氣液輔助離合制動系統(tǒng)在玉米收獲機上的應用

王姿莉，許 銳，王健威，胡辰豪

(洛陽中收機械裝備有限公司，河南 洛陽471000)

0 引言

我國是玉米種植大國，數(shù)據(jù)顯示，2018年玉米種植面積為4 213萬hm2。隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展及國家農(nóng)業(yè)政策的支持，農(nóng)民的經(jīng)濟條件和收入水平得到大幅度的提升，玉米收獲勞動強度大，迫切需要通過機械化手段來提高勞動生產(chǎn)率[1-3]。因此，農(nóng)民對玉米收獲機的需求越來越迫切，玉米收獲機行業(yè)發(fā)展前景良好。

近來年，我國農(nóng)業(yè)機械自動化得到了良好發(fā)展。80、90后的年輕人也逐漸加入農(nóng)機行業(yè)，成為農(nóng)機的新生力量，目前玉米收獲機的使用者不僅僅滿足于收獲機作業(yè)的高性能、高可靠性，對駕駛的舒適性和操縱的方便性等也有了更高的要求。

國外玉米收獲機的研究和生產(chǎn)已經(jīng)成熟，收獲機的行走驅(qū)動、功能動作及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍采用全液壓系統(tǒng)，控制方式多種多樣，智能化水平高，成本也相對較高。

國內(nèi)玉米收獲機中，液壓系統(tǒng)的使用比例相對較低。目前主流玉米收獲機生產(chǎn)廠家如福田、勇猛和中聯(lián)等，均采用機械式離合和液壓式制動系統(tǒng)，且收獲機系統(tǒng)復雜，自身質(zhì)量大，因此離合和制動系統(tǒng)操作比較費力。

1 離合制動系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，收獲機使用的離合系統(tǒng)大多采用杠桿原理，即當踩下離合踏板時，轉(zhuǎn)軸帶動離合長拉桿推動變速箱上的離合器轉(zhuǎn)臂，切斷發(fā)動機傳遞給變速箱的動力實現(xiàn)離合，如圖1所示。

收獲機的離合器是發(fā)動機與行走傳動變速箱之間切斷和傳遞動力的部件，如圖2所示。

離合器分為3個工作狀態(tài)。踩下離合器時，離合器踏板運動拉動轉(zhuǎn)臂，使壓盤和摩擦片分離，此時壓盤與飛輪不接觸，切斷發(fā)動機傳遞的動力。松開離合器時，壓盤緊緊靠在飛輪的摩擦片上，此時壓盤和摩擦片之間摩擦力最大，發(fā)動機傳遞動力全部傳遞至變速箱處。半踩離合器時，壓盤和摩擦片的摩擦力小于全連動狀態(tài)，發(fā)動機傳輸?shù)膭恿Σ糠謧鬟f至變速箱，這種狀態(tài)下，摩擦片損壞較快，使用過程中盡量少用半離合。

制動系統(tǒng)是利用杠桿原理，當踩下制動踏板時，轉(zhuǎn)軸帶動制動泵頂桿，制動液通過制動泵進入制動鉗，制動鉗油缸推動摩擦片，使摩擦片夾緊剎車盤，實現(xiàn)制動，制動系統(tǒng)如圖3所示[6]。

2 氣液輔助離合制動系統(tǒng)設(shè)計

2.1主要結(jié)構(gòu)與功能

氣液輔助離合制動系統(tǒng)的氣動元件主要包括調(diào)壓閥、儲氣罐、單腔總閥、空氣加力泵及離合助力泵，其配套發(fā)動機需增加空壓機，使壓縮空氣進入調(diào)壓閥，進而限定整個系統(tǒng)工作壓力。壓縮空氣被存貯在儲氣罐內(nèi)，用于供給整個離合和制動系統(tǒng)所需氣壓。儲氣罐上安裝安全閥和放水閥，安全閥的卸荷壓力為1.1 MPa，放水閥安裝在儲氣罐的最下方。氣壓表用于檢測整個系統(tǒng)的壓力，確保系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。一些機器上還配裝有低壓報警裝置，當系統(tǒng)壓力低于設(shè)定值時會蜂鳴報警，防止隱患發(fā)生。氣液輔助離合制動系統(tǒng)如圖4所示。

2.2工作原理

離合系統(tǒng)原理：踩下離合踏板時，轉(zhuǎn)軸帶動離合泵導桿，使制動液通過離合泵進入離合助力泵，離合助力泵利用制動液打開氣閥，從而使儲氣罐中的氣進入離合助力泵，推動變速箱離合器轉(zhuǎn)臂，切斷發(fā)動機傳遞給變速箱的動力，實現(xiàn)離合，如圖5所示。

制動系統(tǒng)原理：當踩下制動踏板時，轉(zhuǎn)軸打開單腔總閥氣閥，使儲氣罐中的氣進入空氣加力泵，推動空氣加力泵中油缸，制動液通過空氣加力泵進入制動鉗，制動鉗油缸推動摩擦片，使摩擦片夾緊剎車盤，實現(xiàn)制動，如圖6所示。

3 分析計算

3.1制動踏板受力分析

由圖7得知，輸出0.8 MPa壓力需要力F1約800 N，假設(shè)離合轉(zhuǎn)臂長端L1尺寸為50 mm，短端尺寸L2為200 mm。由式(1)計算可得，符合收獲機技術(shù)條件標準要求，且操縱力較小，液壓式制動操縱力約500～800 N。

F1·L1=F2·L2

(1)

3.2制動系統(tǒng)排量計算

鉗式制動器有效行程為2.0～2.5 mm(現(xiàn)收獲機用制動鉗間隙為自動補償，理論間隙單邊0.5 mm)，假設(shè)缸徑50 mm，后制動缸徑25 mm，有效行程3 mm，則前制動所需有效排量為2×3.14×(502)2×3≈11775 mm3；后制動所需有效排量為2×3.14×(252)2×3≈2 943 mm3；有效制動所需排量為(11 775+2 943)1 000≈15 mL。

假定空氣加力泵缸徑為25 mm，則空氣加力泵所需行程為14 178÷3.14÷(252)2≈29 mm。因此在空氣加力泵油缸直徑為25 mm的前提下，行程最小需要29 mm才可滿足需求。

3.3制動系統(tǒng)壓力匹配

采用氣液輔助制動離合系統(tǒng)時需注意各元件間的壓力匹配。

如圖8所示，當系統(tǒng)氣壓為0.8 MPa時，空氣加力泵輸出油壓為12 MPa，此時應注意所用制動鉗極限承受壓力，當制動鉗極限承受壓力<12 MPa時，會出現(xiàn)制動鉗損壞的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)有一拖、英虎等生產(chǎn)廠家已經(jīng)在玉米收獲機械上批量應用了氣液輔助離合制動系統(tǒng)。其優(yōu)點是可減小操縱者的勞動強度，提升駕駛舒適性，且可靠性較高；缺點是成本增加較多。隨著收獲機氣、電、液控制技術(shù)的不斷發(fā)展，此離合制動系統(tǒng)會成為未來收獲機市場的主流。