一種適用于收獲機(jī)的液力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋的研制

郝曉飛　王鐵新　董杰　管月花

為了提高玉米收獲機(jī)在東北地區(qū)、西北地區(qū)、內(nèi)蒙地區(qū)的偏坡作業(yè)、濕洼地作業(yè)、土壤沙化地作業(yè)等惡劣工況下的高效作業(yè)通過性能，確保收獲機(jī)在發(fā)生陷車時(shí)能夠可靠脫困，設(shè)計(jì)了一種適用于收獲機(jī)的液力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋。該液力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋采用輪邊馬達(dá)（POCLAIN）直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪的形式，動(dòng)力傳遞平穩(wěn)可靠;采用電磁閥“通、斷”實(shí)現(xiàn)液力后驅(qū)的使用和不使用，一鍵操縱，方便快捷;專門設(shè)計(jì)了防打滑閥，確保收獲機(jī)陷車時(shí)，有效脫困。針對橋架、轉(zhuǎn)向節(jié)、油缸等關(guān)鍵部件和承載能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、轉(zhuǎn)向阻力、轉(zhuǎn)向角等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。產(chǎn)品經(jīng)過試制驗(yàn)證，表明該液力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋完全可滿足玉米收獲機(jī)在惡劣工況下工作的需要，符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

我國玉米收獲機(jī)研制始于1960年，2004年國家出臺(tái)農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼政策以來，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械事業(yè)得到了迅猛發(fā)展，我國玉米機(jī)收率得到了極大提高，特別是北方玉米區(qū)（黑龍江省、吉林省、山東省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、河南省及河北省等）機(jī)收率達(dá)到了約70%。但正是在這部分區(qū)域，存在偏坡作業(yè)、濕洼地作業(yè)、土壤沙化地作業(yè)等狀況，收割難度大，阻礙著玉米機(jī)收率的進(jìn)一步提高。

市場上目前能適應(yīng)上述工況的四驅(qū)玉米收獲機(jī)多為機(jī)械后驅(qū)結(jié)構(gòu)，技術(shù)來源于約翰迪爾機(jī)型。機(jī)械后驅(qū)結(jié)構(gòu)動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)橋通過傳動(dòng)軸傳遞至轉(zhuǎn)向橋，轉(zhuǎn)向橋體包含中間差速器和邊減速箱裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間布局困難。同時(shí)，由于不同款式玉米收獲機(jī)的輪胎直徑、胎壓、整機(jī)重量、作業(yè)工況等均不一致，需要針對每一款玉米收獲機(jī)機(jī)型進(jìn)行傳動(dòng)速比匹配，計(jì)算繁瑣而困難、零部件通用性差，使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)“前拉后”或“后推前”的情況，故障率高，可靠性差。

為此，通過整合借鑒國外先進(jìn)的液壓驅(qū)動(dòng)元件，結(jié)合玉米收獲機(jī)轉(zhuǎn)向橋架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，研制了一種適用于收獲機(jī)的液力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋，并進(jìn)行了性能測試、整作業(yè)季可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，可增大收獲機(jī)械產(chǎn)品的適用范圍，進(jìn)一步提高北方玉米區(qū)的機(jī)械化收獲水平，為百姓帶來經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.液力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋的設(shè)計(jì)

液力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋是在原有非動(dòng)力轉(zhuǎn)向橋的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整轉(zhuǎn)向橋支架結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)向油缸結(jié)構(gòu)，并增加輪邊馬達(dá)、液壓控制閥體等液壓原件來實(shí)現(xiàn)的。利用Solidworks建立三維模型如圖1所示。

機(jī)械部分由轉(zhuǎn)向橋支架、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向油缸連桿等組成。轉(zhuǎn)向橋支架橫梁采用160×80×10矩形管;轉(zhuǎn)向節(jié)為C型鑄造法蘭+Ф55內(nèi)傾主銷結(jié)構(gòu)，并與輪邊馬達(dá)連接。為提高空間利用率，降低液壓油管排布難度，轉(zhuǎn)向油缸由原有的兩側(cè)對稱油缸布置改為一個(gè)中置雙向液壓油缸機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向油缸與轉(zhuǎn)向節(jié)用連桿連接，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)向功能。輪胎規(guī)格選用16.0/70-20R-1，理論外徑1050mm。

液壓部分由行走泵、輪邊馬達(dá)、兩/四驅(qū)切換閥、防打滑閥、液壓油箱、油管等組成。行走泵選用變量閉式泵，排量110cm3/r。輪邊馬達(dá)選用POCLAIN生產(chǎn)的MS-80進(jìn)口馬達(dá)。設(shè)置兩/四驅(qū)切換閥，用戶可根據(jù)作業(yè)環(huán)境自由實(shí)現(xiàn)兩/四驅(qū)的切換。而防打滑閥可保證車輛在單側(cè)輪胎打滑時(shí)，另一側(cè)輪胎仍有可靠動(dòng)力輸出。

①液壓原理

液壓部分是在兩驅(qū)液力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在轉(zhuǎn)向輪上增加液力驅(qū)動(dòng)輪邊馬達(dá)及相關(guān)液壓控制元件，實(shí)現(xiàn)車輛的四驅(qū)功能。液壓原理圖如圖2所示。

工作時(shí)，行走泵為動(dòng)力源，分別帶動(dòng)前輪驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和輪邊馬達(dá)。液壓控制閥塊包括兩/四驅(qū)切換閥和防打滑閥。當(dāng)電磁閥塊位于左側(cè)時(shí)，輪邊馬達(dá)回路斷開，此時(shí)為兩驅(qū)狀態(tài);位于右側(cè)時(shí)回路接通，為四驅(qū)狀態(tài)。輪邊馬達(dá)處設(shè)有傳感器，當(dāng)系統(tǒng)感應(yīng)到單側(cè)馬達(dá)打滑時(shí)，防打滑閥通過改變兩側(cè)輪邊發(fā)達(dá)的流量，來保證未打滑側(cè)馬達(dá)仍有動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向橋的防打滑功能。在系統(tǒng)回油油路中設(shè)有液壓油散熱器，保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

②橋體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向橋支架橫梁采用160×80×10矩形管;轉(zhuǎn)向節(jié)為C型鑄造法蘭+Ф55內(nèi)傾主銷結(jié)構(gòu)，并與輪邊馬達(dá)連接。液力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋中的轉(zhuǎn)向節(jié)采用球墨鑄鐵500-7整體鑄造而成，在整個(gè)轉(zhuǎn)向橋中連接轉(zhuǎn)向橋架及輪轂總成，受力較復(fù)雜。通過Solidworks三維建模，利用有限元分析法對其進(jìn)行受力分析。

設(shè)置轉(zhuǎn)向節(jié)與輪轂總成連接一側(cè)為固定面?？紤]車輛行走過程中顛簸及傾斜地面作業(yè)，將轉(zhuǎn)向橋架與轉(zhuǎn)向節(jié)的接觸面壓力設(shè)置為靜壓力的2倍，單個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)的靜壓力最大為25000N，故模擬壓力設(shè)置為50000N。對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。運(yùn)算結(jié)果如圖4所示。

運(yùn)算結(jié)構(gòu)顯示，轉(zhuǎn)向節(jié)中應(yīng)力最大部分為153.651MPa，而球墨鑄鐵500-7的屈服強(qiáng)度為320MPa-500MPa，可以滿足使用要求。

液力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋是在原非驅(qū)動(dòng)型轉(zhuǎn)向橋的基礎(chǔ)上，通過改變轉(zhuǎn)向油缸，增加帶液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)向節(jié)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向橋的驅(qū)動(dòng)功能，通過理論計(jì)算及實(shí)物實(shí)驗(yàn)表明，該轉(zhuǎn)向橋滿足設(shè)計(jì)要求，可以廣泛應(yīng)用于玉米收獲機(jī)、谷物聯(lián)合收獲機(jī)等農(nóng)用收獲機(jī)中，并能滿足特殊地形區(qū)域用戶的需求。

（作者單位：1.2.3.056800河北省宗申戈梅利農(nóng)業(yè)機(jī)械制造有限公司;4.056000河北省哈克（邯鄲）農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備制造有限公司）