山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)研究

河北農(nóng)垚科技有限公司 李世可

割草機(jī)主要應(yīng)用在果園種植、畜牧業(yè)及農(nóng)業(yè)等行業(yè)發(fā)展中，屬于小型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的一種。而割草機(jī)的傳動(dòng)方式直接影響其作業(yè)質(zhì)效，與割草成效存在密切聯(lián)系，山地環(huán)境相對(duì)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，普通的割草機(jī)無(wú)法順利完成割草任務(wù)，如果利用電力驅(qū)動(dòng)的割草機(jī)落實(shí)割草作業(yè)，很難保證電力供應(yīng)的充足，且驅(qū)動(dòng)力難以滿足作業(yè)要求。為此，需加大對(duì)山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)的研究力度，為割草機(jī)的實(shí)際作業(yè)提供更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力。

1 山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)的研發(fā)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的發(fā)展背景下，部分地區(qū)使用的割草機(jī)依然依賴于國(guó)外進(jìn)口，缺少自主研發(fā)割草機(jī)的投入使用，在國(guó)家不斷提高對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)的重視程度的過(guò)程中，增加了農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)方面的政策與資金支持，且通過(guò)借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)割草機(jī)研發(fā)技術(shù)，為國(guó)內(nèi)的割草機(jī)研究提供更強(qiáng)動(dòng)力，使得國(guó)內(nèi)部分割草機(jī)擁有更強(qiáng)的使用性能及更高的作業(yè)效率。但普通的割草機(jī)僅用于草坪割草，很難適應(yīng)山地環(huán)境。因此，一些國(guó)內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)企業(yè)致力于山地割草機(jī)的研究工作，可依然受到傳動(dòng)系統(tǒng)的限制，普通的傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法保證山地除草質(zhì)量，應(yīng)該在液壓系統(tǒng)研發(fā)方面投入更多精力和時(shí)間[1]。

2 山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本文結(jié)合對(duì)現(xiàn)階段山地割草機(jī)實(shí)際作業(yè)情況的分析，總結(jié)了山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因?yàn)楦畈輽C(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)性及合理性直接影響割草機(jī)整體的動(dòng)態(tài)特性、工作性能及能耗等多個(gè)層面，所以，應(yīng)合理明確山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，了解不同環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)要點(diǎn)，有助于強(qiáng)化山地割草機(jī)對(duì)作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。

2.1 山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求

結(jié)合對(duì)山地地形實(shí)際情況的分析，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)割草機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，綜合考量設(shè)計(jì)成本，按照割草機(jī)液壓系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。首先，應(yīng)保證山地割草機(jī)整機(jī)驅(qū)動(dòng)力能滿足應(yīng)用需求，可承載至少一位操作者，且能實(shí)現(xiàn)在山地復(fù)雜崎嶇環(huán)境中的正常行駛，擁有很強(qiáng)的山地爬坡作業(yè)能力，需保證可爬坡度達(dá)30°以上；其次，利用單泵針對(duì)整套系統(tǒng)中的割草機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，保證能實(shí)現(xiàn)單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)合動(dòng)作，確保不同動(dòng)作間不會(huì)產(chǎn)生相互干擾，可在液壓系統(tǒng)流量飽和時(shí)，具備較強(qiáng)的抗流量飽和能力；再次，設(shè)計(jì)人員應(yīng)保證山地割草機(jī)整車(chē)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，依據(jù)割草作業(yè)需求及環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)置較大的調(diào)速范圍，操作人員可通過(guò)手柄控制閥口大小實(shí)現(xiàn)變速；最后，避免割草機(jī)整體質(zhì)量超過(guò)850kg，合理控制割刀轉(zhuǎn)速，保證在600～1000r/min 范圍內(nèi)。

2.2 編制科學(xué)完善的山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.2.1 合理選擇液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

針對(duì)山地割草機(jī)常用的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，開(kāi)式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)為主要類(lèi)型，分類(lèi)依據(jù)為液壓系統(tǒng)中的工作介質(zhì)與循環(huán)方式。其中開(kāi)式液壓系統(tǒng)中的液壓油主要依托于液壓泵實(shí)現(xiàn)由油箱向系統(tǒng)中的吸入，之后經(jīng)由液壓控制閥等主要的液壓元件，由回路通回油箱，無(wú)論是馬達(dá)供油還是回油環(huán)節(jié)，均離不開(kāi)換向閥的作用。開(kāi)式液壓系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及系統(tǒng)構(gòu)成靈活的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造投入的資金和資源較少，在小型農(nóng)林機(jī)械中體現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性。但此種形式的液壓系統(tǒng)對(duì)油箱有較高要求，需保證油箱擁有較大的容積，主要目的是為系統(tǒng)散熱提供便利；對(duì)于閉式液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在液壓泵的作用下，液壓油會(huì)被吸入到回路中，經(jīng)由液壓元件后不會(huì)進(jìn)入油箱，與液壓泵的吸油端直接連接，可在管路中使液壓油形成閉環(huán)。但在液壓元件的實(shí)際使用中，存在一定的泄漏，容易造成液壓油浪費(fèi)，所以，需要定期進(jìn)行液壓油的補(bǔ)充。而當(dāng)液壓系統(tǒng)中進(jìn)入污染物時(shí)，受到整體結(jié)構(gòu)及環(huán)境的限制，增加了液壓系統(tǒng)清理難度，且成本投入相對(duì)較高，為此，應(yīng)優(yōu)先選擇開(kāi)式液壓系統(tǒng)[2]。

2.2.2 制定可行的行走方案

因?yàn)樯降囟鄶?shù)都十分崎嶇，地面凹凸不平，如果選擇普通的輪式車(chē)輛進(jìn)行割草，很難順利完成任務(wù)，且普通輪式車(chē)輛不具備很強(qiáng)的爬坡能力，所以，應(yīng)選擇具備較強(qiáng)爬坡能力的履帶式車(chē)輛。圍繞對(duì)國(guó)內(nèi)主要收割機(jī)、履帶式割草機(jī)及果園作業(yè)平臺(tái)等對(duì)應(yīng)的履帶行走底盤(pán)的分析，可明確履帶底盤(pán)技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而編制完善的行走方案。本次設(shè)計(jì)中將兩個(gè)行走液壓馬達(dá)設(shè)置在兩邊獨(dú)立驅(qū)動(dòng)履帶兩側(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)割草機(jī)行進(jìn)方向、行進(jìn)速度及原地轉(zhuǎn)向的有效控制，有助于強(qiáng)化行走方案的可行性，為操作人員提供便利，不僅無(wú)需使用驅(qū)動(dòng)橋和變速箱，還有利于降低割草機(jī)重量。

2.2.3 重點(diǎn)完善液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方案

對(duì)于山地割草機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，常用的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)有高速和低速兩種，實(shí)際差異體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)輪是否與液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)軸直接相連。其中高速方案設(shè)計(jì)對(duì)馬達(dá)的要求較低，會(huì)采用中間過(guò)渡環(huán)節(jié)設(shè)置在液壓馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)輪之間，依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)匹配高速液壓馬達(dá)，要求馬達(dá)具備低扭矩、承載能力小的特點(diǎn)，雖然會(huì)造成一定的功率損失，且容易帶來(lái)機(jī)械噪聲，但無(wú)需投入較高成本；而低速馬達(dá)無(wú)需設(shè)置中間過(guò)渡環(huán)節(jié)，液壓馬達(dá)直接與驅(qū)動(dòng)輪相連接，依靠液壓馬達(dá)輸出運(yùn)行所需扭矩，此種方案體現(xiàn)出一定的便利性、靈活性，不會(huì)在實(shí)際實(shí)行中因中間過(guò)渡環(huán)節(jié)引發(fā)功率損失，但采用低速方案對(duì)液壓馬達(dá)提出較高要求，增加了液壓馬達(dá)方面的成本投入，在小型山地農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出較差的適用性。綜合考慮以上兩種方案的優(yōu)勢(shì)與不足，本次研究中選擇高速方案。

2.2.4 調(diào)整優(yōu)化液壓系統(tǒng)調(diào)速方案

針對(duì)山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)調(diào)速方案的設(shè)計(jì)而言，應(yīng)明確液壓缸、液壓馬達(dá)等液壓執(zhí)行元件的重要作用，合理控制此類(lèi)元件的速度。一般在結(jié)束液壓元件選型工作后，液壓缸的液壓馬達(dá)排量及作用面積已經(jīng)固定，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)以上液壓執(zhí)行元件速度的調(diào)節(jié)，可進(jìn)行液壓系統(tǒng)中流量的改變。常用的調(diào)速回路有容積調(diào)速回路、節(jié)流調(diào)速回路及容積節(jié)流調(diào)速回路，本次研究中結(jié)合對(duì)山地割草機(jī)工況要求的分析，依據(jù)各類(lèi)功能設(shè)計(jì)需求，選擇負(fù)載敏感泵與節(jié)流閥結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速回路。

2.2.5 規(guī)范化設(shè)計(jì)負(fù)載敏感系統(tǒng)

針對(duì)負(fù)載敏感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，此系統(tǒng)屬于先進(jìn)液壓系統(tǒng)的一種，具備低損耗及高效率的特點(diǎn)，可通過(guò)采用單向閥及梭閥的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓執(zhí)行端流量信號(hào)及負(fù)載壓力的感受，并在控制閥、信號(hào)道及LS 油路的作用下向變量泵完成反饋，變量泵基于對(duì)接收信號(hào)的分析，會(huì)針對(duì)斜盤(pán)傾角大小進(jìn)行調(diào)整，確保輸出的壓力和流量能使系統(tǒng)維持正常工作，且可避免出現(xiàn)泄漏問(wèn)題，有助于減少液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量，還能減少不必要的能耗。通常情況下，負(fù)載敏感系統(tǒng)需要依賴于壓力補(bǔ)償閥及負(fù)載敏感泵等液壓元件組合而成，以壓力補(bǔ)償閥在液壓油路中與多路閥間相對(duì)位置為依據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力補(bǔ)償閥的分類(lèi)，主要分為閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)和閥前壓力補(bǔ)償系統(tǒng)。其中閥前補(bǔ)償系統(tǒng)中，一般在模擬操作閥進(jìn)口位置設(shè)置壓力補(bǔ)償閥；而閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)中，會(huì)在模擬操作閥出口位置設(shè)置壓力補(bǔ)償閥[3]。

綜合分析兩種壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如果系統(tǒng)需要的流量較變量泵的供油能力小，則會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)處于流量未飽和狀態(tài)，當(dāng)變量泵供油能力能滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求時(shí)，無(wú)論采用閥前補(bǔ)償系統(tǒng)還是閥后補(bǔ)償系統(tǒng)，可得到相同的壓力補(bǔ)償效果。但是采用閥前壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的情況下，如果存在流量飽和供應(yīng)不足的現(xiàn)象，壓力較低的支路為液體的主要流向，一旦高負(fù)載流量被低負(fù)載搶占，容易降低高負(fù)載速度；通過(guò)構(gòu)建閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，能通過(guò)壓力補(bǔ)償達(dá)到負(fù)荷均衡的目的，針對(duì)低壓回路進(jìn)行壓力補(bǔ)償可與高壓回路負(fù)載保持一致，進(jìn)而讓相關(guān)操作閥進(jìn)出口壓差相同，從而完成向各支路合理的流量分配。出于對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多及流量飽和情況發(fā)生概率較高等特點(diǎn)的分析，可選擇閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)提高整體的抗流量飽和能力。

2.3 山地割草機(jī)液壓子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.3.1 工作回路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的操作要點(diǎn)

針對(duì)山地液壓割草機(jī)工作回路而言，主要涉及兩個(gè)動(dòng)作，即割刀的旋轉(zhuǎn)及割刀機(jī)構(gòu)的升降，進(jìn)行山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要求兩種動(dòng)作互不干擾，且能在行進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作，需合理設(shè)計(jì)變量缸敏感腔、電動(dòng)機(jī)、變量泵、LS 閥、壓力切斷閥、阻尼孔及變量缸彈簧腔，以上為負(fù)載敏感泵的主要構(gòu)成，在多路閥后設(shè)置壓力補(bǔ)償閥，并且選擇低液阻單向閥安裝在每個(gè)出口位置，主要用于實(shí)現(xiàn)供油功能，在單向閥的作用下，工作液壓回路中的割刀升降機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)進(jìn)出油口最大負(fù)載壓力會(huì)進(jìn)入LS 油路，通過(guò)比較可向不同壓力補(bǔ)償閥的彈簧腔與負(fù)載敏感泵的LS 閥彈簧腔施加最大負(fù)載[4]。在保證LS 閥芯受力平衡的前提下，可保證與傳遞來(lái)的最大負(fù)載壓力信號(hào)相比，泵的輸出壓力始終控制在高于常值，在此基礎(chǔ)上要求控制泵的輸出流量可滿足兩個(gè)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)需求。此外，還能確保泵所需流量不受負(fù)載干擾，僅依靠多路閥開(kāi)口進(jìn)行調(diào)整，基于對(duì)閥后補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)的利用，可達(dá)到負(fù)載獨(dú)立流量分配的目的。

2.3.2 先導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的操作要點(diǎn)

結(jié)合對(duì)液控先導(dǎo)原理的分析，本次需設(shè)計(jì)先導(dǎo)裝置，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)液控?fù)Q向閥的控制，技術(shù)人員通過(guò)操控手柄，可將相應(yīng)的控制閥閥芯按下，如果割草機(jī)不啟動(dòng)，手柄需始終在中位，在彈簧力的支撐下，各個(gè)控制閥可實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)油路與回油腔的連通，此種情況下，不會(huì)產(chǎn)生控制多路閥的信號(hào)，使得多路閥始終保持在中位。而當(dāng)割草機(jī)啟動(dòng)，技術(shù)人員操控割草機(jī)進(jìn)行動(dòng)作的過(guò)程中，主要通過(guò)按下不同的手柄實(shí)現(xiàn)，例如，進(jìn)行割刀馬達(dá)正轉(zhuǎn)操作的過(guò)程中，技術(shù)人員通過(guò)按下先導(dǎo)閥閥芯對(duì)應(yīng)的手柄，能有效克服先導(dǎo)閥的彈簧力，液控先導(dǎo)換向閥接收到來(lái)自液壓油的壓力信號(hào)后，馬達(dá)中會(huì)有負(fù)載敏感泵的壓力油進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)割刀馬達(dá)正轉(zhuǎn)；而對(duì)于割刀馬達(dá)的反轉(zhuǎn)控制來(lái)說(shuō)，可通過(guò)操控手柄使對(duì)應(yīng)的先導(dǎo)閥閥芯克服彈簧力運(yùn)動(dòng)，通過(guò)向右運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)割刀馬達(dá)反轉(zhuǎn)。

2.4 山地液壓割草機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要液壓元件選型

液壓元件的選擇直接影響山地割草機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量，且與山地割草機(jī)的整機(jī)成本、動(dòng)力設(shè)計(jì)、系統(tǒng)能耗等方面存在密切聯(lián)系。本次研究中結(jié)合對(duì)山地割草機(jī)設(shè)計(jì)要求的分析，嚴(yán)格按照液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇液壓元件，同時(shí)，將市場(chǎng)中的一些主流液壓元件產(chǎn)品手冊(cè)作為依據(jù)，落實(shí)液壓元件的選型計(jì)算工作，之后得到相應(yīng)的元件尺寸和規(guī)格，確保液壓元件的動(dòng)力學(xué)特征能符合實(shí)際要求，強(qiáng)化液壓馬達(dá)各項(xiàng)參數(shù)的科學(xué)性。在山地割草機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)保證擁有足夠的驅(qū)動(dòng)力，為此，應(yīng)提高對(duì)行走液壓馬達(dá)選型工作的重視程度，優(yōu)先采用高速方案，合理選擇中間環(huán)節(jié)減速器，結(jié)合對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的分析，應(yīng)明確減速比為6，此種情況下液壓馬達(dá)的輸出扭矩可滿足實(shí)際需求，本次研究中選用BMSY160 液壓馬達(dá)。對(duì)于液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中其他液壓元件的選擇而言，依然需按照液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行選擇，且保證符合市場(chǎng)中主流液壓元件產(chǎn)品手冊(cè)相關(guān)要求。為了強(qiáng)化對(duì)整機(jī)成本的控制，應(yīng)立足于經(jīng)濟(jì)性的角度進(jìn)行液壓元件的選型[5]。

3 山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)的未來(lái)展望

進(jìn)行山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，涉及很多專(zhuān)業(yè)，且與很多領(lǐng)域存在密切聯(lián)系。從割草機(jī)整體質(zhì)量的角度出發(fā)，影響其動(dòng)態(tài)特性、使用性能及運(yùn)行能耗的因素較多，呈多元化特點(diǎn)，因此，應(yīng)增強(qiáng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化意識(shí)，為山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展提供動(dòng)力。首先，因?yàn)樯降馗畈輽C(jī)的作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，所以，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考量液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)熱量及泄漏量等，圍繞以上內(nèi)容創(chuàng)建專(zhuān)門(mén)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證分析；其次，應(yīng)配合進(jìn)行相應(yīng)的虛擬仿真，搭建專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可突破理論設(shè)計(jì)的限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)山地割草機(jī)工作回路、動(dòng)態(tài)特性的綜合分析，并與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而明確山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合分析，基于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行創(chuàng)新，即在山地農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，利用一個(gè)單泵驅(qū)動(dòng)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可減少整機(jī)的成本投入，還能降低能耗。同時(shí)，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考量作業(yè)環(huán)境，保證山地割草機(jī)具備良好的爬坡能力，能適應(yīng)不同的山地作業(yè)環(huán)境。此外，結(jié)合實(shí)際的除草需求設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)內(nèi)部功能，確保能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類(lèi)動(dòng)作的高效控制，有利于維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到科學(xué)控制山地割草機(jī)行進(jìn)速度與行進(jìn)方向的目的，在提高割草作業(yè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上節(jié)約農(nóng)機(jī)運(yùn)行成本，進(jìn)而創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。