設計功率，kW；

V——帶速，m/s。

由式（3）可得，F(xiàn)1＝1 589N，F(xiàn)2＝318N。

式中：

F0——同步帶所受張緊力，N；

F1——同步帶緊邊張力，N；

F2——同步帶松邊張力，N；

由式（4）可得，F(xiàn)0＝953.5N。

因安裝三聯(lián)齒輪泵處空間狹小，單獨安裝張緊輪較困難，且不易維護，可靠性差，考慮用2個M12螺栓張緊，螺母鎖定，見圖4。

圖4 三聯(lián)齒輪泵張緊裝置Figure 4 The tension device of three－linkage gear pump

3 試驗與結果

3.1 試驗基本條件

（1）試驗地點：現(xiàn)代農裝科技股份有限公司保定分公司車間進行。

（2）試驗時間：2014年12月。

（3）柴油發(fā)動機參數(shù)：品牌：玉柴；型號：YC6B160ZT20；氣缸數(shù)：6個；排量：6.871L；額定功率：118kW；額定轉速：2 200r/min；最大扭矩：590N·m。

3.2 試驗結果

三聯(lián)齒輪泵傳動裝置空載試驗，試驗3次，每次30min，試驗結果見表2。

表2 三聯(lián)齒輪泵試驗結果Table 2 Experimental results of three－linkage gear pump

由表2可知，發(fā)動機在不同轉速時，三聯(lián)齒輪泵運轉正常，整機油缸動作和功能動作正常，驗證了三聯(lián)齒輪泵結構設計的合理性。

4 結論

（1）設計了三聯(lián)齒輪泵同步帶傳動裝置，選用14M23齒同步帶輪，30mm寬度同步帶，1∶1傳動，傳動精確、可靠，避免了V帶打滑和三聯(lián)齒輪泵轉軸磨損等失效情況，完全滿足4FZ－2型番茄收獲機三聯(lián)齒輪泵傳動要求。

（2）進行整機空載試驗，試驗結果表明整機油缸、發(fā)動機運行正常，剎車駐車等安全可靠。

（3）同步帶運轉平穩(wěn)，溫度正常，縱向振動較小，結構設計合理。但三聯(lián)齒輪泵傳動裝置僅做了整機空載試驗，還需進行田間試驗，進一步調試，使其滿足西紅柿收獲的工況和性能要求。

1 譚洪洋，李成松，坎雜，等.加工番茄果秧分離裝置的設計及仿真［J］.農機化研究，2012，1（1）：84～87.

2 李成松，坎雜，譚洪洋，等.加工番茄果秧分離裝置運動過程分析［J］.農業(yè)機械學報，2012，4（4）：66～69.

3 李成松，梁榮慶，坎雜，等.液壓振動系統(tǒng)在番茄果秧分離裝置中的應用［J］.農機化研究，2013，12（12）：233～236.

4 呂超群，魯聰達，劉高進，等.基于 MATLAB的同步帶傳動優(yōu)化設計［J］.機械傳動，2007，31（5）：67～87.

5 張凱凱.同步帶傳動的動態(tài)性能研究［D］.西安：陜西科技大學，2012

6 賴慶輝，賀雙玲，劉景衛(wèi)，等.翻麻脫粒機機液壓傳動系統(tǒng)的設計［J］.農機化研究，2008（8）：94～96.

7 周鵬.汽車同步帶傳動設計方法及傳動性能研究［D］.長春：長春理工大學，2009.

8 成大先.機械設計手冊（第3卷）［M］.第5版.北京：化學工業(yè)出版社，2011.

9 李心耀，洪建忠，將春梅，等.同步帶傳動在離心機配平系統(tǒng)中的應用與研究［J］.機械傳動，2011，25（8）：94～96.

10 楊玉萍，季彬彬.同步帶傳動中張緊輪安裝位置的優(yōu)化設計［J］.南通大學學報（自然科學版），2010，9（1）：68～70.

11 張大為.同步帶傳動靜態(tài)性能與動態(tài)性能分析研究［D］.長春：長春理工大學，2008.