陈恒峰， 许晓波， 郭 辉

（1. 扬州市职业大学，江苏 扬州 225200；2. 博尔塔拉蒙古自治州兴旺科技有限责任公司，新疆 博乐 833400；3. 新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；4. 新疆农业工程装备创新设计重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

0 引言

农业机械是农业种植产业的重要使用工具。我国要想成为农业强国，必须要加强农业智能化的快速发展，对效率低、智能化程度低、纯机械传动的农业机械设备进行科技改进[1]。液压传动取代纯机械传动，便于实现机电液一体化控制，特别是液压传动中的闭式液压传动系统。液压元件标准化程度高，安装结构简单，位置布局灵活，管路连接传动可靠，工作效率高，可以实现无级变速，控制响应敏捷，动作反应精准，系统控制回路清晰，使用维护便捷，容易实现电液一体化控制，成为智能化控制的基础机型。同时使用维护成本低，有利于实现精准农业生产，促进无污染、绿色农业发展，是农业机械综合化、智能化的发展方向[2-4]。

在我国的西北与东北部地区，因为地理环境与气候的原因，使玉米与棉花等高秆农作物成为农业生产的支柱型经济产物。其种植面积非常庞大，在生产周期中需要定时进行喷雾作业，作业时间紧，工作环境恶劣，人工无法直接完成作业。对此根据闭式液压系统在液压传动中的优势与高地隙轮式喷雾机的工作特点相结合，设计一款新型闭式液压传动的高地隙轮式喷雾机，为农业机械的发展提供一些新思路。

1 闭式液压传动系统设计

为满足高秆农作物的后期生长施药需求，自走喷雾机必须与农作物生长地面有相应的高度差，并且要能够负重大量的溶剂以实现大面积作业，同时田间作业环境复杂多变、夏季气温炎热、远离生产工厂的荒郊作业，对此需要整个传动系统工作稳定、可靠性高，不仅能承受长时间高温作业，同时能够承受工作中的重载急停冲击。

自走喷雾机必须与农作物生长地面有一定的高度差，传动系统如果使用纯机械传动，导致传动结构复杂，零件生产精度要求严格，安装烦琐、使用维护困难，无法实现智能控制。因此，选择采用闭式液压传动系统实现能量的传输。高地隙喷药机闭式液压传动系统原理如图1 所示。闭式液压传动系统以闭式泵为主动力元件，变量马达为主要工作元件，定量泵与各种回路控制元件对系统进行油液补充，同时完成除行走外的辅助液压动作。

图1 闭式液压传动系统原理Fig. 1 Closed hydraulic drive system principle

闭式传动系统行走原理：通过改变闭式泵的排量大小、液体的流动方向，从而改变马达的转速与方向（同时变量马达也可以改变自身的排量，改变转速），实现行走速度、行走方向的调节，以满足喷药机的重载工作与空载行驶的不同工作需求。闭式传动系统能够实现工作过程中大而恒定转矩的有效传输，同时实现无冲击的转向工作，这对重心偏高的高地隙轮式行走机械来说十分重要[5-7]。

2 传动系统元件计算与选择

2.1 传动系统计算

由于高地隙喷雾机在田间工作环境复杂、条件恶劣，对此闭式液压传动系统的元件要进行重点分析与选择，保证机器在工作过程中稳定和高效，对此设计了独立四驱闭式液压传动系统，主要传动参数如表1 所示。

表1 高地隙喷雾机主要传动参数Tab. 1 Main transmission parameters of high gap sprayer

根据设计需求与参数定义，综合分析机械在实际生产运行过程中的动力。机器在工作爬坡时所需要的动力最大，通过设计手册可知上坡行驶参数[8-10]。

设计机器工作时爬坡角度为15°，高地隙喷雾机在上坡时受力最大时的作业状况

式中Ff——轮胎滚动摩擦力

Fg—上坡度阻力

Fx—空气阻力

Fa—加速度阻力

由于在机械正常工作过程中行驶速度为匀速，因此在计算过程中无须考虑加速度的阻力因素。同时行驶速度远低于50 km/h 的公路行驶下限，所产生的空气阻力可以忽略不计。综合实际牵引力主要是机械运动过程中克服轮胎滚动摩擦力与上坡时阻力所做功。参数中重载机械质量为7 500 kg。

式（1）中，Ff=f·G·cosa，Fg=G·sina；G为机械满载时的工作总重力；f为轮胎滚动摩擦阻力系数（机械在可能作业的几种田地路况不近相同，为提高机械对道路的通过性，轮胎滚动摩擦力阻力系数取值0.12），坡度角a取值15°。

根据式（1）计算设计机械所需的最大牵引力为27 542 N，为保证机械在特殊情况下工作，对牵引留有一定的余量。对此选择牵引力为30 000 N。

液压马达传动转速

式中Nm——液压马达传动轴工作转速

i1——减速机构综合传动比

r——驱动轮最大外径参数

现有参数减速器综合传动比1∶53.7，车辆重载工作最大田间行驶速度为4.5 km/h，驱动车轮外径参数为0.65 m。带入参数V=4.5 km/h，i1=53.7，r=0.65 m，得Nm=987 r/min。

空载路面行驶时，空载车辆最大田间行驶速度为7.2 km/h。得Nm空=1 579 r/min。

液压马达工作功率

式中F——机械工作牵引力

V——机械正常工作行驶速度

带 入 参 数 工 作时F=30 000 N，V=1.25 m/s， 得P=11 kW（四轮独立驱动）。

马达重载工作扭矩

式中P——液压马达驱动工作功率

Nm——液压马达正常工作转速

带入参数得机械重载工作时，Tw=106 N·m；空载时，Tw=22.2 N·m。

马达工作排量计算公式

式中

P1——液压系统额定工作压力

Tw——液压马达正常工作扭矩

Hm——液压马达机械效率，取值0.9

选择系统额定工作压力为20 MPa，带入参数得马达重载最小排量q=36.9 mL/r。

根据重载上坡正常工作的计算结果对液压马达的选型要求：额定工作压力为20 MPa 时，最低转速987 r/min，重载流体排量36.9 mL/r，工作传输转矩106 N·m，所需工作动力的功率11 kW。对比市场现有马达型号，综合优化参数选择LTM07B 型马达。

在选择液压控制元器件时，根据马达所需工作流量确定泵的工作流量Qp[11]。

液压马达的工作排量q、运行转速n和综合流量Q的关系为

式中q——液压马达工作排量，mL/r

n-—液压马达运行转速，r/min

Q——液压马达综合流量，L/min

液压泵（马达）功率计算公式

式中P2——液压马达正常重载工作压力，MPa

N——液压马达综合使用功率，kW

由于LTM07B 额定重载时工作压力21 MPa，最大工况压力为30 MPa，现在额定重载工作转速最高为987 r/min，马达额定排量为39.5 mL/r。所以马达所需最高工作流量Q=39 L/min，最大工作功率N=13.38 kW。

结合高地隙喷药机闭式液压传动系统原理（图1），液压泵的工作流量QP在液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量计算公式为

式中K——液压传动系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3

ΣQmax——同时工作的液压油缸或液压行走马达的最大总工作流量

2.2 传动系统元件参数选择

闭式液压传动系统中，双泵分别控制两泵，对此进行双泵选型。QP计算得85.8 L/min。闭式泵可以选择力士乐串联式双60 闭式泵。主要参数：双泵的公称排量60+60 mL/r，额定工作最高压力31.5 MPa。额定工作转动速1 500 r/min，实际综合总排量为90+90 L/min。

根据闭式液压传动系统工作原理，补还油量为整个系统油量的1/4～1/3，对此补油泵的排量为30～40 L/min，根据实际情况选择排量为36 L/min、额定工作转速1 500 r/min 的定量泵。

由于田间作业工作环境复杂多变，对此需要机械可以在1 个车轮悬空中行驶，此时整机的质量将分摊到其余3 个车轮中，对此图1 中两位两通电磁换向阀分别对应工作，系统中的工作压力将会调整为21×4/3 MPa，为保证系统正常工作溢流阀压力设定为28 MPa。

根据上述设计计算与选型可得高地隙喷雾机的闭式液压传动系统的主要液压元件参数如表2 所示。

表2 主要液压元件参数Tab. 2 Main hydraulic components parameters

3 闭式液压传动系统仿真研究

3.1 建立液压传动系统模型

根据设计原理图分析，因串联双60 闭式泵分别控制两个液压马达，运行工作时两个液压系统相互独立，功能原理相同。定量泵同时对两系统进行等量补油。对此在AMESim 仿真软件中建立理想化仿真系统，仅对其中一个系统进行分析即可。根据闭式变量泵、定量泵与两个行走马达的运行参数及闭式液压传动系统原理图的设计可得到传动系统主要元件的仿真参数如表3 所示[12]。

表3 元件仿真参数Tab. 3 Simulation parameters of components

根据闭式液压传动系统原理与传动系统主要元件的仿真参数，在AMESim 仿真软件中创建闭式液压传动系统的仿真模型如图2 所示。

图2 闭式液压传动系统仿真模型Fig. 2 Closed hydraulic drive system simulation model

3.2 系统仿真运行参数分析

在AMESim 中分别对闭式传动系统在不同工况下的设计参数进行仿真运算，得到液压系统仿真回路中主要元件：传动系统中左前轮液压马达、右后轮马达在重载行驶工作特性曲线如图3、图4 和图5 所示。

图3 马达（19、28）正常工作流量特性曲线Fig. 3 Characteristic curve of normal working flow of motor （19，28）

图4 马达（19、28）正常工作传输扭矩曲线Fig. 4 Transmission torque curve of motor （19，28）working normally

图5 马达（19、28）正常工作压力特性曲线Fig. 5 Characteristic curve of normal working pressure of motor （19，28）

液压传动系统在重载工作时，车辆分为4 个状态：0～18 s 快速启动到正常行驶，19～22 s 换向，23～38 s反向行驶，39～40 s 减速停止。根据工作特性曲线与各图形之间的联系对比分析可得出结论。

（1）闭式液压传动系统在工作快速启动前1～3 s的工作流量、工作压力、传输力矩都是一个斜率缓慢上升的过程。满足液压系统的特性，补油泵每次补油量为整个系统油量的1/4～1/3。

（2）闭式液压系统通过控制闭式泵角度（正—负）改变液压系统的油液传动方向。根据调节角度的大小实现改变流量大小，对此可以简便实现无冲击的换向与无级变速的功能。

（3）闭式液压系统在稳定行驶时的工作压力为13.5 MPa，换向时峰值压力15.5 MPa，设计参数中的系统额定压力21 MPa，满足设计要求。同时在换向期间出现传输扭矩的跳动，而非出现振荡现象，进一步验证系统可以实现无冲击换向的可行性，同时传输扭矩峰值为100 N·m，小于马达额定转矩449 N·m，马达满足选型要求。

在AMESim 中设定参数对传动系统中19 号左前轮液压马达空悬时，27 号加载溢流阀工作。28 号右后轮马达行驶的特性曲线如图6、图7 和图8 所示。

图6 加载溢流阀工作马达（28）流量曲线Fig. 6 Forking flow curve of motor （28） loading relief valve

图7 加载溢流阀工作马达（28）传输扭矩Fig. 7 Curve of transmission torque of motor （28） loading relief valve

图8 加载溢流阀工作马达（28）压力曲线Fig. 8 Pressure characteristic curve of motor （28） loading relief valve

根据仿真曲线图形与实际使用情况相结合，将机械运动状态分为0～20 s 快速启动到正常行驶，21～22 s时19 号左前轮液压马达空悬时27 号加载溢流阀工作，23～25 s 加载溢流阀持续，26～40 s 时19 号左前轮液压马达与28 号右后轮马达正常工作。

根据图6、图7 和图8 工作特性曲线与图3、图4和图5 工作特性曲线之间的联系对比分析可得出结论。

（1）19 号左前轮液压马达悬空时，27 号加载溢流阀工作时，28 马达的工作流量、工作压力、传输力矩相对于正常行驶出现大的波动，流量39.5 L/min 突变至82 L/min，扭 矩 变 化 为80 N·m—55 N·m—105 N·m，压力变化为14 MPa—12 MPa—18 MPa。原因是由于19 号左前轮液压马达空悬系统的压力下降导致传输扭矩减小，27 号加载溢流阀工作时，对系统进行压力加强，使系统能够给马达提供更快的转速、更高的工作压力、传输出更大的扭矩，使机器有更强的动力从困境中行驶出。

（2）综合图3～图8，车辆在各种工况中运行，闭式液压传动系统可以实现无冲击换向与无级变速。同时马达的扭矩满足选型要求，系统工作压力满足设计要求。

4 闭式液压系统验证试验

根据闭式液压传动系统原理，以新疆博尔塔拉蒙古自治州兴旺科技有限责任公司研制的四驱高地隙喷雾机为试验平台，进行田间验证试验。田间验证试验机具如图9 所示，田间验证试验参数和试验结果如表4 和表5 所示。

表4 田间验证试验参数Tab. 4 Field validation test parameters

表5 田间试验数据Tab. 5 Field experiment data

图9 田间验证试验Fig. 9 Field test

（1）高地隙轮式喷雾机重载时工作总质量7 500 kg，正常爬坡能力为15°时，串联双60 闭式泵工作转速为1 500 r/min，正常行驶速度为5.1 km/h。系统实际工作压力为12.5 MPa，换向时峰值为14.65 MPa（非坡度状态，空载行走速度为8.13 km/h，系统压力为5.4 MPa），无换向冲击可以实现无级变速。

（2）高地隙轮式喷雾机重载进入坑洼路面进行一轮悬空行驶加载溢流阀工作的试验。试验结果表明，高地隙轮式喷雾机重载时可以通过高低差为25～30 cm的路面，系统中最大峰值压力为17.8 MPa＜27 MPa。

综合上述结果，此闭式液压传动系统的设计能够满足高地隙轮式喷雾机实际工况的使用要求。

5 结论

（1）设计过程中对实际的工作工况进行认真分析，并将其转换为设计参数。以参数为目标结合设计方案，运用计算机辅助设计软件，进行详细的论证试验。将复杂的液压传动控制系统的关系，简明地展现给需求者与设计者。同时将各液压元器件之间的相互运动关系、几何参数关系，通过仿真图形直观显示，从而可以及时获得工作过程中出现不符合正常运转规律的运动曲线。及时有效地进行数据调整，将问题解决于设计阶段，为产品的定型生产提供坚实基础，可有效缩短产品的研发周期，提高产品的质量与稳定性，使企业具备加快抢占市场的能力。

（2）计算机辅助软件AMESim 所进行的仿真试验是基于理想作业，对此仿真的结果存在一定的局限性。其结论不可以直接用于现有的机械产品，必须要制造样机进行实际工作环境的验证，并将验证结果与仿真结果进行综合分析，才能够发现不足，不断改进，逐渐完善产品。闭式液压传动系统的设计可以应用到高地隙轮式喷雾机中，为我国的农业机械智能化事业贡献一份力量。