新疆C-5型草車的液壓系統(tǒng)設(shè)計

陳恒峰， 郭 輝，2， 郭偉宏， 呂全貴， 徐志強

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機械交通學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052； 2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計實驗室重點實驗室，新疆烏魯木齊 830052)

液壓系統(tǒng)具有安裝位置靈活自由、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作方便快捷、人機環(huán)境優(yōu)越、工作性能穩(wěn)定、使用維護方便等優(yōu)點，非常適合工作環(huán)境惡劣、系統(tǒng)零件安裝位置復(fù)雜多變的農(nóng)業(yè)機械。社會主義新農(nóng)村的快速發(fā)展，土地承包制度的建立與推廣，使小塊土地轉(zhuǎn)化為成片農(nóng)莊，為大型農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)創(chuàng)造了充實的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展、農(nóng)民購買力的不斷提升，人工使用成本在不斷增加，使農(nóng)業(yè)機械從人工操作的分段式農(nóng)業(yè)機械向高性價比、智能化控制的聯(lián)合收獲機械發(fā)展，為液壓技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中使用創(chuàng)造了有利的條件[1]。液壓技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的使用，將提升我國現(xiàn)有機型的科技含量，縮短與世界先進國家的技術(shù)差距、減輕工作的勞動強度、提高工作效率、顯著提升農(nóng)民的經(jīng)濟效益，為鞏固國內(nèi)農(nóng)機市場的占有份額，提升國外市場的競爭能力起到?jīng)Q定性作用[2-6]。本研究主要介紹新疆C-5型草車的液壓系統(tǒng)，并對液壓系統(tǒng)中各個工作部件的工作原理、元件的選擇及其工作特點等進行闡述。

1 新疆C-5型草車的液壓系統(tǒng)原理

新疆C-5型草車是在C-2型的基礎(chǔ)上深度改裝發(fā)展而來的新型產(chǎn)品；其液壓系統(tǒng)由工作系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和行走系統(tǒng)三部分組成(圖1)。

由于液壓系統(tǒng)中元器件的布置位置方便靈活，可以在帶負載的情況下快速平穩(wěn)地實現(xiàn)無級變速與快速轉(zhuǎn)向的性能，因此新疆C-5型草車的液壓系統(tǒng)整體采用靜液壓實現(xiàn)無級變速。工作系統(tǒng)為靜液壓閉式回路系統(tǒng)，主泵進行系統(tǒng)內(nèi)部運行工作，帶動4個液壓馬達工作，補油泵與溢流閥配合對系統(tǒng)進行油液跟換，從而補償系統(tǒng)內(nèi)部的泄漏與液壓油工作時的降溫作用[7]。

在全液壓驅(qū)動底盤行走系統(tǒng)設(shè)計方案中有一種為變量泵+定量馬達+輸出變速箱，設(shè)計方案的優(yōu)點是在整個液壓系統(tǒng)中加入機械式的輸出變速箱，可以實現(xiàn)復(fù)雜多擋位的高傳動比，能夠在各傳動擋位得到波動穩(wěn)定的輸出扭矩，并可以選擇高速低扭的馬達作為系統(tǒng)動力元件。此類馬達相對體積較小，節(jié)省空間，采購方便，可以降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益，同時整個系統(tǒng)的工作性能穩(wěn)定，零部件安裝結(jié)構(gòu)簡單，維護方便。因此選擇這種設(shè)計方案作為新疆C-5型草車的行走系統(tǒng)[8-10]。

輔助系統(tǒng)包含行走轉(zhuǎn)向、剎車系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)；操作控制系統(tǒng)由割臺、撥禾輪升降油缸、糧倉翻轉(zhuǎn)卸荷油缸及與之配套的液壓閥組成。

2 主要液壓系統(tǒng)的載荷計算及重要元件的選型

在液壓系統(tǒng)的選型計算時，需要根據(jù)C-5型草車的基本性能參數(shù)(表1)來確定主要元器件的參數(shù)指標。

國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械的工作系統(tǒng)壓強國家標準為10～16 MPa，而起重運輸機械液壓系統(tǒng)壓強國家標準為20～32 MPa，結(jié)合新設(shè)計出的液壓系統(tǒng)的特點，確定工作系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)額定壓強為10 MPa，最高16 MPa，行走系統(tǒng)額定壓強為20 MPa，最高25 MPa。該方案既可以滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求，又不增加液壓件的采購成本。

2.1 工作系統(tǒng)

2.1.1 撥禾輪 撥禾齒線速度V1為

(1)

式中：V1表示撥禾齒線速度(m/s)；n1表示撥禾輪轉(zhuǎn)速(r/min)；R表示撥禾輪半徑(m)。

撥禾輪馬達工作載荷力矩Mg1和功率N1為

Mg1=F1·B·R；

(2)

N1=F1·B·V1×10-3。

(3)

式中：Mg1表示撥禾輪馬達工作載荷力矩(N·m)；N1表示撥

表1 新疆C-5型草車的性能指標參數(shù)

禾輪馬達工作載荷功率(kW)；F1表示撥禾輪單位長度撥禾阻力(N/m)；B表示割臺工作幅寬(m)。

2.1.2 攪龍 工作載荷功率N2和載荷力矩Mg2為

N2=Ug(Lη1+H)η2×10-3=U(Lη1+H)η2×10-2；

(4)

Mg2=9 550N2/n2。

(5)

式中：N2表示攪龍馬達工作載荷功率(kW)；U表示生產(chǎn)率(kg/s)；g表示重力加速度(m/s2)；η1表示阻力系數(shù)；L表示割臺長度(m)；H表示作物提升高度(m)；η2表示校正系數(shù)，η2=10(由于攪龍工作時堵塞纏繞時阻力會成倍增加，故校正系數(shù)η2取較大值10)；n2表示攪龍轉(zhuǎn)速(r/min)。

2.1.3 切割器 因為工作載荷功率N3包括切割功率Ng與空轉(zhuǎn)功率Nk2個部分，則：

(6)

載荷力矩Mg3=9 550N2/n3。

(7)

式中：N3表示切割器工作載荷功率(kW)；Ng表示切割功率(kW)；Nk表示空轉(zhuǎn)功率(kW)；B表示割臺工作幅寬(m)；Vm表示收割機前進速度(m/s)；E0表示單位收獲面積的莖稈切割功(Nm/m2)；Nk′表示1 m割幅消耗的空轉(zhuǎn)功率(kW)；n3表示擺環(huán)箱轉(zhuǎn)速(r/min)。

經(jīng)測定，收割小麥時E0=100～200 Nm/m2，收割牧草時E0=200～300 Nm/m2?？辙D(zhuǎn)功率Nk與切割器設(shè)計制造技術(shù)和割幅有關(guān)，一般1 m割幅消耗的空轉(zhuǎn)功率Nk′=0.6～1.2 kW。

2.1.4 過橋裝置 工作載荷功率N4和載荷力矩Mg4為

N4=Q(1+η2)/367·(LW+L′)；

(8)

Mg4=9 550N3/n4。

(9)

式中：Q表示生產(chǎn)率(t/h)；η2表示校正系數(shù)；L表示輸送器的水平投影長度(m)；L′表示輸送器的垂直投影長度(m)；W表示運動阻力系數(shù)；n4表示過橋軸轉(zhuǎn)速(r/min)；2.1.5 馬達計算 馬達排量計算公式為

(10)

式中：P1表示液壓系統(tǒng)額定壓強(MPa)；Mg表示所有液壓馬達扭矩(N·m)；ηm表示機械效率(取ηm=0.85)。

2.2 行走系統(tǒng)

2.2.1 行駛力的計算 行駛力計算公式為

F=FBed=F1+4·FR+Fst+Fc。

(11)

式中：FR表示單個車輪阻力(N)；Fl表示空氣阻力(N)；Fst表示坡道阻力(N)；Fc表示加速阻力(N)。

由于設(shè)計機械工作在田間，而新疆的地理環(huán)境大都以平原化、干燥為主，坡道阻力要遠遠小于機具在田間作業(yè)時由路面塑性變形引起的車輪阻力，因此坡道阻力忽略不計。

現(xiàn)將上式中的各個阻力拆分計算，單個車輪阻力計算公式為

FR=FR,T+FR,pl=Fz,w·(kR,T+kR,pl)。

(12)

式中：FR，T表示車輪滾動阻力(N)；FR，pl表示路面塑性變形引起的阻力(N)；Fz，w表示輪載(取值為2 000 kg)；kR，T、kR，pl為系數(shù)，可查表取值。經(jīng)計算得：

FR=2 000×(0.007+0.35)=714 kg=7 140 N。

車輛空氣阻力計算公式為

(13)

式中：ρ表示空氣密度(ρ=1.29 kg/m3)；Ux±UL表示車輛處于最大速度并完全逆風時的氣流速度(此時取室外最大工作風速17 km/h，車輛迎風工作速度5 km/h，相加得23 km/h，即 6.39 m/s)；Cw表示車輛空氣阻力系數(shù)；Al表示車輛迎風面積變化范圍(此處取最小值10 m2)。

計算得：

Fl=1/2·1.29 kg/m3·(6.39 m/s)2×0.7×10 m2=184.4 N。

機具加速阻力計算公式為

Fc=(ei·mv,u1,0+mzu)ax。

(14)

式中：ei表示質(zhì)量系數(shù)(取值為1.5)；mv，u1，0表示空載車質(zhì)量(取值為6 000 kg)；mzu表示貨質(zhì)量(取值為2 000 kg)；ax表示平移加速度(取值為0.7 m/s2)。

Fc=(1.5×6 000 kg+2 000 kg)×0.7 m2=7 700 N。

綜合上面的計算結(jié)果，最終確定農(nóng)機具在工作時所受的最大阻力為

F=FBed=Fl+4·FR+Fst+Fc=184.4 N+4×7 140 N+0 N+7 700 N=36 444.4 N。

2.2.2 液壓馬達參數(shù)計算 液壓馬轉(zhuǎn)速為

Nm=V·il/2·π·r。

(15)

式中：Nm表示液壓馬達輸出軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；i1表示減速機構(gòu)傳動比；r表示驅(qū)動輪動力半徑(m)。

現(xiàn)有參數(shù)I檔傳動比i1為144，最大行駛速度V為 3.39 km/h，驅(qū)動輪半徑r為0.68 m；帶入?yún)?shù)得Nm=1 908 r/min。

液壓馬達驅(qū)動功率為

P=F·v。

(16)

式中：F表示收割機牽引力(N)；v表示收割機行駛速度(m/s)。

帶入?yún)?shù)F=36 444.4 N，v=0.942 m/s，得P=34 318.5 W≈34.32 kW。

馬達扭矩為

(17)

帶入?yún)?shù)得Tw=172 N·m。

馬達排量計算公式：

(18)

式中：P1表示液壓系統(tǒng)額定壓強(MPa)；Tw表示液壓馬達扭矩(N·m)；ηm表示機械效率(取值為0.8)。

選擇系統(tǒng)額定工作壓強為20 MPa，帶入?yún)?shù)得q=67.5 mL/r。

根據(jù)計算結(jié)果與液壓元件手冊，對系統(tǒng)回路的執(zhí)行元件液壓馬達進行選型(表2)，所選用液壓馬達的主要參數(shù)詳見表3。

表2 計算結(jié)果對應(yīng)液壓馬達選型

表3 選型液壓馬達的主要參數(shù)

2.3 液壓泵的選擇

因為工作系統(tǒng)與行走系統(tǒng)均為靜液壓閉式回路系統(tǒng)，主泵進行系統(tǒng)內(nèi)部運行工作，帶動液壓馬達工作，補油泵與溢流閥配合對系統(tǒng)進行油液跟換，從而補償系統(tǒng)內(nèi)部的泄漏與液壓油工作時的降溫作用。

2.3.1 確定液壓泵的最大工作壓強Pp液壓泵的最大工作壓強Pp為

Pp≥P1+∑Δp。

(19)

式中：P1表示液壓缸或液壓馬達最大工作壓強；∑Δp表示從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達入口之間總的管路損失。∑Δp的準確計算要待元件選定并繪出管路圖時才能進行，初算時可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取：管路簡單、流速不大的，取∑Δp=(0.2～0.5) MPa；管路復(fù)雜、進口有調(diào)閥的，取∑Δp=(0.5～1.5) MPa。

選擇工作系統(tǒng)最高工作壓強為16 MPa、額定工作壓強 10 MPa，帶入?yún)?shù)得額定工作壓強Pp=11.5 MPa；行走系統(tǒng)最高工作壓強為25 MPa、額定工作壓強20 MPa，帶入?yún)?shù)得額定工作壓強Pp=21.5 MPa。

2.3.2 確定液壓泵的流量QP多液壓缸或液壓馬達同時工作時，液壓泵的輸出流量應(yīng)為

QP≥K(∑Qmax)。

(20)

式中：K表示系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.1～1.3?！芉max表示同時動作的液壓缸或液壓馬達的最大總流量。

選擇行走系統(tǒng)液壓馬達的最大總流量為133.6 L/min、K=1.2，帶入?yún)?shù)得QP=160.3 L/min；工作切割系統(tǒng)液壓馬達的最大總流量為122～130.5 L/min、K=1.2，帶入?yún)?shù)得QP=146.4～156.6 L/min。

根據(jù)行走系統(tǒng)與工作系統(tǒng)的液壓馬達計算結(jié)果與圖1中行走系統(tǒng)與工作系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)的特點，主泵的總流量=K×系統(tǒng)液壓馬達流量+輔助泵的流量(補油泵的流量為系統(tǒng)中各馬達總流量的25%～30%，為系統(tǒng)補充流量的同時具有管路油液散熱作用)。因為行走系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)中的方向控制油缸(流量相對于系統(tǒng)流量可以不計)的與工作系統(tǒng)會同時工作，輔助系統(tǒng)的其余元器件停止工作，所以補油泵的流量為行走系統(tǒng)與工作系統(tǒng)總流量的20%～30%。在選擇液壓泵的規(guī)格時，從產(chǎn)品樣本或手冊中選擇相應(yīng)的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓強儲備，所選泵的額定壓強一般要比額定工作壓強大25%～60%[11]。

根據(jù)系統(tǒng)要求選取液壓泵的型號及參數(shù)見表4。

表4 系統(tǒng)整合后泵的型號及參數(shù)

2.3.3 液壓油箱 油箱的容量V按下式進行計算：

V=a·QV。

(21)

式中：QV表示液壓泵1 min的排出壓強油的容積(L)；a表示經(jīng)驗系數(shù)(取a=2.5)。

選擇系統(tǒng)中補油散熱泵的最大排油量V=80 L/min，帶入?yún)?shù)得V=200 L。

根據(jù)系統(tǒng)工作壓強和實際通過元器件的最大流量，選擇定型液壓產(chǎn)品。其中溢流閥的選型按照液壓泵的最大流量選擇；參考最小穩(wěn)定流量應(yīng)滿足執(zhí)行機構(gòu)最低速度的要求，選擇節(jié)流調(diào)速閥?？刂崎y與調(diào)速閥的流量選得比實際通過流量高出20%，防止短時間內(nèi)的超流量[12]。

3 實驗臺模擬試驗

空機環(huán)境模擬試驗將實驗臺懸空，將撥禾輪馬達、螺旋輸送馬達、傾斜輸送馬達和行走馬達分別與力矩傳感器相連接；各液壓回路中加入壓強表、流量計、溫度計；使用140匹馬力柴油機給行走系統(tǒng)泵、工作系統(tǒng)泵、補油泵傳輸動力；使用轉(zhuǎn)速測速儀測量馬達與泵的轉(zhuǎn)速。測量結(jié)果：(1)在系統(tǒng)加載試驗時各系統(tǒng)中壓強表測量結(jié)果與理論值偏差小于2%；(2)在系統(tǒng)加載試驗時各系統(tǒng)中流量計測量結(jié)果與理論值偏差小于3%；(3)在系統(tǒng)加載試驗時各系統(tǒng)中力矩測量傳感器與轉(zhuǎn)速測速儀測量結(jié)果與理論值偏差小于3%。試驗結(jié)果表明，液壓系統(tǒng)的工作性能滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

新疆C-5型自走式收獲草車的液壓系統(tǒng)通過大量空機環(huán)境模擬試驗，表明整個液壓系統(tǒng)運行過程中系統(tǒng)性能穩(wěn)定、動作精準、結(jié)構(gòu)簡明、便于保養(yǎng)、維護方便，滿足設(shè)計要求；各項功能性指標均達到國內(nèi)同類產(chǎn)品的先進水平，可以成為秸稈飼料收獲技術(shù)與智能裝備的標準底盤，作為液壓、電控、智能集成化技術(shù)的應(yīng)用與全自動、遙感、傳感技術(shù)的應(yīng)用的載體。本課題有效促進了我國農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進步，滿足了我國糧食作物的規(guī)模化收獲要求，提升了我國收獲機械產(chǎn)品的核心競爭力，具有廣闊的發(fā)展前景，值得大力推廣。