陈恒峰， 郭 辉，2， 郭伟宏， 吕全贵， 徐志强

(1.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐 830052； 2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052)

液压系统具有安装位置灵活自由、结构简单紧凑、操作方便快捷、人机环境优越、工作性能稳定、使用维护方便等优点，非常适合工作环境恶劣、系统零件安装位置复杂多变的农业机械。社会主义新农村的快速发展，土地承包制度的建立与推广，使小块土地转化为成片农庄，为大型农业机械化生产创造了充实的物质基础。同时随着我国经济的快速发展、农民购买力的不断提升，人工使用成本在不断增加，使农业机械从人工操作的分段式农业机械向高性价比、智能化控制的联合收获机械发展，为液压技术在农业机械中使用创造了有利的条件[1]。液压技术在农业机械中的使用，将提升我国现有机型的科技含量，缩短与世界先进国家的技术差距、减轻工作的劳动强度、提高工作效率、显著提升农民的经济效益，为巩固国内农机市场的占有份额，提升国外市场的竞争能力起到决定性作用[2-6]。本研究主要介绍新疆C-5型草车的液压系统，并对液压系统中各个工作部件的工作原理、元件的选择及其工作特点等进行阐述。

1 新疆C-5型草车的液压系统原理

新疆C-5型草车是在C-2型的基础上深度改装发展而来的新型产品；其液压系统由工作系统、辅助系统和行走系统三部分组成(图1)。

由于液压系统中元器件的布置位置方便灵活，可以在带负载的情况下快速平稳地实现无级变速与快速转向的性能，因此新疆C-5型草车的液压系统整体采用静液压实现无级变速。工作系统为静液压闭式回路系统，主泵进行系统内部运行工作，带动4个液压马达工作，补油泵与溢流阀配合对系统进行油液跟换，从而补偿系统内部的泄漏与液压油工作时的降温作用[7]。

在全液压驱动底盘行走系统设计方案中有一种为变量泵+定量马达+输出变速箱，设计方案的优点是在整个液压系统中加入机械式的输出变速箱，可以实现复杂多挡位的高传动比，能够在各传动挡位得到波动稳定的输出扭矩，并可以选择高速低扭的马达作为系统动力元件。此类马达相对体积较小，节省空间，采购方便，可以降低生产成本、提高经济效益，同时整个系统的工作性能稳定，零部件安装结构简单，维护方便。因此选择这种设计方案作为新疆C-5型草车的行走系统[8-10]。

辅助系统包含行走转向、刹车系统和操作控制系统；操作控制系统由割台、拨禾轮升降油缸、粮仓翻转卸荷油缸及与之配套的液压阀组成。

2 主要液压系统的载荷计算及重要元件的选型

在液压系统的选型计算时，需要根据C-5型草车的基本性能参数(表1)来确定主要元器件的参数指标。

国内农业机械的工作系统压强国家标准为10～16 MPa，而起重运输机械液压系统压强国家标准为20～32 MPa，结合新设计出的液压系统的特点，确定工作系统及辅助系统额定压强为10 MPa，最高16 MPa，行走系统额定压强为20 MPa，最高25 MPa。该方案既可以满足系统的技术要求，又不增加液压件的采购成本。

2.1 工作系统

2.1.1 拨禾轮 拨禾齿线速度V1为

(1)

式中：V1表示拨禾齿线速度(m/s)；n1表示拨禾轮转速(r/min)；R表示拨禾轮半径(m)。

拨禾轮马达工作载荷力矩Mg1和功率N1为

Mg1=F1·B·R；

(2)

N1=F1·B·V1×10-3。

(3)

式中：Mg1表示拨禾轮马达工作载荷力矩(N·m)；N1表示拨

表1 新疆C-5型草车的性能指标参数

禾轮马达工作载荷功率(kW)；F1表示拨禾轮单位长度拨禾阻力(N/m)；B表示割台工作幅宽(m)。

2.1.2 搅龙 工作载荷功率N2和载荷力矩Mg2为

N2=Ug(Lη1+H)η2×10-3=U(Lη1+H)η2×10-2；

(4)

Mg2=9 550N2/n2。

(5)

式中：N2表示搅龙马达工作载荷功率(kW)；U表示生产率(kg/s)；g表示重力加速度(m/s2)；η1表示阻力系数；L表示割台长度(m)；H表示作物提升高度(m)；η2表示校正系数，η2=10(由于搅龙工作时堵塞缠绕时阻力会成倍增加，故校正系数η2取较大值10)；n2表示搅龙转速(r/min)。

2.1.3 切割器 因为工作载荷功率N3包括切割功率Ng与空转功率Nk2个部分，则：

(6)

载荷力矩Mg3=9 550N2/n3。

(7)

式中：N3表示切割器工作载荷功率(kW)；Ng表示切割功率(kW)；Nk表示空转功率(kW)；B表示割台工作幅宽(m)；Vm表示收割机前进速度(m/s)；E0表示单位收获面积的茎秆切割功(Nm/m2)；Nk′表示1 m割幅消耗的空转功率(kW)；n3表示摆环箱转速(r/min)。

经测定，收割小麦时E0=100～200 Nm/m2，收割牧草时E0=200～300 Nm/m2。空转功率Nk与切割器设计制造技术和割幅有关，一般1 m割幅消耗的空转功率Nk′=0.6～1.2 kW。

2.1.4 过桥装置 工作载荷功率N4和载荷力矩Mg4为

N4=Q(1+η2)/367·(LW+L′)；

(8)

Mg4=9 550N3/n4。

(9)

式中：Q表示生产率(t/h)；η2表示校正系数；L表示输送器的水平投影长度(m)；L′表示输送器的垂直投影长度(m)；W表示运动阻力系数；n4表示过桥轴转速(r/min)；2.1.5 马达计算 马达排量计算公式为

(10)

式中：P1表示液压系统额定压强(MPa)；Mg表示所有液压马达扭矩(N·m)；ηm表示机械效率(取ηm=0.85)。

2.2 行走系统

2.2.1 行驶力的计算 行驶力计算公式为

F=FBed=F1+4·FR+Fst+Fc。

(11)

式中：FR表示单个车轮阻力(N)；Fl表示空气阻力(N)；Fst表示坡道阻力(N)；Fc表示加速阻力(N)。

由于设计机械工作在田间，而新疆的地理环境大都以平原化、干燥为主，坡道阻力要远远小于机具在田间作业时由路面塑性变形引起的车轮阻力，因此坡道阻力忽略不计。

现将上式中的各个阻力拆分计算，单个车轮阻力计算公式为

FR=FR,T+FR,pl=Fz,w·(kR,T+kR,pl)。

(12)

式中：FR，T表示车轮滚动阻力(N)；FR，pl表示路面塑性变形引起的阻力(N)；Fz，w表示轮载(取值为2 000 kg)；kR，T、kR，pl为系数，可查表取值。经计算得：

FR=2 000×(0.007+0.35)=714 kg=7 140 N。

车辆空气阻力计算公式为

(13)

式中：ρ表示空气密度(ρ=1.29 kg/m3)；Ux±UL表示车辆处于最大速度并完全逆风时的气流速度(此时取室外最大工作风速17 km/h，车辆迎风工作速度5 km/h，相加得23 km/h，即 6.39 m/s)；Cw表示车辆空气阻力系数；Al表示车辆迎风面积变化范围(此处取最小值10 m2)。

计算得：

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

机具加速阻力计算公式为

Fc=(ei·mv,u1,0+mzu)ax。

(14)

式中：ei表示质量系数(取值为1.5)；mv，u1，0表示空载车质量(取值为6 000 kg)；mzu表示货质量(取值为2 000 kg)；ax表示平移加速度(取值为0.7 m/s2)。

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

综合上面的计算结果，最终确定农机具在工作时所受的最大阻力为

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 液压马达参数计算 液压马转速为

Nm=V·il/2·π·r。

(15)

式中：Nm表示液压马达输出轴的转速(r/min)；i1表示减速机构传动比；r表示驱动轮动力半径(m)。

现有参数I档传动比i1为144，最大行驶速度V为 3.39 km/h，驱动轮半径r为0.68 m；带入参数得Nm=1 908 r/min。

液压马达驱动功率为

P=F·v。

(16)

式中：F表示收割机牵引力(N)；v表示收割机行驶速度(m/s)。

带入参数F=36 444.4 N，v=0.942 m/s，得P=34 318.5 W≈34.32 kW。

马达扭矩为

(17)

带入参数得Tw=172 N·m。

马达排量计算公式：

(18)

式中：P1表示液压系统额定压强(MPa)；Tw表示液压马达扭矩(N·m)；ηm表示机械效率(取值为0.8)。

选择系统额定工作压强为20 MPa，带入参数得q=67.5 mL/r。

根据计算结果与液压元件手册，对系统回路的执行元件液压马达进行选型(表2)，所选用液压马达的主要参数详见表3。

表2 计算结果对应液压马达选型

表3 选型液压马达的主要参数

2.3 液压泵的选择

因为工作系统与行走系统均为静液压闭式回路系统，主泵进行系统内部运行工作，带动液压马达工作，补油泵与溢流阀配合对系统进行油液跟换，从而补偿系统内部的泄漏与液压油工作时的降温作用。

2.3.1 确定液压泵的最大工作压强Pp液压泵的最大工作压强Pp为

Pp≥P1+∑Δp。

(19)

式中：P1表示液压缸或液压马达最大工作压强；∑Δp表示从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。∑Δp的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取∑Δp=(0.2～0.5) MPa；管路复杂、进口有调阀的，取∑Δp=(0.5～1.5) MPa。

选择工作系统最高工作压强为16 MPa、额定工作压强 10 MPa，带入参数得额定工作压强Pp=11.5 MPa；行走系统最高工作压强为25 MPa、额定工作压强20 MPa，带入参数得额定工作压强Pp=21.5 MPa。

2.3.2 确定液压泵的流量QP多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为

QP≥K(∑Qmax)。

(20)

式中：K表示系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3。∑Qmax表示同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量。

选择行走系统液压马达的最大总流量为133.6 L/min、K=1.2，带入参数得QP=160.3 L/min；工作切割系统液压马达的最大总流量为122～130.5 L/min、K=1.2，带入参数得QP=146.4～156.6 L/min。

根据行走系统与工作系统的液压马达计算结果与图1中行走系统与工作系统为闭式系统的特点，主泵的总流量=K×系统液压马达流量+辅助泵的流量(补油泵的流量为系统中各马达总流量的25%～30%，为系统补充流量的同时具有管路油液散热作用)。因为行走系统、辅助系统中的方向控制油缸(流量相对于系统流量可以不计)的与工作系统会同时工作，辅助系统的其余元器件停止工作，所以补油泵的流量为行走系统与工作系统总流量的20%～30%。在选择液压泵的规格时，从产品样本或手册中选择相应的液压泵。为使液压泵有一定的压强储备，所选泵的额定压强一般要比额定工作压强大25%～60%[11]。

根据系统要求选取液压泵的型号及参数见表4。

表4 系统整合后泵的型号及参数

2.3.3 液压油箱 油箱的容量V按下式进行计算：

V=a·QV。

(21)

式中：QV表示液压泵1 min的排出压强油的容积(L)；a表示经验系数(取a=2.5)。

选择系统中补油散热泵的最大排油量V=80 L/min，带入参数得V=200 L。

根据系统工作压强和实际通过元器件的最大流量，选择定型液压产品。其中溢流阀的选型按照液压泵的最大流量选择；参考最小稳定流量应满足执行机构最低速度的要求，选择节流调速阀。控制阀与调速阀的流量选得比实际通过流量高出20%，防止短时间内的超流量[12]。

3 实验台模拟试验

空机环境模拟试验将实验台悬空，将拨禾轮马达、螺旋输送马达、倾斜输送马达和行走马达分别与力矩传感器相连接；各液压回路中加入压强表、流量计、温度计；使用140匹马力柴油机给行走系统泵、工作系统泵、补油泵传输动力；使用转速测速仪测量马达与泵的转速。测量结果：(1)在系统加载试验时各系统中压强表测量结果与理论值偏差小于2%；(2)在系统加载试验时各系统中流量计测量结果与理论值偏差小于3%；(3)在系统加载试验时各系统中力矩测量传感器与转速测速仪测量结果与理论值偏差小于3%。试验结果表明，液压系统的工作性能满足设计要求。

4 结论

新疆C-5型自走式收获草车的液压系统通过大量空机环境模拟试验，表明整个液压系统运行过程中系统性能稳定、动作精准、结构简明、便于保养、维护方便，满足设计要求；各项功能性指标均达到国内同类产品的先进水平，可以成为秸秆饲料收获技术与智能装备的标准底盘，作为液压、电控、智能集成化技术的应用与全自动、遥感、传感技术的应用的载体。本课题有效促进了我国农业装备产业技术的进步，满足了我国粮食作物的规模化收获要求，提升了我国收获机械产品的核心竞争力，具有广阔的发展前景，值得大力推广。