聯(lián)合收割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

姜文瀚　王玉林　耿超　李志峰

摘要：針對(duì)聯(lián)合收割機(jī)在田間作業(yè)時(shí)路面不平度對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，以及動(dòng)載荷的隨機(jī)性對(duì)行走操控性的影響，本文主要對(duì)聯(lián)合收割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。給出了聯(lián)合收割機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理及主要元件參數(shù)，并基于AMESim仿真軟件，建立傳動(dòng)系統(tǒng)液壓仿真模型，從液壓系統(tǒng)的起步、田間作業(yè)、轉(zhuǎn)場(chǎng)越障3種工況分析液壓系統(tǒng)的性能。仿真結(jié)果表明，車輛起步過程加速平穩(wěn)，液壓系統(tǒng)的壓力輸出和流量符合設(shè)計(jì)車輛實(shí)際工況的需求;田間作業(yè)時(shí)，閉式靜液傳動(dòng)系統(tǒng)中泵和馬達(dá)具有較高的容積效率;在轉(zhuǎn)場(chǎng)越障過程中，泵和馬達(dá)流量可保持相對(duì)穩(wěn)定，說明收割機(jī)靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在跨越障礙時(shí)，有著良好的通過性能。該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)整車平穩(wěn)工作，提高收割機(jī)作業(yè)時(shí)越障能力和工作效率，滿足設(shè)計(jì)要求。該研究具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī); 靜液壓傳動(dòng); AMESim; 工況分析; 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng); 載荷

中圖分類號(hào)： TH137; S225.3; U463.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 1006-9798（2020）02-0110-06; DOI： 10.13306/j.1006-9798.2020.02.017

目前，我國(guó)農(nóng)機(jī)行業(yè)進(jìn)入轉(zhuǎn)型換代階段，逐漸向環(huán)保、舒適、高端化發(fā)展，這不僅促進(jìn)了我國(guó)農(nóng)機(jī)發(fā)展，還進(jìn)一步推動(dòng)了農(nóng)業(yè)發(fā)展[1-2]?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)農(nóng)機(jī)的效率、舒適性和可靠性提出了新的要求[3-4]，傳統(tǒng)聯(lián)合收割機(jī)的性能急需提高，其中傳動(dòng)系統(tǒng)是決定收割機(jī)動(dòng)力性、可靠性、收割效率和壽命等性能的關(guān)鍵，開發(fā)高效率高可靠性的聯(lián)合收割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)尤為重要[5-8]。近年來，許多學(xué)者對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，陳恒峰等人[9]通過設(shè)計(jì)改進(jìn)了新疆C-2型聯(lián)合收割機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)，提高了其啟動(dòng)和轉(zhuǎn)向時(shí)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而使整車性能得到提升;謝斌等人[10]基于Adams建立了車-路相互作用模型，利用加權(quán)加速度均方根法對(duì)某國(guó)產(chǎn)聯(lián)合收割樣機(jī)行駛平順性進(jìn)行評(píng)價(jià);趙姍等人[11]對(duì)采用靜液壓傳動(dòng)的聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行AMESim仿真分析，仿真結(jié)果顯示，聯(lián)合收割機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)其工作環(huán)境的變化來調(diào)整壓力輸出，提高工作穩(wěn)定性。以上研究均采用靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。因此，本文基于AMESim仿真軟件，建立了閉式靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)[12-14]仿真模型，并分別對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的起步、田間作業(yè)和越障3種工況進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的閉式靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)方案能有效減少載荷對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊度，滿足聯(lián)合收割機(jī)行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。該研究對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化與改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

1聯(lián)合收割機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是聯(lián)合收割機(jī)的核心系統(tǒng)之一，本文在基于前輪驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)方式，確定四輪驅(qū)動(dòng)整體方案。前輪采用變量泵-高速定量馬達(dá)組合，后輪采用變量泵-低速定量馬達(dá)組合，前后輪共用同一變量泵驅(qū)動(dòng)，整體采用一變量泵三馬達(dá)傳遞動(dòng)力。在本設(shè)計(jì)方案中，前輪為主驅(qū)動(dòng)輪，在必要工況時(shí)，后輪輔助驅(qū)動(dòng)，四輪驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

液壓系統(tǒng)包括了前輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、后輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、補(bǔ)油回路，沖洗回路以及散熱系統(tǒng)。收割機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)方式之間的轉(zhuǎn)換，通過兩位四通電磁換向閥和兩位四通液動(dòng)換向閥控制。當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，液動(dòng)閥左位連通，后輪馬達(dá)進(jìn)出口壓力相等，液壓系統(tǒng)中只有前輪馬達(dá)處于工作狀態(tài)，此時(shí)車輛只在前輪驅(qū)動(dòng)下行駛;當(dāng)電磁閥通電打開時(shí)，液動(dòng)閥右位連通，液壓系統(tǒng)中后輪馬達(dá)與前輪馬達(dá)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)模式。

2聯(lián)合收割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要元件參數(shù)

本設(shè)計(jì)方案中，某型聯(lián)合收割機(jī)基本參數(shù)如表1所示。經(jīng)計(jì)算，前輪液壓馬達(dá)選用力士樂A2FM63/61W型定量馬達(dá)[15];后輪低速馬達(dá)選用波克蘭公司生產(chǎn)的MSE02系列定量馬達(dá)[16];變量泵選用力士樂A4VG71規(guī)格的變量泵[17]。液壓系統(tǒng)中，補(bǔ)油泵的最小排量一般為所有液壓元件排量之和的10%，故補(bǔ)油壓力在1.8～23.4 MPa范圍內(nèi)[18]，選型的變量泵內(nèi)置輔助作用的補(bǔ)油泵[19]，故匹配排量為20 mL/r的補(bǔ)油泵即可滿足要求。泵和馬達(dá)的基本參數(shù)如表2所示。

3聯(lián)合收割機(jī)閉式靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真

3.1液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)聯(lián)合收割機(jī)閉式靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合各元件仿真參數(shù)，在AMESim仿真軟件中，建立傳動(dòng)系統(tǒng)液壓仿真模型，聯(lián)合收割機(jī)閉式靜液傳動(dòng)系統(tǒng)液壓模型如圖2所示。該模型主要由5種元件子模型組成：變量泵控制模型（實(shí)現(xiàn)變量泵在起步過程中的壓力調(diào)節(jié)）、補(bǔ)油回路模型（主要由單向閥、溢流閥、補(bǔ)油泵及油箱組成）、前輪定量馬達(dá)模型、沖洗閥模型（交換閉式液壓系統(tǒng)的回路熱量）以及整車模型（由TRVEH03車輛動(dòng)載荷模型和4個(gè)TRTY01C輪胎模型組成）。主要從以下3個(gè)方面分析液壓系統(tǒng)的性能：車輛起步時(shí)，液壓系統(tǒng)中泵的壓力和馬達(dá)壓力變化;田間作業(yè)工況下，液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性;轉(zhuǎn)場(chǎng)過程中，越障礙時(shí)的液壓系統(tǒng)抗突變能力。分別對(duì)這3種工況下的收割機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2起步工況

當(dāng)收割機(jī)于平路面作業(yè)檔起步時(shí)，單前輪與單后輪滾動(dòng)阻力矩分別為614 N·m和231 N·m。將前后輪力矩信號(hào)作為輸入加載到各個(gè)車輪上，設(shè)置仿真時(shí)間為15 s，在起步工況下，變量泵輸出流量隨時(shí)間變化曲線如圖3所示，變量泵壓力隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。由圖3和圖4可以看出，變量泵的輸出流量隨時(shí)間的增加而逐漸增大，起步加速階段變量泵輸出壓力為12.5 MPa。

在起步工況下，車速隨時(shí)間變化曲線如圖5所示，由圖5可以看出，車速勻加速至7.2 km/h時(shí)，變量泵的輸出壓力逐漸降低并穩(wěn)定在9.5 MPa。泵與馬達(dá)輸出流量時(shí)間變化曲線如圖6所示，由圖6可以看出，車輛起步過程加速平穩(wěn)，液壓系統(tǒng)沒有額外的流量損失，壓力輸出和流量符合設(shè)計(jì)車輛實(shí)際工況的需求。

3.3田間作業(yè)工況

以F級(jí)路面模擬聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)工況下，得到的負(fù)載變化曲線做為負(fù)載扭矩輸入信號(hào)，在車輛啟動(dòng)后第10 s加載到仿真模型上[20]。設(shè)置仿真時(shí)間為20 s，田間作業(yè)工況下，負(fù)載扭矩隨時(shí)間變化曲線如圖7所示[20]，變量泵輸出流量隨時(shí)間變化曲線如圖8所示，由圖7和圖8可以看出，收割機(jī)在起步運(yùn)行后進(jìn)入田間作業(yè)時(shí)，變量泵的輸出流量基本保持穩(wěn)定，輸出壓力振蕩變化。

田間作業(yè)工況下，變量泵輸出壓力隨時(shí)間變化曲線如圖9所示，由圖9可以看出，定量馬達(dá)的輸入壓力也隨著負(fù)載的變化而變化，其變化范圍皆在8.5～11 MPa之間小幅振蕩變化，沖擊度不大。定量馬達(dá)輸入壓力隨時(shí)間變化曲線如圖10所示，由圖9和圖10可以看出，定量馬達(dá)輸入壓力隨時(shí)間變化曲線與變量泵輸入壓力隨時(shí)間變化曲線吻合度很高，定量馬達(dá)與變量泵二者之間幾乎沒有壓力損失，泵和馬達(dá)具有較高的容積效率。

在田間作業(yè)工況下，車速隨時(shí)間變化曲線如圖11所示，當(dāng)進(jìn)入田間不平路面作業(yè)時(shí)，整機(jī)速度保持穩(wěn)定，時(shí)速穩(wěn)定在5.6 km/h，符合田間作業(yè)的車速要求。泵和馬達(dá)流量對(duì)比隨時(shí)間變化曲線如圖12所示。由圖12可以看出，在閉式靜液傳動(dòng)系統(tǒng)中沒有額外的溢流損失，聯(lián)合收割機(jī)穩(wěn)定作業(yè)。

3.4轉(zhuǎn)場(chǎng)過程越障工況

同樣采用文獻(xiàn)[20]給出的越障時(shí)負(fù)載變化曲線做為負(fù)載扭矩輸入信號(hào)，在車輛啟動(dòng)后第10 s加載到仿真模型上，設(shè)置仿真時(shí)間為25 s，變量泵輸出流量隨時(shí)間變化曲線如圖13所示。由圖13可以看出，仿真至第10 s時(shí)開始跨越障礙，液壓系統(tǒng)所受負(fù)載瞬間增大，泵的輸出流量有所減少，流量波動(dòng)的幅度較小。變量泵壓力隨時(shí)間變化曲線如圖14所示，由圖14可以看出，在跨越障礙的過程中，變量泵的壓力上升比較明顯，最高壓力可達(dá)25 MPa，由于變量泵的最高允許壓力為45 MPa，所以沒有出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

車速隨時(shí)間變化曲線如圖15所示，由圖15可以看出，越障過程中車速出現(xiàn)較小波動(dòng)，其波動(dòng)范圍為5～5.7 km/h。泵和馬達(dá)流量對(duì)比隨時(shí)間變化曲線如圖16所示，由圖16可以看出，在越障過程中，泵和馬達(dá)流量能保持相對(duì)穩(wěn)定，使系統(tǒng)有效工作，表明收割機(jī)靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在跨越障礙時(shí)，有著良好的通過性能。

4結(jié)束語

本文在聯(lián)合收割機(jī)行走系統(tǒng)原有基礎(chǔ)上增加了后輪輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，完成了聯(lián)合收割機(jī)閉式靜液傳動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用田間作業(yè)和越障工況下的負(fù)載變化，基于AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)在起步、田間作業(yè)和跨越障礙3種工況下模擬仿真。仿真結(jié)果表明，閉式靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中泵和馬達(dá)具有較高的容積效率，能有效減少作業(yè)工況下路面不平度對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響。閉式靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)適用于聯(lián)合收割機(jī)行走系統(tǒng)的改進(jìn)，對(duì)整車通過性和越障能力有明顯提升。由于AMESim在理想狀態(tài)下的模擬仿真無法涵蓋所有實(shí)際狀況，該系統(tǒng)仍需在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)一步優(yōu)化。該研究在實(shí)際生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用前景，為以后聯(lián)合收割機(jī)綜合性能提升等方面的研究提供了參考價(jià)值。

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Design and Simulation of Combine Harvester Drive System

JIANG Wenhan， WANG Yulin， GENG Chao， LI Zhifeng

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：Aiming at the fact that the unevenness of the road surface during field operation has a great impact on the combine harvesters power system and that the walking maneuverability is impacted by the randomness of the dynamic load， this paper mainly designs and simulates the drive system of the combine harvester. With the given working principle and main component parameters of the combine harvester drive system， and based on the AMESim simulation software， a hydraulic simulation model of the transmission system is established. The hydraulic system is then analyzed during three operating conditions： the start of the hydraulic system， field operation， and surmounting obstacles. The simulation results show that the vehicle accelerates smoothly during the starting process， and the pressure output and flow of the hydraulic system meet the requirements of the actual working conditions of the designed vehicle. During field operation， the pump and motor in the closed hydrostatic transmission system are of high volumetric efficiency. During the obstacle course， the flow of the pump and motor can be kept relatively stable， which indicates that the hydrostatic drive system of the harvester has good passing performance when it crosses the obstacle. The design effectively reduces the impact of the load on the transmission system， realizes the smooth operation of the whole vehicle， improves the obstacle surmounting ability and working efficiency of the harvester during operation， and meets the design requirements. This research has a wide range of application prospects.

Key words：combine harvester; hydrostatic drive; AMESim; working condition analysis;? drive system; load

收稿日期： 2019-12-27; 修回日期： 2020-02-26

作者簡(jiǎn)介： 姜文瀚（1993-），男，山東青島人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐簤号c電控。

通信作者： 王玉林（1964-），男，工學(xué)博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橐簤号c電控。 Email： wangyuln@163.com