陳恒峰， 郭 輝，2， 郭偉宏， 呂全貴， 徐志強(qiáng)

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)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(jì)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單緊湊、操作方便快捷、人機(jī)環(huán)境優(yōu)越、工作性能穩(wěn)定、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)械。社會(huì)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(jī)械化生產(chǎn)創(chuàng)造了充實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、農(nóng)民購(gòu)買力的不斷提升，人工使用成本在不斷增加，使農(nóng)業(yè)機(jī)械從人工操作的分段式農(nóng)業(yè)機(jī)械向高性價(jià)比、智能化控制的聯(lián)合收獲機(jī)械發(fā)展，為液壓技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)械中的使用，將提升我國(guó)現(xiàn)有機(jī)型的科技含量，縮短與世界先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)差距、減輕工作的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率、顯著提升農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益，為鞏固國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)市場(chǎng)的占有份額，提升國(guó)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)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(duì)液壓系統(tǒng)中各個(gè)工作部件的工作原理、元件的選擇及其工作特點(diǎn)等進(jìn)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(lái)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(fù)載的情況下快速平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。工作系統(tǒng)為靜液壓閉式回路系統(tǒng)，主泵進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行工作，帶動(dòng)4個(gè)液壓馬達(dá)工作，補(bǔ)油泵與溢流閥配合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行油液跟換，從而補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)部的泄漏與液壓油工作時(shí)的降溫作用[7]。

在全液壓驅(qū)動(dòng)底盤行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中有一種為變量泵+定量馬達(dá)+輸出變速箱，設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是在整個(gè)液壓系統(tǒng)中加入機(jī)械式的輸出變速箱，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多擋位的高傳動(dòng)比，能夠在各傳動(dòng)擋位得到波動(dòng)穩(wěn)定的輸出扭矩，并可以選擇高速低扭的馬達(dá)作為系統(tǒng)動(dòng)力元件。此類馬達(dá)相對(duì)體積較小，節(jié)省空間，采購(gòu)方便，可以降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的工作性能穩(wěn)定，零部件安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。因此選擇這種設(shè)計(jì)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(tái)、撥禾輪升降油缸、糧倉(cāng)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(jì)算及重要元件的選型

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

國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作系統(tǒng)壓強(qiáng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為10～16 MPa，而起重運(yùn)輸機(jī)械液壓系統(tǒng)壓強(qiáng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為20～32 MPa，結(jié)合新設(shè)計(jì)出的液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定工作系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)額定壓強(qiáng)為10 MPa，最高16 MPa，行走系統(tǒng)額定壓強(qiáng)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(gòu)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(dá)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(dá)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(biāo)參數(shù)

禾輪馬達(dá)工作載荷功率(kW)；F1表示撥禾輪單位長(zhǎng)度撥禾阻力(N/m)；B表示割臺(tái)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(dá)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(tái)長(zhǎng)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(shí)堵塞纏繞時(shí)阻力會(huì)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?yàn)楣ぷ鬏d荷功率N3包括切割功率Ng與空轉(zhuǎn)功率Nk2個(gè)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(tái)工作幅寬(m)；Vm表示收割機(jī)前進(jìn)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(cè)定，收割小麥時(shí)E0=100～200 Nm/m2，收割牧草時(shí)E0=200～300 Nm/m2。空轉(zhuǎn)功率Nk與切割器設(shè)計(jì)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(guò)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(zhǎng)度(m)；L′表示輸送器的垂直投影長(zhǎng)度(m)；W表示運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù)；n4表示過(guò)橋軸轉(zhuǎn)速(r/min)；2.1.5 馬達(dá)計(jì)算 馬達(dá)排量計(jì)算公式為

(10)

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

2.2 行走系統(tǒng)

2.2.1 行駛力的計(jì)算 行駛力計(jì)算公式為

F=FBed=F1+4·FR+Fst+Fc。

(11)

式中：FR表示單個(gè)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(jì)機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)具在田間作業(yè)時(shí)由路面塑性變形引起的車輪阻力，因此坡道阻力忽略不計(jì)。

現(xiàn)將上式中的各個(gè)阻力拆分計(jì)算，單個(gè)車輪阻力計(jì)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(dòng)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(jì)算得：

FR=2 000×(0.007+0.35)=714 kg=7 140 N。

車輛空氣阻力計(jì)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(fēng)時(shí)的氣流速度(此時(shí)取室外最大工作風(fēng)速17 km/h，車輛迎風(fēng)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(fēng)面積變化范圍(此處取最小值10 m2)。

計(jì)算得：

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

機(jī)具加速阻力計(jì)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(jì)算結(jié)果，最終確定農(nóng)機(jī)具在工作時(shí)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(dá)參數(shù)計(jì)算 液壓馬轉(zhuǎn)速為

Nm=V·il/2·π·r。

(15)

式中：Nm表示液壓馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；i1表示減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；r表示驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力半徑(m)。

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

液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)功率為

P=F·v。

(16)

式中：F表示收割機(jī)牽引力(N)；v表示收割機(jī)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(dá)扭矩為

(17)

帶入?yún)?shù)得Tw=172 N·m。

馬達(dá)排量計(jì)算公式：

(18)

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

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

根據(jù)計(jì)算結(jié)果與液壓元件手冊(cè)，對(duì)系統(tǒng)回路的執(zhí)行元件液壓馬達(dá)進(jìn)行選型(表2)，所選用液壓馬達(dá)的主要參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表2 計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)液壓馬達(dá)選型

表3 選型液壓馬達(dá)的主要參數(shù)

2.3 液壓泵的選擇

因?yàn)楣ぷ飨到y(tǒng)與行走系統(tǒng)均為靜液壓閉式回路系統(tǒng)，主泵進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行工作，帶動(dòng)液壓馬達(dá)工作，補(bǔ)油泵與溢流閥配合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行油液跟換，從而補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)部的泄漏與液壓油工作時(shí)的降溫作用。

2.3.1 確定液壓泵的最大工作壓強(qiáng)Pp液壓泵的最大工作壓強(qiáng)Pp為

Pp≥P1+∑Δp。

(19)

式中：P1表示液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓強(qiáng)；∑Δp表示從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)入口之間總的管路損失。∑Δp的準(zhǔn)確計(jì)算要待元件選定并繪出管路圖時(shí)才能進(jìn)行，初算時(shí)可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取：管路簡(jiǎn)單、流速不大的，取∑Δp=(0.2～0.5) MPa；管路復(fù)雜、進(jìn)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(qiáng)為16 MPa、額定工作壓強(qiáng) 10 MPa，帶入?yún)?shù)得額定工作壓強(qiáng)Pp=11.5 MPa；行走系統(tǒng)最高工作壓強(qiáng)為25 MPa、額定工作壓強(qiáng)20 MPa，帶入?yún)?shù)得額定工作壓強(qiáng)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(dá)同時(shí)工作時(shí)，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(shí)動(dòng)作的液壓缸或液壓馬達(dá)的最大總流量。

選擇行走系統(tǒng)液壓馬達(dá)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(dá)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(dá)計(jì)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(diǎn)，主泵的總流量=K×系統(tǒng)液壓馬達(dá)流量+輔助泵的流量(補(bǔ)油泵的流量為系統(tǒng)中各馬達(dá)總流量的25%～30%，為系統(tǒng)補(bǔ)充流量的同時(shí)具有管路油液散熱作用)。因?yàn)樾凶呦到y(tǒng)、輔助系統(tǒng)中的方向控制油缸(流量相對(duì)于系統(tǒng)流量可以不計(jì))的與工作系統(tǒng)會(huì)同時(shí)工作，輔助系統(tǒng)的其余元器件停止工作，所以補(bǔ)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(shí)，從產(chǎn)品樣本或手冊(cè)中選擇相應(yīng)的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓強(qiáng)儲(chǔ)備，所選泵的額定壓強(qiáng)一般要比額定工作壓強(qiáng)大25%～60%[11]。

根據(jù)系統(tǒng)要求選取液壓泵的型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 系統(tǒng)整合后泵的型號(hào)及參數(shù)

2.3.3 液壓油箱 油箱的容量V按下式進(jìn)行計(jì)算：

V=a·QV。

(21)

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

選擇系統(tǒng)中補(bǔ)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(qiáng)和實(shí)際通過(guò)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(jī)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(shí)際通過(guò)流量高出20%，防止短時(shí)間內(nèi)的超流量[12]。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬試驗(yàn)

空機(jī)環(huán)境模擬試驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)臺(tái)懸空，將撥禾輪馬達(dá)、螺旋輸送馬達(dá)、傾斜輸送馬達(dá)和行走馬達(dá)分別與力矩傳感器相連接；各液壓回路中加入壓強(qiáng)表、流量計(jì)、溫度計(jì)；使用140匹馬力柴油機(jī)給行走系統(tǒng)泵、工作系統(tǒng)泵、補(bǔ)油泵傳輸動(dòng)力；使用轉(zhuǎn)速測(cè)速儀測(cè)量馬達(dá)與泵的轉(zhuǎn)速。測(cè)量結(jié)果：(1)在系統(tǒng)加載試驗(yàn)時(shí)各系統(tǒng)中壓強(qiáng)表測(cè)量結(jié)果與理論值偏差小于2%；(2)在系統(tǒng)加載試驗(yàn)時(shí)各系統(tǒng)中流量計(jì)測(cè)量結(jié)果與理論值偏差小于3%；(3)在系統(tǒng)加載試驗(yàn)時(shí)各系統(tǒng)中力矩測(cè)量傳感器與轉(zhuǎn)速測(cè)速儀測(cè)量結(jié)果與理論值偏差小于3%。試驗(yàn)結(jié)果表明，液壓系統(tǒng)的工作性能滿足設(shè)計(jì)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(guò)大量空機(jī)環(huán)境模擬試驗(yàn)，表明整個(gè)液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)性能穩(wěn)定、動(dòng)作精準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、便于保養(yǎng)、維護(hù)方便，滿足設(shè)計(jì)要求；各項(xiàng)功能性指標(biāo)均達(dá)到國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，可以成為秸稈飼料收獲技術(shù)與智能裝備的標(biāo)準(zhǔn)底盤，作為液壓、電控、智能集成化技術(shù)的應(yīng)用與全自動(dòng)、遙感、傳感技術(shù)的應(yīng)用的載體。本課題有效促進(jìn)了我國(guó)農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，滿足了我國(guó)糧食作物的規(guī)?；斋@要求，提升了我國(guó)收獲機(jī)械產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力，具有廣闊的發(fā)展前景，值得大力推廣。