李長偉

（常州漢森機械股份有限公司，江蘇常州 213000）

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避障割草機是一種適用于果園、帶護欄公路等含有障礙物區(qū)域的割草作業(yè)機器。該機器通過機械或液壓方式控制割草頭偏轉(zhuǎn)或平移來實現(xiàn)避讓障礙物的功能。但市面上的避障割草機存在以下幾個問題：①機械避讓的割草機是通過讓障礙物來擠推割草頭來實現(xiàn)避讓的，這種避讓方式在果園進行作業(yè)時容易造成果樹的損傷；②部分液壓控制的避障割草機其避讓速度無法與機具的行進速度匹配，導致割草頭容易磕碰障礙物，對障礙物或機器造成損傷。

本項目針對這樣的問題開發(fā)了一種新的避障割草機，該項目屬于掛接式屬具，通過拖拉機或其他移動設備（以下統(tǒng)稱為移動設備）的掛接并且為該避障割草機提供動力來帶動其工作。該項目采用液壓控制割草頭避讓，通過對液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，增加了該項目的適用范圍，并且簡化系統(tǒng)、提升產(chǎn)品的可靠性，同時也解決了避讓速度與行駛速度的匹配問題（圖1）。

圖1 避障割草機基本結構

1 設計要求

該項目采用移動設備的液壓輸出作為動力，動作元件包括液壓馬達和偏轉(zhuǎn)油缸。由于各種移動設備的液壓輸出流量不一致，所以要求能夠恒定進入系統(tǒng)的流量，以保證所有動作元件始終保持在設計要求的速度下工作；液壓輸出的進油和回油方向會由于人為的誤操作而出現(xiàn)反向的情況，因此該系統(tǒng)需要對這一情況起到保護作用，防止由于機手誤操作而導致系統(tǒng)元件損壞；液壓馬達通過皮帶來驅(qū)動四個割草刀盤工作，要求在工作時刻保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；偏轉(zhuǎn)油缸用來控制割草頭偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)避讓動作，要求響應及時，動作連貫無卡頓；同時對應不同的作業(yè)時速，也要求割草頭偏轉(zhuǎn)的速度可以和作業(yè)時速相匹配，降低操作手操縱難度。

2 系統(tǒng)方案設計

該系統(tǒng)采用移動設備上的一組液壓輸出作為動力輸入，在輸入端采用調(diào)速閥來保證進入系統(tǒng)內(nèi)部的流量控制在設計流量范圍內(nèi)，同時系統(tǒng)入口的單向閥可以防止機手誤操作而導致液壓油從系統(tǒng)回油口進入，對系統(tǒng)和液壓元件造成損壞。液壓馬達和偏轉(zhuǎn)回路采用串聯(lián)連接，優(yōu)先保證液壓馬達的供油，偏轉(zhuǎn)回路的換向閥采用兩位換向閥，在不操縱換向閥時，液壓油通過換向閥進入偏轉(zhuǎn)油缸大腔，使得割草頭始終保持在正常工作狀態(tài)，當障礙物觸發(fā)換向閥換向時，液壓油通過換向閥進入偏轉(zhuǎn)油缸的小腔，油缸縮短，從而帶動連接在油缸一端的割草頭進行回轉(zhuǎn)避讓。為了實現(xiàn)避讓速度與行駛速度的匹配，在偏轉(zhuǎn)回路中增加調(diào)速閥，通過調(diào)節(jié)進入偏轉(zhuǎn)油缸的流量來得到合適的避讓速度。當偏轉(zhuǎn)油缸動作結束后，液壓油會通過換向閥內(nèi)部的溢流閥流出經(jīng)散熱器回到移動設備中（圖2）。

圖2 液壓原理圖

3 設計計算

3.1 設計計算輸入

避障割草機工作時速2 km/h，割草刀盤切割轉(zhuǎn)速3500 rpm，共有4個割草刀盤，每個刀盤工作直徑D=35 cm，每個刀盤的切割阻力f≈2 kg，馬達至刀盤的傳動比1：2。通過結構設計得到油缸行程S=280 mm，要求偏轉(zhuǎn)油缸伸長時間在≤2.5 s，縮回時間，割草頭部分重量70 kg，偏轉(zhuǎn)結構采用軸承連接，偏轉(zhuǎn)阻力矩很小，可忽略不計。該項目適配20～50 Hp移動設備，移動設備的液壓輸出壓力在17 MPa左右，流量25～35 L/min，這里取最小流量Q=25 L/min作為該項目系統(tǒng)的額定流量。

3.2 計算過程

3.2.1 馬達參數(shù)設計計算

3.2.2 油缸計算

考慮割草頭在地上拖行時偏轉(zhuǎn)油缸需要有足夠的推力將割草頭固定在工作位置，通過結構計算油缸大腔的作用力F≥4000 N，這里取4000 N。由于割草頭重量較輕，割草頭避讓時所需的油缸作用力很小，忽略不計。通過對油缸結構穩(wěn)定性分析，這里取油缸缸徑D=40 mm，桿徑d=25 mm。

油缸工作所需的壓力：

再考慮油缸所需的啟動壓力≤0.5 Mpa，綜合考慮油缸所需的工作壓力≥3.68 MPa。

油缸大腔（油缸伸出）所需流量：

油缸小腔（油缸縮回）所需流量：

綜上，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的流量需求取9 L/min，則偏轉(zhuǎn)回路中的調(diào)速閥調(diào)定流量9 L/min。

3.3 驗算系統(tǒng)性能

3.3.1 驗算系統(tǒng)壓力損失

由于系統(tǒng)管路較短、彎頭較少，所以管路的沿程壓力損失和局部壓力損失忽略不計。

額定流量下有關閥的局部壓力損失：調(diào)速閥0.7 MPa，換向閥0.3 MPa

3.3.2 驗算系統(tǒng)溫升

1）系統(tǒng)的發(fā)熱功率。該系統(tǒng)的執(zhí)行元件包括液壓馬達和換向閥以及溢流閥，其中馬達效率取均值85%，移動設備液壓輸出最大壓力17 MPa，除去系統(tǒng)損失1.104 MPa，油缸動作所需3.68 MPa，馬達最大工作壓差12.216 MPa，馬達工作流量Q=25 L/min。

2）冷卻能力驗算。由于系統(tǒng)沒有油箱，需要配備散熱器，現(xiàn)選擇型號AH0607T散熱器，散熱面積1 m2，散熱功率1.05 kW。

該散熱器滿足要求。

4 液壓元件選擇

通過上述計算分析，各液壓元件技術參數(shù)見表1。

表1 各液壓元件技術參數(shù)

5 結語

本系統(tǒng)通過從移動設備上直接取液壓動力，省去了液壓泵及油箱部分，簡化了系統(tǒng)結構，進口端的單向閥可以保證系統(tǒng)工作安全，調(diào)速閥則能讓系統(tǒng)內(nèi)的工作元件始終在設計的速度下工作。采用串聯(lián)方式同時控制馬達以及偏轉(zhuǎn)油缸工作，在保證馬達平穩(wěn)工作的情況下，也能為偏轉(zhuǎn)回路提供穩(wěn)定的液壓動力。再通過調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)回路中的調(diào)速閥，讓偏轉(zhuǎn)油缸的動作和割草機的工作時速相匹配，提升整機工作的流暢性。在系統(tǒng)末端的增加散熱器，可以將系統(tǒng)溫度始終控制在許可的工作溫度下，為整機長時間工作提供了保障。