液壓技術(shù)在機(jī)耕船中的應(yīng)用研究

易 飛，陳新元，程志文

（1.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.武漢華友天宇科技有限公司）

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，農(nóng)業(yè)裝備已從傳統(tǒng)的功能型逐步向信息化、智能化方向發(fā)展[1]。機(jī)耕船從發(fā)明到現(xiàn)在已有60余年的時(shí)間，但基本沒(méi)有大的技術(shù)革新，相比其他新型農(nóng)業(yè)機(jī)械，機(jī)耕船相關(guān)技術(shù)發(fā)展緩慢，已越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展要求[2-3]。如何對(duì)機(jī)耕船進(jìn)行技術(shù)改造并充分發(fā)揮機(jī)耕船在特殊作業(yè)條件下的優(yōu)越性，提高其自動(dòng)化和智能化水平，是農(nóng)業(yè)機(jī)械科研人員需要考慮的問(wèn)題，本文以廠家現(xiàn)有湖北簡(jiǎn)易型機(jī)耕船為改造對(duì)象，開(kāi)發(fā)一款適用于深水田耕種的結(jié)構(gòu)輕巧、造價(jià)低廉、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的全液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)耕船。

1 傳統(tǒng)機(jī)耕船機(jī)械結(jié)構(gòu)和缺陷

1.1 傳統(tǒng)機(jī)耕船總體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)機(jī)耕船主要由行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)輪深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和換輪機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成。整機(jī)是在船體上安裝一臺(tái)柴油機(jī)，動(dòng)力通過(guò)兩級(jí)三角皮帶和一級(jí)減速齒輪傳至兩后驅(qū)動(dòng)輪，通過(guò)鐵輪或者輪胎與土壤的作用力實(shí)現(xiàn)行走。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用皮帶張緊輪式轉(zhuǎn)向，船體底部與驅(qū)動(dòng)輪連接處配置有驅(qū)動(dòng)輪深度調(diào)節(jié)裝置，可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪和船體的距離。傳統(tǒng)型機(jī)耕船總體結(jié)構(gòu)如圖1。

1.2 傳統(tǒng)機(jī)耕船存在的缺陷

根據(jù)廠家技術(shù)人員反應(yīng)和對(duì)機(jī)耕船相關(guān)文獻(xiàn)的深入研究可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)耕船有以下幾個(gè)方面的不足[4]：

（1）一級(jí)和二級(jí)傳動(dòng)均為皮帶傳動(dòng)，機(jī)械效率較低；

（2）外包帶式制動(dòng)裝置技術(shù)簡(jiǎn)陋，容易纏繞水草和附著泥巴，阻礙機(jī)耕船行駛，降低工作效率；

（3）皮帶張緊轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可靠性差，轉(zhuǎn)向時(shí)皮帶磨損加大容易導(dǎo)致皮帶壽命降低，輸出功率減?。?/p>

（4）產(chǎn)品檔位單一，機(jī)動(dòng)性差，無(wú)法選擇合適的檔位且無(wú)倒車(chē)檔；

（5）驅(qū)動(dòng)葉輪入土深度調(diào)整需停機(jī)操作、勞動(dòng)強(qiáng)度大，影響作業(yè)效率；

（6）當(dāng)機(jī)耕船以較小半徑轉(zhuǎn)向時(shí)可能出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足或外側(cè)輪嚴(yán)重打滑現(xiàn)象而使轉(zhuǎn)向困難。

2 機(jī)耕船液壓系統(tǒng)總體布置

機(jī)耕船液壓系統(tǒng)總體布置設(shè)計(jì)原理如圖2。液壓行走系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)負(fù)責(zé)船體的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，驅(qū)動(dòng)輪入土深度調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)船體的離地間隙，換輪液壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)耕船的輪胎更換。

3 機(jī)耕船液壓行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 液壓行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線

通過(guò)對(duì)各種液壓行走系統(tǒng)的分析，結(jié)合機(jī)耕船具體工作特性，本文設(shè)計(jì)的液壓行走系統(tǒng)的基本傳動(dòng)路線為：發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力通過(guò)分動(dòng)箱傳遞給液壓泵，液壓泵通過(guò)內(nèi)部轉(zhuǎn)換將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能驅(qū)動(dòng)行走馬達(dá)，行走馬達(dá)通過(guò)輪邊減速器最終驅(qū)動(dòng)機(jī)耕船兩后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線如圖3。

3.2 液壓行走系統(tǒng)的確定

3.2.1 調(diào)速回路的選擇

在液壓系統(tǒng)中往往需要調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度以達(dá)到設(shè)備的工作要求。液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要是液壓馬達(dá)和液壓油缸。執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度與輸入液壓油的流量和自身幾何參數(shù)有關(guān)。常見(jiàn)的調(diào)速回路有節(jié)流調(diào)速回路、容積調(diào)速回路和容積節(jié)流調(diào)速回路。由于節(jié)流調(diào)速回路存在節(jié)流損失，速度受負(fù)載變化影響較大，機(jī)耕船作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、負(fù)載變化較大，所以本文不考慮節(jié)流調(diào)速回路，選取容積調(diào)速回路。因變量泵和變量馬達(dá)比定量泵、定量馬達(dá)價(jià)格高，綜合各因素本設(shè)計(jì)選取雙泵供油的調(diào)速回路。

3.2.2 同步回路的確定

在液壓系統(tǒng)中，遇到需要兩個(gè)執(zhí)行元件速度或位置同步的時(shí)候就需要采用同步回路。目前常用的同步回路有液壓缸機(jī)械聯(lián)結(jié)的同步回路、采用調(diào)速閥的同步回路、采用分流閥的同步回路、采用串聯(lián)液壓缸的同步回路和采用同步馬達(dá)的同步回路。這幾種回路各有各的特點(diǎn)，因機(jī)耕船的執(zhí)行元件為行走馬達(dá)，直線行走時(shí)需保證進(jìn)入兩個(gè)行走馬達(dá)的流量相同，采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的分流閥，解決了現(xiàn)有分流閥回路中壓力損失大、分流精度不高等問(wèn)題，同時(shí)滿足了機(jī)耕船行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 壓力控制回路的選擇

在液壓系統(tǒng)中泵的壓力隨負(fù)載變化，這時(shí)需要防止過(guò)載，因此使用溢流閥作為安全閥。正常工作時(shí)溢流閥處于常閉狀態(tài)，過(guò)載時(shí)打開(kāi)閥口溢流，使壓力不再升高[5]。

基于以上選擇的基本回路進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，機(jī)耕船液壓行走系統(tǒng)原理如圖4。該系統(tǒng)包括油箱、濾油器、雙聯(lián)泵、單向閥、二位二通電磁換向閥、溢流閥、三位四通電磁換向閥、行走轉(zhuǎn)向閥和行走馬達(dá)。機(jī)耕船液壓行走系統(tǒng)工作原理如下：

（1）三檔前進(jìn)

三檔的實(shí)現(xiàn)是靠雙聯(lián)泵的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)小泵單獨(dú)向行走馬達(dá)供油時(shí)為一檔，當(dāng)大泵單獨(dú)向行走馬達(dá)供油時(shí)為二檔，當(dāng)大、小泵一起向行走馬達(dá)供油時(shí)為三檔。以一檔為機(jī)耕船作業(yè)時(shí)油路走向如下：

按下啟動(dòng)按鈕，小泵開(kāi)始工作，同時(shí)1YA、2YA、3YA得電。

進(jìn)油路：油箱1→濾油器2→小泵3→三位四通電磁換向閥9P口到A口→新型比例分流集流閥12→行走馬達(dá)13、14下進(jìn)上出。

回油路：行走馬達(dá)13、14上→三位四通電磁換向閥9B口到T口→油箱。

（2）三檔后退

后退時(shí)1YA、2YA、4YA得電，3YA失電。還是以一檔為例油路走向如下：

進(jìn)油路：油箱1→濾油器2→小泵3→三位四通電磁換向閥9P口到B口→新型比例分流集流閥12→行走馬達(dá)13、14上進(jìn)下出。

回油路：行走馬達(dá)13、14下→三位四通電磁換向閥9A口到T口→油箱。

4 機(jī)耕船轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)耕船轉(zhuǎn)向功能是根據(jù)差速轉(zhuǎn)向原理開(kāi)發(fā)而成。通過(guò)控制機(jī)耕船左右兩個(gè)行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)速使其形成速差，從而使左右驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力發(fā)生變化，達(dá)到轉(zhuǎn)向的要求。左右行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)速是通過(guò)改變進(jìn)入行走馬達(dá)的流量來(lái)控制的。當(dāng)液壓泵流過(guò)的液壓油進(jìn)入行走轉(zhuǎn)向閥時(shí)，通過(guò)控制閥芯的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)左右分流口過(guò)流面積的變化，從而控制進(jìn)入左右行走馬達(dá)的流量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

行走轉(zhuǎn)向閥的結(jié)構(gòu)如圖5，主要由閥芯、帶減速器的伺服電機(jī)、閥套、彈簧、擋板和壓力傳感器等部分組成。閥體有一個(gè)進(jìn)油口P和兩個(gè)出油口A、B，在出口壓力相同的情況下，出油口流量的分配主要由閥芯上節(jié)流口的過(guò)流面積決定，節(jié)流口的過(guò)流面積的大小由閥芯的位置控制。

當(dāng)機(jī)耕船直線行駛時(shí)閥芯處于中位，A、B端節(jié)流口的過(guò)流面積相等，此時(shí)通過(guò)進(jìn)油口P分流到A、B出油口的流量相等。由于機(jī)耕船工作環(huán)境復(fù)雜，當(dāng)機(jī)耕船直線行駛路面不平時(shí)，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪兩側(cè)受力情況不一樣，從而導(dǎo)致A、B出口端壓力不一樣，一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速加大，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪速度降低甚至停止，即發(fā)生打滑現(xiàn)象。應(yīng)用該行走轉(zhuǎn)向閥可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制分流，使機(jī)耕船驅(qū)動(dòng)輪強(qiáng)制同步。當(dāng)A、B出油口的壓力不相等時(shí)，壓力傳感器收集到壓差信號(hào)后通過(guò)智能控制模塊處理后輸出一個(gè)信號(hào)至伺服電機(jī)，使其驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)，從而使流量增大的一側(cè)過(guò)流面積減少，流量減小的一側(cè)過(guò)流面積增大，最終使兩側(cè)行走馬達(dá)轉(zhuǎn)速相同。

5 機(jī)耕船驅(qū)動(dòng)輪入土深度調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)和換輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 驅(qū)動(dòng)輪入土深度調(diào)節(jié)方案設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)輪入土深度實(shí)質(zhì)上就是改變船底的離地間隙[6]，圖6為驅(qū)動(dòng)輪入土深度調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)原理，主要由三位四通電磁換向閥、液控單向閥、單向節(jié)流閥、雙作用單桿活塞缸和壓力計(jì)組成。利用液壓缸來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)組和輪軸與船底之間的距離，利用液壓鎖緊回路通過(guò)液壓缸的伸縮來(lái)調(diào)節(jié)地距，當(dāng)調(diào)整到合適地距后，通過(guò)換向閥的中位“Y”型機(jī)能和液控單向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓缸緊鎖，保持高度穩(wěn)定不變。

利用液壓傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪入土深度調(diào)節(jié)系統(tǒng)相較于機(jī)械傳動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）將凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩轉(zhuǎn)化為平面和液壓缸壁上的壓強(qiáng)，減少了機(jī)械碰撞與摩擦，同時(shí)又有液壓油作為緩沖，機(jī)構(gòu)的壽命更長(zhǎng)，所能承受的載荷增大。

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，只需要幾個(gè)元件和管路就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)所能實(shí)現(xiàn)的目的，更加節(jié)省空間和成本。

5.2 換輪液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

換輪系統(tǒng)的工作流程：通過(guò)改變船底與地面的相對(duì)距離，將驅(qū)動(dòng)輪抬離地面；操作人員更換相應(yīng)功能的輪胎；船身下落直至驅(qū)動(dòng)輪接觸地面，液壓缸完全收縮回船體內(nèi)。

本設(shè)計(jì)將采用兩個(gè)單桿活塞液壓缸，位置設(shè)置在整船的重心處，液壓缸的上端為無(wú)桿腔，固定在船內(nèi)頂部。需要換輪時(shí)，兩根活塞桿外伸，配合機(jī)耕船兩個(gè)前輪，將船尾部及后輪頂起，換輪系統(tǒng)原理如圖7。具體元器件包括：三位四通電磁換向閥、液控單向閥、平衡閥、雙作用單桿活塞缸和壓力計(jì)。

該系統(tǒng)仍使用液壓缸鎖緊回路，不同于驅(qū)動(dòng)輪入土深度調(diào)節(jié)回路，無(wú)論是活塞桿伸出還是縮回，只要活塞桿仍接觸地面，則液壓缸下端無(wú)桿腔始終負(fù)有整船重量的壓力。當(dāng)活塞桿從地面回收至船體內(nèi)時(shí)，液壓缸受壓力負(fù)載，有桿腔受壓，同時(shí)泵向有桿腔供油，有桿腔還承受回路壓力，而上方無(wú)桿腔壓力在忽略管路背壓時(shí)壓力幾乎為零，故液壓缸會(huì)在電磁鐵10YA通電瞬間，有桿腔壓力迅速增大，從而導(dǎo)致活塞桿迅速回縮，使船體與地面發(fā)生劇烈機(jī)械碰撞。因此采用在無(wú)桿腔回路設(shè)計(jì)安裝液控單向平衡閥來(lái)解決這一問(wèn)題，將調(diào)壓彈簧的啟動(dòng)壓力設(shè)置為略高于無(wú)桿腔的船重負(fù)載壓力。

機(jī)耕船液壓換輪系統(tǒng)工作原理如下：

（1）當(dāng)電磁鐵9YA通電時(shí)，泵向上方無(wú)桿腔供油，活塞桿外伸，沒(méi)有接觸地面時(shí)無(wú)桿腔無(wú)負(fù)載；當(dāng)活塞桿接觸地面時(shí)，上方無(wú)桿腔受壓，直至將驅(qū)動(dòng)輪完全抬離地面。

（2）當(dāng)電磁換向閥中位時(shí)，活塞桿自鎖，有桿腔受壓力，保持船身高度不變。

（3）當(dāng)電磁鐵10YA通電時(shí)，泵向有桿腔供油，有桿腔受壓增加，由于液控單向平衡閥的作用，無(wú)桿腔管路不會(huì)瞬間導(dǎo)通，當(dāng)有桿腔壓力達(dá)到平衡閥調(diào)定壓力，平衡閥右位導(dǎo)通，節(jié)流閥接入無(wú)桿腔管路，活塞桿緩慢勻速縮回；當(dāng)活塞桿離開(kāi)地面時(shí)，有桿腔壓力因失去船重壓力負(fù)載而瞬間減小，平衡閥復(fù)位，活塞桿立即停止回縮，一段時(shí)間后，有桿腔壓力再次達(dá)到平衡閥彈簧調(diào)定壓力，右位節(jié)流閥再次接入無(wú)桿腔管路，活塞桿緩慢縮回直至終點(diǎn)。

6 結(jié)論

傳統(tǒng)機(jī)耕船行走系統(tǒng)為機(jī)械式，存在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)級(jí)數(shù)較多，行駛速度僅靠油門(mén)的大小控制，可調(diào)速度很小且無(wú)后退檔等諸多問(wèn)題。本文提出了機(jī)耕船行走系統(tǒng)改造方案，該系統(tǒng)采用液壓傳動(dòng)，除了具有液壓傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低，安裝維修方便等共性優(yōu)點(diǎn)外還具有以下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)傳動(dòng)效率高，在變速期間損失功率小、對(duì)能源的消耗率較低，同時(shí)具有較高的傳動(dòng)區(qū)間；

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)在作業(yè)突發(fā)緊急情況時(shí)能立刻切斷動(dòng)力傳遞，并且系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力；

（3）具有三檔調(diào)速功能，能實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)速，且調(diào)速范圍較大；

（4）增加配套的控制單元和傳感器等，使其實(shí)現(xiàn)智能控制。