戚順平 梁松千 唐玉芝

（南通愛(ài)慕希機(jī)械股份有限公司，南通 226000）

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研、技術(shù)引進(jìn)等方式，本公司自主研發(fā)了一種可用于農(nóng)業(yè)機(jī)械插秧機(jī)的靜液壓傳動(dòng)裝置，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)空白[1]。靜液壓傳動(dòng)裝置是無(wú)級(jí)變速器設(shè)備的關(guān)鍵部件。針對(duì)靜液壓傳動(dòng)裝置的布局緊湊、可雙向調(diào)節(jié)、耐中高壓等性能需求以及較惡劣的使用環(huán)境，本研究的主要內(nèi)容包括：液壓傳動(dòng)裝置及殼體的設(shè)計(jì)、封閉液壓回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及軸向柱塞泵設(shè)計(jì)。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析與實(shí)現(xiàn)

1.1 靜液壓傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

靜液壓傳動(dòng)裝置是由一個(gè)變量柱塞泵和一個(gè)定量柱塞馬達(dá)組成的閉式回路。變量泵的斜盤(pán)角度受與之相連的軸控制器直接控制，斜盤(pán)擺過(guò)0°時(shí)，泵出口液壓油流向改變進(jìn)而改變與之相連的馬達(dá)輸出軸旋向。

該裝置工作的液壓油來(lái)自外部油箱，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器后液壓油通過(guò)補(bǔ)油泵進(jìn)入泵-馬達(dá)閉式工作回路。補(bǔ)油回路中過(guò)量的液壓油經(jīng)過(guò)補(bǔ)油溢流閥回油箱。

當(dāng)斜盤(pán)傾角由正值變?yōu)樨?fù)值或者由負(fù)值變?yōu)檎禃r(shí)，泵的流量方向發(fā)生改變。當(dāng)馬達(dá)卸荷時(shí)，斜盤(pán)角回到0°的位置，這時(shí)泵不再為馬達(dá)提供液壓油，馬達(dá)將要停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)斜盤(pán)傾角處于正向15°或負(fù)向15°時(shí)，泵的出油壓力最高，當(dāng)其峰值超過(guò)標(biāo)定最高值時(shí)，雙向溢流閥在峰值壓力的作用下自動(dòng)開(kāi)啟泄壓，保持進(jìn)入油馬達(dá)正反轉(zhuǎn)時(shí)的壓力油壓穩(wěn)定在標(biāo)定值的范圍內(nèi)，雙向溢流閥溢出的液壓油回流油箱。具體如圖1所示。

1.2 靜液壓傳動(dòng)裝置殼體的設(shè)計(jì)

在工程機(jī)械領(lǐng)域，需求的驅(qū)動(dòng)裝置往往具有體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定等指標(biāo)，而靜液壓傳動(dòng)裝置具有上述特性[2]。本研究就需要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理的整體式靜液壓傳動(dòng)裝置，可使用于諸如割草機(jī)、叉車(chē)、插秧機(jī)等設(shè)備。其中裝置的殼體設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1.2.1 靜液壓傳動(dòng)裝置殼體設(shè)計(jì)

根據(jù)靜液壓傳動(dòng)裝置的原理圖，本研究需設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊的靜液壓傳動(dòng)裝置。為此，人們將柱塞泵和柱塞馬達(dá)平行放置在殼體內(nèi)，將單向補(bǔ)油閥、雙向溢流閥等放置在端蓋內(nèi)，將柱塞泵和柱塞馬達(dá)的缸體、配流盤(pán)等部件平行放置在殼體內(nèi)部。

圖1 系統(tǒng)原理

通過(guò)比較研究，人們將殼體的形狀設(shè)計(jì)為矩形，殼體材料使用壓鑄鋁合金；在殼體內(nèi)部，先確定缸體、柱塞、滑靴和斜盤(pán)等的相互位置，再確定泵、馬達(dá)主軸以及斜盤(pán)的支撐位置；斜盤(pán)操作曲軸設(shè)計(jì)在殼體外部，殼體外部設(shè)有散熱片。整體布置既顧及了各零件的壓鑄工藝性又可方便地操作各連接件，外形合理、美觀。殼體內(nèi)部裝配如圖2所示。

圖2 殼體剖面及內(nèi)部裝配體實(shí)物圖

1.2.2 集成式液壓回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在確定了缸體、配流盤(pán)及主流通道位置后，就需要設(shè)計(jì)端蓋部分。與一般的敞開(kāi)式系統(tǒng)不同，在殼體的端蓋設(shè)計(jì)中，人們采用了封閉式液壓回路。作為輸入元件的主液壓泵油口通過(guò)殼體封閉式油路與作為執(zhí)行元件的定量液壓馬達(dá)的進(jìn)出油口相連，由此構(gòu)成一個(gè)對(duì)稱(chēng)的封閉油路。

該油路可實(shí)現(xiàn)如下功能：根據(jù)閉式液壓回路變量泵具有的調(diào)節(jié)流量和改變流向的雙重功能，可實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)輸出軸轉(zhuǎn)速在-3000～+3000r/min范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換與調(diào)速；通過(guò)端蓋對(duì)稱(chēng)閉式液壓回路的設(shè)計(jì)，在輸出正轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)的同時(shí)還能吸收負(fù)轉(zhuǎn)矩能量，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力制動(dòng)；主回路中工作介質(zhì)始終在等于或高于補(bǔ)油壓力的正壓狀態(tài)下運(yùn)行。補(bǔ)油系統(tǒng)既可以作為主回路的專(zhuān)職壓力控制系統(tǒng)，也可以為其他液壓系統(tǒng)提供控制壓力油。

對(duì)于完全封閉的回路系統(tǒng)，為了避免設(shè)計(jì)一套比較復(fù)雜的附加沖洗系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)此封閉式殼體液壓回路時(shí)，人們采用了在端蓋表面設(shè)有油孔的結(jié)構(gòu)。這樣在獲得封閉式液壓回路特性的同時(shí)又避免了腔體積油。端蓋結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 集成式半閉式液壓回路的端蓋設(shè)計(jì)

1.3 基于單向閥的封閉液壓回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軸向柱塞泵的配流方式采用單向閥，該方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、能夠承受高壓的特點(diǎn)，承受壓力通常可達(dá)30～40MPa，甚至可達(dá)到70MPa，是各類(lèi)泵中工作壓力最高的一種[3]。但該配流方式在實(shí)際使用過(guò)程中，經(jīng)常存在吸油不足和機(jī)械噪聲大等問(wèn)題。為此，人們通過(guò)合理地設(shè)計(jì)單向閥的彈簧剛度、彈簧預(yù)緊力、閥口通徑及柱塞行程等參數(shù)關(guān)系，獲得了單向閥的最佳工作性能。

蓋板內(nèi)組成的封閉液壓循環(huán)油路如圖4所示，其中1、2均為單向閥，3～6為腰型油道。當(dāng)變量泵柱塞腔中高壓油從配油板出油槽進(jìn)入腰型油道4時(shí)，則4-3為高壓油道，高壓油經(jīng)3處通過(guò)配油板進(jìn)油槽進(jìn)入馬達(dá)柱塞腔內(nèi)，推動(dòng)柱塞產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，使馬達(dá)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)馬達(dá)主軸，向外輸出扭矩，從而實(shí)現(xiàn)液壓能轉(zhuǎn)變成馬達(dá)主軸的機(jī)械能。當(dāng)該柱塞隨同馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)達(dá)180°時(shí)，馬達(dá)柱塞腔口進(jìn)入配油盤(pán)泄油口和腰型油道口5相通，配油盤(pán)眉毛槽（配油槽）已將柱塞腔口和高壓油槽關(guān)閉，馬達(dá)柱塞在斜板的作用下把腔內(nèi)液壓油推向低壓腰型油道5，等再轉(zhuǎn)180°時(shí)，該柱塞又將油壓入高壓油道，開(kāi)始了另一次循環(huán)。

在該設(shè)計(jì)中，配油盤(pán)的眉毛槽設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，即眉毛槽要合理確定其開(kāi)啟、關(guān)閉的時(shí)間以及開(kāi)啟與關(guān)閉之間的時(shí)間間隔。為此，人們根據(jù)配流原理，建立了眉毛槽的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模擬試驗(yàn)，獲得了合理的眉毛槽形狀，并通過(guò)截面積等配流參數(shù)，獲得了高效率且降低了配流過(guò)程中的震蕩和噪聲。

1.4 基于彈簧復(fù)位的軸向柱塞桿設(shè)計(jì)

在容積式液壓泵中，只有柱塞式液壓泵能夠較理想地實(shí)現(xiàn)高壓化。因此，在中高壓液壓系統(tǒng)中，動(dòng)力裝置經(jīng)常使用柱塞泵[4]。就斜盤(pán)式軸向柱塞泵而言，目前滑靴接觸式、缸體旋轉(zhuǎn)式應(yīng)用最多，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于零件的制造精度要求高，尤其是柱塞副、滑靴副、配流副三對(duì)摩擦副中的零件，導(dǎo)致了柱塞泵的制造成本很高。

在本研究中，人們采用了彈簧復(fù)位柱塞泵，其工作原理如圖5所示。圖中，殼體與柱塞桿構(gòu)成一個(gè)密封容積，當(dāng)柱塞桿所在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到接觸進(jìn)油口A時(shí)，在液壓回路的壓力下充滿(mǎn)柱塞缸4，柱塞缸4底部與斜盤(pán)5接觸面在液壓的作用下接觸產(chǎn)生滑動(dòng)，帶動(dòng)柱塞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；當(dāng)柱塞位于殼體3的出油口B位置時(shí)，由于受到斜盤(pán)5的擠壓，柱塞缸內(nèi)的液體通過(guò)出油口B將回流到液壓回路中。

圖4 單向閥的封閉液壓回路補(bǔ)油系統(tǒng)原理

圖5 彈簧復(fù)位柱塞桿示意圖

在柱塞桿內(nèi)部添加復(fù)位彈簧后，與其他柱塞泵相比，彈簧復(fù)位柱塞桿具有如下特征：在柱塞泵壓油時(shí)，大大簡(jiǎn)化了滑靴、滑履的結(jié)構(gòu)；簡(jiǎn)化了柱塞的受力狀態(tài)；減小了內(nèi)泄漏，同時(shí)該類(lèi)柱塞泵只對(duì)柱塞副的材料及加工精度有較高要求，降低了加工成本。

2 性能測(cè)試

根據(jù)以上研究，人們制造了靜液壓傳動(dòng)裝置樣機(jī)并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試。在不同輸入轉(zhuǎn)速下，測(cè)試了輸出轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率與油壓的關(guān)系。在不同油壓值條件下，測(cè)試了輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

圖6 不同輸入轉(zhuǎn)速下，輸出轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率與油壓的關(guān)系圖

圖7 不同液壓，輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率與轉(zhuǎn)速間的關(guān)系

2.1 總效率的測(cè)試（最大排量下輸出、輸入功率比）

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著油壓的增加，實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速呈線性下降趨勢(shì)，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，下降率不斷提高。同時(shí)，實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩、實(shí)際輸出功率呈線性上升趨勢(shì)。

2.2 不同油壓值，輸出參數(shù)與輸入轉(zhuǎn)速間的關(guān)系

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油壓小于5.6MPa時(shí)，靜液壓傳動(dòng)裝置的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)油壓大于5.6MPa時(shí)，隨著輸入轉(zhuǎn)速的提高，傳動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩基本穩(wěn)定，實(shí)際輸出功率呈上升狀態(tài)。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，靜液壓傳動(dòng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)總效率達(dá)到79%，容積效率達(dá)到95%；在額定壓力和額定轉(zhuǎn)速下，靜液壓傳動(dòng)裝置最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為150r/min。在額定工況下，進(jìn)口油溫為90～100℃時(shí)，正反向各正常運(yùn)轉(zhuǎn)30min后各密封部位不滲油；動(dòng)密封部位4h內(nèi)不滴油。

3 結(jié)論

本研究開(kāi)發(fā)的靜液壓傳動(dòng)裝置將液壓泵、馬達(dá)、管路及各種閥體集成到一個(gè)殼體里，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、布局靈活、操作使用方便以及高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，適于在大功率、高承載等場(chǎng)合進(jìn)行自動(dòng)化控制。

經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組成員的共同努力，南通愛(ài)慕希機(jī)械股份有限公司于2014年春開(kāi)發(fā)出了高速插秧機(jī)用靜液壓傳動(dòng)裝置。經(jīng)過(guò)各項(xiàng)性能測(cè)試和臺(tái)架耐久試驗(yàn)測(cè)試，其性能基本達(dá)到同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品的水平。2014年6月在南通農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了水田插秧試驗(yàn)，效果良好。在南通富來(lái)威和浙江小精農(nóng)機(jī)進(jìn)行了水田模擬耐久試驗(yàn)160h，效果良好。2014年下半年，結(jié)合各項(xiàng)測(cè)試情況，人們又對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和部件精度進(jìn)行了改進(jìn)，性能獲得進(jìn)一步提升。2015年春，開(kāi)始小批量對(duì)南通富來(lái)威和浙江小精農(nóng)機(jī)進(jìn)行銷(xiāo)售，并開(kāi)始為常州東風(fēng)農(nóng)機(jī)等大型農(nóng)機(jī)企業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高速插秧機(jī)用靜液壓傳動(dòng)裝置，目前已獲得初步成功。