鄒 凡， 肖茂華， 傅秀清， 宋緒成

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031)

水稻是中國(guó)主要糧食作物，種植地區(qū)大多位于南方。在南方稻區(qū)，水田作業(yè)狀況復(fù)雜，缺乏有針對(duì)性的大中型植保機(jī)械，水稻植保機(jī)械化水平一直較低[1]。因此，研制基于南方水田狀況的噴桿噴霧機(jī)具有重要意義。

靜液壓無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)(Hydrostatic static transmission, HST)因體積小、重量輕、操作方便而被歐美國(guó)家、韓國(guó)、日本等廣泛地用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中[2-3]。以往中國(guó)HST技術(shù)主要應(yīng)用在收割機(jī)與拖拉機(jī)上[4-5]。應(yīng)用HST技術(shù)的噴霧機(jī)具有在南方水田作業(yè)不易陷落的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，近幾年成為研究熱點(diǎn)。例如張磊江[6]對(duì)基于HST技術(shù)的噴霧機(jī)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)和研究。但中國(guó)噴霧機(jī)液壓系統(tǒng)大多為進(jìn)口產(chǎn)品，這極大地制約了國(guó)產(chǎn)噴霧機(jī)機(jī)械化水平的提高[7]。

與傳統(tǒng)的機(jī)械式傳動(dòng)相比，基于HST液壓全驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式具有整機(jī)重量輕、傳動(dòng)性能穩(wěn)定、便于保養(yǎng)維修等優(yōu)點(diǎn)[8]。采用HST傳動(dòng)方式可以大大降低噴霧機(jī)自身質(zhì)量，提高噴霧機(jī)在水田行走時(shí)的性能[9]。因此，本研究擬設(shè)計(jì)一種基于HST技術(shù)的質(zhì)量小、傳動(dòng)性能穩(wěn)定的傳動(dòng)方案，并通過(guò)AMEsim軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

1 整機(jī)的布置方案與技術(shù)要求

1.1 整機(jī)的布置方案

采用重心較穩(wěn)定的藥箱中置式整機(jī)布置方案(圖1)。液壓中置的布置方案可以使噴霧機(jī)在路況復(fù)雜多變的水田中運(yùn)行平穩(wěn)，有效地降低側(cè)翻等事故的風(fēng)險(xiǎn)[10]。

1：驅(qū)動(dòng)液壓泵；2：柴油箱；3：液壓油油箱；4：柴油機(jī)；5：藥箱架；6：施藥液壓泵；7：座椅。圖1 噴霧機(jī)整機(jī)布置方案圖Fig.1 Layout scheme of sprayer

1.2 技術(shù)要求

根據(jù)南方水田特點(diǎn)[11]以及噴霧機(jī)的實(shí)際工作性能需求，參考傳統(tǒng)噴桿噴霧機(jī)設(shè)計(jì)方案，確定噴霧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：整機(jī)質(zhì)量900 kg，工作壓力0.4～1.0 MPa，最大噴幅12 m，離地間隙1 100 mm，理論作業(yè)速度1～5 km/h，藥桶容量500 L，最大爬坡度20°。

2 噴霧機(jī)液壓行駛系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)的負(fù)載分析

作為一種輪式移動(dòng)機(jī)械，噴霧機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以分為4個(gè)主要類(lèi)型：爬坡、啟動(dòng)加速、穩(wěn)定運(yùn)行和減速停止。對(duì)各個(gè)階段進(jìn)行分析，推導(dǎo)出馬達(dá)總負(fù)載(Mt)公式：爬坡時(shí)，Mt=M+Mf+Ma；啟動(dòng)加速時(shí)，Mt=M+Mf+Ma；穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，Mt=M+Mf；減速停止時(shí)，Mt=M+Mf-Ma。上述公式中Mt為馬達(dá)克服的總負(fù)載(N·m)，M為工作載荷力矩(N·m)，Mf為轉(zhuǎn)動(dòng)部分對(duì)馬達(dá)軸徑的力矩(N·m)，Ma為車(chē)輪和馬達(dá)內(nèi)液壓在啟動(dòng)和停止時(shí)的慣性力矩(N·m)。則行駛過(guò)程中最大牽引力約為：Ft=G·sinα+G·f·cosα，式中G為為噴霧機(jī)重力，α為最大坡度，f為地面摩擦系數(shù)。最大扭矩為：Mz=Ft·R/ηx，式中ηx為噴霧機(jī)的機(jī)械效率，R為車(chē)輪半徑。

根據(jù)計(jì)算所得的負(fù)載值與馬達(dá)體積選擇液壓系統(tǒng)的工作壓力，以及考慮經(jīng)濟(jì)因數(shù)和現(xiàn)有液壓元件的規(guī)格[12]，最大牽引力計(jì)算結(jié)果為5 718.34 N，初選工作壓力為19 MPa。

2.2 液壓行駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

采用閉式液壓回路。相比于開(kāi)式系統(tǒng)，閉式系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需單獨(dú)設(shè)計(jì)散熱裝置，但油箱體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，油液不易被污染且工作性能穩(wěn)定。液壓系統(tǒng)采用雙聯(lián)泵，主泵為斜盤(pán)式軸向柱塞變量泵，輔泵為單向定量液壓泵，同時(shí)與4個(gè)變量馬達(dá)組成閉合回路。變速裝置為手動(dòng)伺服閥。液壓行駛系統(tǒng)的整體方案見(jiàn)圖2。

一般農(nóng)業(yè)四輪全驅(qū)動(dòng)機(jī)械的功率質(zhì)量比范圍為 0.45～0.70 kw/kg[13]，本研究選用常柴3M78柴油機(jī)。此柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、節(jié)能節(jié)材，由于采用了低排放設(shè)計(jì)技術(shù)和隧道式結(jié)構(gòu)，排放少、污染低，振動(dòng)小、噪聲低。

本系統(tǒng)的輔泵內(nèi)液壓油通過(guò)優(yōu)先閥補(bǔ)油、轉(zhuǎn)向與伺服控制回路供油，即液壓油過(guò)進(jìn)油口進(jìn)入優(yōu)先閥體，然后由出油口EF進(jìn)入補(bǔ)油回路。當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)，優(yōu)先閥優(yōu)先將液壓油由DF口供給轉(zhuǎn)向回路，且轉(zhuǎn)向回路的液壓油最后直接流入補(bǔ)油回路中，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)油功能。當(dāng)需要變速時(shí)，輔泵供壓力油至手動(dòng)伺服閥，然后進(jìn)入柱塞泵的伺服液壓缸操縱斜盤(pán)擺動(dòng)，調(diào)節(jié)泵或馬達(dá)的排量，從而達(dá)到噴霧機(jī)以不同速度行駛的要求。

1：冷卻回路；2：補(bǔ)油回路；3：手動(dòng)伺服閥；4：優(yōu)先閥；5：轉(zhuǎn)向回路；6：容積調(diào)速回路。圖2 液壓系統(tǒng)的總體原理圖Fig.2 Schematic of hydraulic system

由于泵和馬達(dá)上集成了各種閥，液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。又由于采用了閉式回路，因而油箱體積較小，油箱的全封閉可減少污染。變量泵和變量馬達(dá)調(diào)節(jié)方便，僅由一根操縱桿即可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退及無(wú)級(jí)變速，泵與馬達(dá)組成的閉式回路系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)雙向可逆?zhèn)鲃?dòng)。容積調(diào)速回路中液壓馬達(dá)采用并聯(lián)回路，用分流閥實(shí)現(xiàn)前輪兩個(gè)液壓馬達(dá)同步運(yùn)行。噴霧機(jī)在水田行駛時(shí)，因道路泥濘異常需要采用四輪驅(qū)動(dòng)以增加牽引力，回路中變量泵通過(guò)常開(kāi)閥，供油給后輪兩個(gè)馬達(dá)，并通過(guò)調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)與前輪同步驅(qū)動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)打滑、陷落等狀況時(shí)，可通過(guò)關(guān)閉常開(kāi)閥，停止給后輪供油，從而鎖住后輪，提高噴霧機(jī)的通過(guò)性能。

3 噴霧機(jī)液壓系統(tǒng)的AMESim建模仿真與驗(yàn)證

3.1 建立仿真模型

基于以上設(shè)計(jì)和分析，在AMEsim軟件中搭建了噴霧機(jī)液壓傳動(dòng)的仿真模型(圖3)。主要仿真參數(shù)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 600 r/min，液壓主泵的排量21.8 ml/r，補(bǔ)油泵排量4.1 ml/r，馬達(dá)排量380 ml/r，馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速800 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量35.34 kg·m2，負(fù)載轉(zhuǎn)矩739.44 N·m，安全閥臨界壓力25 MPa。

圖3 噴霧機(jī)液壓傳動(dòng)仿真模型Fig.3 Simulation model of hydraulic transmission of sprayer

由于液壓庫(kù)中沒(méi)有雙聯(lián)泵模型，本研究將主泵和輔泵分開(kāi)，分別連接至發(fā)動(dòng)機(jī)。信號(hào)源A發(fā)出常量信號(hào)，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出，然后由分別連至兩泵的轉(zhuǎn)速輸入端；用負(fù)載旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模型B等效替代車(chē)輪，設(shè)置等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、滑動(dòng)摩擦與靜摩擦等；用信號(hào)源C等效替代手動(dòng)伺服閥，控制變量泵或馬達(dá)的排量，控制噴霧機(jī)的行走速度[14]。

3.2 仿真分析

3.2.1 HST性能測(cè)試仿真 賦予各個(gè)元件首選子模型，輸入仿真參數(shù)。設(shè)置仿真時(shí)間為15 s，仿真間隔為0.01 s[15]。仿真完成后，得到雙向液壓主泵與輔泵的流量、液壓馬達(dá)流量和壓力、負(fù)載的轉(zhuǎn)速與扭矩曲線(圖4、圖5、圖6)。由圖4可知，液壓主泵的穩(wěn)定輸出流量為78.8 L/min，略大于設(shè)計(jì)最大輸出流量，但考慮到在建模仿真時(shí)，忽略了液壓泵等存在液壓油泄漏的情況，仿真結(jié)果滿足使用條件。由圖5、圖6可以看出，馬達(dá)的穩(wěn)定輸出流量與壓力的大小也在正常運(yùn)行范圍之內(nèi)，負(fù)載穩(wěn)定轉(zhuǎn)速大于30.8 r/min以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于739.4 N·m，符合設(shè)計(jì)要求。仿真結(jié)果表明滿足所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速要求。

圖4 雙向液壓主泵與輔泵的流量Fig.4 Flow rate of two-way hydraulic main pump and auxiliary pump

圖5 馬達(dá)流量與壓力曲線Fig.5 Motor flow and pressure curve

圖6 負(fù)載的轉(zhuǎn)速與扭矩曲線Fig.6 Speed and torque curve of load

3.2.2 調(diào)速分析 本系統(tǒng)通過(guò)手動(dòng)伺服閥改變泵的斜盤(pán)傾斜角度，從而改變液壓泵的排量，以達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。由于AMESim液壓庫(kù)中沒(méi)有手動(dòng)伺服閥模型，故采用信號(hào)源C輸出變量泵的控制參數(shù)改變主泵的排量。主泵輸入的控制參數(shù)見(jiàn)表1。

表1變量泵控制參數(shù)

Table1Controlparametersofvariablepump

初值終值運(yùn)行時(shí)間階段0+15加速起步+1+110正向勻速+1-110由正向到反向-1-110反向勻速-1+110由反向到正向

設(shè)置仿真時(shí)間為60 s，仿真間隔為0.01 s。點(diǎn)擊開(kāi)始，仿真完成后，得到主泵變量系數(shù)、液壓馬達(dá)和流量、負(fù)載轉(zhuǎn)速、負(fù)載扭矩等曲線(圖7、圖8、圖9、圖10)。由圖8可知，馬達(dá)的流量與壓力在變速的各個(gè)階段基本穩(wěn)定，且與速度的變化趨勢(shì)相吻合，在排量接近于0時(shí)，馬達(dá)流量與轉(zhuǎn)速在某一階段內(nèi)恒為0，這也與馬達(dá)具有臨界轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)相吻合。對(duì)比圖7與圖9、圖10可知，負(fù)載轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的變化與以改變主泵排量而實(shí)現(xiàn)的速度變化而相吻合，且變化相對(duì)平穩(wěn)。仿真結(jié)果表明本液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的變速性能相對(duì)穩(wěn)定，且能適應(yīng)噴霧機(jī)的變速要求。

圖7 主泵變量系數(shù)曲線Fig.7 Variable coefficient curve of the main pump

圖8 馬達(dá)流量與壓力曲線Fig.8 Motor flow and pressure curve

圖9 負(fù)載轉(zhuǎn)速曲線Fig.9 Curve of the load speed

圖10 負(fù)載扭矩曲線Fig.10 Curve of the load torque

4 結(jié) 論

(1)運(yùn)用HST全液壓傳動(dòng)的原理設(shè)計(jì)出了適用于南方水田噴桿式噴霧機(jī)的液壓系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向、調(diào)速、冷卻等功能。

(2)在AMEsim軟件中搭建模型并進(jìn)行分析，性能試驗(yàn)和調(diào)速分析結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的液壓方案準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

(3)本研究將有利于水田噴霧機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化，降低整機(jī)質(zhì)量，對(duì)南方水田農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)和HST技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用具有參考價(jià)值。

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