一種避障割草機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李長偉

（常州漢森機(jī)械股份有限公司，江蘇常州 213000）

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避障割草機(jī)是一種適用于果園、帶護(hù)欄公路等含有障礙物區(qū)域的割草作業(yè)機(jī)器。該機(jī)器通過機(jī)械或液壓方式控制割草頭偏轉(zhuǎn)或平移來實(shí)現(xiàn)避讓障礙物的功能。但市面上的避障割草機(jī)存在以下幾個(gè)問題：①機(jī)械避讓的割草機(jī)是通過讓障礙物來擠推割草頭來實(shí)現(xiàn)避讓的，這種避讓方式在果園進(jìn)行作業(yè)時(shí)容易造成果樹的損傷；②部分液壓控制的避障割草機(jī)其避讓速度無法與機(jī)具的行進(jìn)速度匹配，導(dǎo)致割草頭容易磕碰障礙物，對障礙物或機(jī)器造成損傷。

本項(xiàng)目針對這樣的問題開發(fā)了一種新的避障割草機(jī)，該項(xiàng)目屬于掛接式屬具，通過拖拉機(jī)或其他移動(dòng)設(shè)備（以下統(tǒng)稱為移動(dòng)設(shè)備）的掛接并且為該避障割草機(jī)提供動(dòng)力來帶動(dòng)其工作。該項(xiàng)目采用液壓控制割草頭避讓，通過對液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了該項(xiàng)目的適用范圍，并且簡化系統(tǒng)、提升產(chǎn)品的可靠性，同時(shí)也解決了避讓速度與行駛速度的匹配問題（圖1）。

圖1 避障割草機(jī)基本結(jié)構(gòu)

1 設(shè)計(jì)要求

該項(xiàng)目采用移動(dòng)設(shè)備的液壓輸出作為動(dòng)力，動(dòng)作元件包括液壓馬達(dá)和偏轉(zhuǎn)油缸。由于各種移動(dòng)設(shè)備的液壓輸出流量不一致，所以要求能夠恒定進(jìn)入系統(tǒng)的流量，以保證所有動(dòng)作元件始終保持在設(shè)計(jì)要求的速度下工作；液壓輸出的進(jìn)油和回油方向會(huì)由于人為的誤操作而出現(xiàn)反向的情況，因此該系統(tǒng)需要對這一情況起到保護(hù)作用，防止由于機(jī)手誤操作而導(dǎo)致系統(tǒng)元件損壞；液壓馬達(dá)通過皮帶來驅(qū)動(dòng)四個(gè)割草刀盤工作，要求在工作時(shí)刻保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；偏轉(zhuǎn)油缸用來控制割草頭偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)避讓動(dòng)作，要求響應(yīng)及時(shí)，動(dòng)作連貫無卡頓；同時(shí)對應(yīng)不同的作業(yè)時(shí)速，也要求割草頭偏轉(zhuǎn)的速度可以和作業(yè)時(shí)速相匹配，降低操作手操縱難度。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用移動(dòng)設(shè)備上的一組液壓輸出作為動(dòng)力輸入，在輸入端采用調(diào)速閥來保證進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部的流量控制在設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)，同時(shí)系統(tǒng)入口的單向閥可以防止機(jī)手誤操作而導(dǎo)致液壓油從系統(tǒng)回油口進(jìn)入，對系統(tǒng)和液壓元件造成損壞。液壓馬達(dá)和偏轉(zhuǎn)回路采用串聯(lián)連接，優(yōu)先保證液壓馬達(dá)的供油，偏轉(zhuǎn)回路的換向閥采用兩位換向閥，在不操縱換向閥時(shí)，液壓油通過換向閥進(jìn)入偏轉(zhuǎn)油缸大腔，使得割草頭始終保持在正常工作狀態(tài)，當(dāng)障礙物觸發(fā)換向閥換向時(shí)，液壓油通過換向閥進(jìn)入偏轉(zhuǎn)油缸的小腔，油缸縮短，從而帶動(dòng)連接在油缸一端的割草頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)避讓。為了實(shí)現(xiàn)避讓速度與行駛速度的匹配，在偏轉(zhuǎn)回路中增加調(diào)速閥，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入偏轉(zhuǎn)油缸的流量來得到合適的避讓速度。當(dāng)偏轉(zhuǎn)油缸動(dòng)作結(jié)束后，液壓油會(huì)通過換向閥內(nèi)部的溢流閥流出經(jīng)散熱器回到移動(dòng)設(shè)備中（圖2）。

圖2 液壓原理圖

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算輸入

避障割草機(jī)工作時(shí)速2 km/h，割草刀盤切割轉(zhuǎn)速3500 rpm，共有4個(gè)割草刀盤，每個(gè)刀盤工作直徑D=35 cm，每個(gè)刀盤的切割阻力f≈2 kg，馬達(dá)至刀盤的傳動(dòng)比1：2。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到油缸行程S=280 mm，要求偏轉(zhuǎn)油缸伸長時(shí)間在≤2.5 s，縮回時(shí)間，割草頭部分重量70 kg，偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采用軸承連接，偏轉(zhuǎn)阻力矩很小，可忽略不計(jì)。該項(xiàng)目適配20～50 Hp移動(dòng)設(shè)備，移動(dòng)設(shè)備的液壓輸出壓力在17 MPa左右，流量25～35 L/min，這里取最小流量Q=25 L/min作為該項(xiàng)目系統(tǒng)的額定流量。

3.2 計(jì)算過程

3.2.1 馬達(dá)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.2 油缸計(jì)算

考慮割草頭在地上拖行時(shí)偏轉(zhuǎn)油缸需要有足夠的推力將割草頭固定在工作位置，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算油缸大腔的作用力F≥4000 N，這里取4000 N。由于割草頭重量較輕，割草頭避讓時(shí)所需的油缸作用力很小，忽略不計(jì)。通過對油缸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，這里取油缸缸徑D=40 mm，桿徑d=25 mm。

油缸工作所需的壓力：

再考慮油缸所需的啟動(dòng)壓力≤0.5 Mpa，綜合考慮油缸所需的工作壓力≥3.68 MPa。

油缸大腔（油缸伸出）所需流量：

油缸小腔（油缸縮回）所需流量：

綜上，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的流量需求取9 L/min，則偏轉(zhuǎn)回路中的調(diào)速閥調(diào)定流量9 L/min。

3.3 驗(yàn)算系統(tǒng)性能

3.3.1 驗(yàn)算系統(tǒng)壓力損失

由于系統(tǒng)管路較短、彎頭較少，所以管路的沿程壓力損失和局部壓力損失忽略不計(jì)。

額定流量下有關(guān)閥的局部壓力損失：調(diào)速閥0.7 MPa，換向閥0.3 MPa

3.3.2 驗(yàn)算系統(tǒng)溫升

1）系統(tǒng)的發(fā)熱功率。該系統(tǒng)的執(zhí)行元件包括液壓馬達(dá)和換向閥以及溢流閥，其中馬達(dá)效率取均值85%，移動(dòng)設(shè)備液壓輸出最大壓力17 MPa，除去系統(tǒng)損失1.104 MPa，油缸動(dòng)作所需3.68 MPa，馬達(dá)最大工作壓差12.216 MPa，馬達(dá)工作流量Q=25 L/min。

2）冷卻能力驗(yàn)算。由于系統(tǒng)沒有油箱，需要配備散熱器，現(xiàn)選擇型號AH0607T散熱器，散熱面積1 m2，散熱功率1.05 kW。

該散熱器滿足要求。

4 液壓元件選擇

通過上述計(jì)算分析，各液壓元件技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 各液壓元件技術(shù)參數(shù)

5 結(jié)語

本系統(tǒng)通過從移動(dòng)設(shè)備上直接取液壓動(dòng)力，省去了液壓泵及油箱部分，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)口端的單向閥可以保證系統(tǒng)工作安全，調(diào)速閥則能讓系統(tǒng)內(nèi)的工作元件始終在設(shè)計(jì)的速度下工作。采用串聯(lián)方式同時(shí)控制馬達(dá)以及偏轉(zhuǎn)油缸工作，在保證馬達(dá)平穩(wěn)工作的情況下，也能為偏轉(zhuǎn)回路提供穩(wěn)定的液壓動(dòng)力。再通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)回路中的調(diào)速閥，讓偏轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)作和割草機(jī)的工作時(shí)速相匹配，提升整機(jī)工作的流暢性。在系統(tǒng)末端的增加散熱器，可以將系統(tǒng)溫度始終控制在許可的工作溫度下，為整機(jī)長時(shí)間工作提供了保障。