番茄收獲機齒輪泵傳動設計與試驗

郝朝會 楊學軍 周軍平 張志杉

（1.中國農業機械化科學研究院，北京 100083；2.山東新華醫療器械股份有限公司，山東 淄博 255086）

新疆地區得天獨厚的天然和地理條件，適宜于加工型番茄的大面積種植。近些年，在政府和市場的引導下，加工型番茄的種植得到了長足發展。由于種植面積增加和人力采收成本高、采收時間長等限制，使得人工采收已經滿足不了加工型番茄的收獲，而加工型番茄機械化收獲具有采收效率高、時間短、成本低等優勢，得到了新疆市場的認可。

現在新疆地區的加工型番茄收獲機主要以國外進口為主，而中國的番茄收獲機還不能很好地滿足市場的要求，但進口機器適應性不佳、維修成本高、價格昂貴，限制了新疆地區加工型番茄機械化收獲的良性發展，因此加工型番茄收獲機的國內化亟需解決［1－3］。

為滿足新疆地區加工型番茄機械化收獲的國內化需求，筆者所在單位研制的4FZ－2型番茄收獲機，采用全液壓驅動，行走系統為閉式控制柱塞發動機，其余發動機和油缸均為開式系統，其中振動分離發動機、整機油缸、轉向、剎車、換擋等由一組三聯齒輪泵提供油壓，三聯齒輪泵的動力來自柴油發動機風扇端主軸，為雙聯V帶傳動，但由于V帶加工精度差、預緊力以及長時間運動變形等原因，容易打滑失效，并且三聯齒輪泵轉軸容易磨損失效，造成整機可靠性較差。同步帶傳動是通過帶齒和齒輪的嚙合傳動動力和運動的，具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優點。因此，本研究擬在前期研究［4－6］的基礎上，改進三聯齒輪泵傳動裝置為同步帶傳動，并加軸承座過度裝置，以便有效保護三聯泵轉子，旨在解決番茄收獲機齒輪泵傳動過程中傳動失效的問題，提高其傳動的可靠性和穩定性。

1 總體方案設計

4FZ－2型番茄收獲機配備玉柴柴油發動機YC6B160ZT20，基于安裝空間及動力配置考慮，三聯齒輪泵傳動裝置安裝在發動機風扇端主軸，三聯齒輪泵通過螺栓固定在帶導槽的軸承固定座上，轉子通過花鍵聯接到從動輪軸，并裝在軸承上，見圖1。

圖1 三聯齒輪泵方案簡圖Figure 1 The scheme diagram of three－linkage gear pump

三聯齒輪泵在運動過程中，隨著管道內油壓增大，帶輪拉力增大，當管道內油壓達到溢流壓力時，帶輪拉力趨于穩定。同步帶傳動是通過帶和帶輪的嚙合傳遞運動和動力，無相對滑動，能夠保證恒定的傳動比，且傳動效率高，預緊力小。圓弧齒同步帶較梯型齒同步帶嚙合更平穩，降低了震動和噪聲，同時減小了齒根處應力集中，提高了同步帶壽命，而且載荷分布均勻，承載能力大［7］。因此，本試驗傳動機構選用圓弧齒形同步帶傳動。

三聯齒輪泵主要性能參數見表1。

三聯齒輪泵傳動技術要求：

（1）傳動平穩、可靠，震動和噪聲小，不干涉。

（2）便于拆裝，易維護，整機的油缸和發動機正常運轉。

表1 三聯齒輪泵主要性能參數Table 1 Main performance parameters of three－linkage gear pump

2 關鍵零部件設計

2.1 同步帶輪設計

4FZ－2型番茄收獲機配備的柴油發動機額定轉速為2 200r/min，因安裝位置限制，帶輪節徑d≤105mm。為更好地匹配整機性能，初定傳動比i為1∶1。簡化計算，設計功率按式（1）計算：

式中：

Pd——設計功率，kW；

KA——工況系數；

P——額定功率，kW。

查工況系數KA選型表［8］得KA＝1.5；因3個泵不同時工作，根據實際工作情況，選P＝10kW。得：

Pd＝15kW

查《機械設計手冊》［8］中“圓弧齒同步帶選型圖”，滿足發動機和三聯泵參數要求，初定同步帶選型8M或14M。且帶輪節徑d≤105mm，故可選8M40齒或14M23齒，考慮多邊形效應，且8M最小齒數為36齒，14M最小齒數為28齒，故選：8M40齒同步帶輪。

根據實際安裝空間限制，以及張緊方式，初定中心距可調，調節范圍為：240mm≤a0≤270mm。

帶寬bs按式（2）計算：

式中：

bs0——選定型號的基準寬度，mm；

KL——圓弧齒帶長系數；

KZ——小帶輪嚙合齒數系數；

P0——基準額定功率，kW。

查設計計算表［8］可得：bs0＝20mm，KL＝0.9，KZ＝1，P0＝7.15kW。得：

bs≥42.02mm

限于安裝位置狹小，寬度太大會出現干涉，所以8M40齒同步帶輪不可行，則選14M23齒同步帶輪，但14M最小齒數為28齒，23齒的相關參數機械手冊未給出，只能憑經驗設計。帶輪齒數越小，同步輪的多邊效應越明顯，同步帶傳動的穩定性也相對越差，但同步帶最小齒數不是絕對的，只要齒形合理，傳動就能相對平穩。查GB/T 13487—2002《一般傳動用同步帶》中表1可知圓弧齒同步帶單位帶寬抗強度14M是8M的1.33倍，以此推算，同時考慮安裝位置限制等，選14M23齒同步帶輪帶寬bs＝30mm。

綜上，主動同步帶輪和從動同步帶輪選型為：槽型：14M；齒數Z：23齒；帶寬bs：30mm；齒節徑d：102.50mm。

2.2 三聯齒輪泵固定裝置設計

發動機在運轉過程中會產生振動，其自身也會有縱向和橫向振動，如果將三聯齒輪泵固定裝置安裝在發動機支架上，在傳動過程中會對同步帶產生沖擊負荷［9］，從而使同步帶折曲失效，影響整機可靠性。因此，三聯齒輪泵的安裝要固定在發動機機體上，減小因發動機振動而帶來的沖擊負荷。

三聯齒輪泵固定裝置通過4個M12螺栓固定在發動機上，形如懸臂梁結構，帶有導軌，為減小因負載變化而產生的沖擊負荷使固定支架發生振動引起的皮帶折曲失效，設計底板厚度為20mm，同時加筋處理，見圖2。

2.3 三聯齒輪泵軸承座設計

圖2 三聯齒輪泵固定裝置Figure 2 The fixing device of three－linkage gear pump

三聯齒輪泵雙聯V帶傳動中雙聯V帶直接固定在三聯齒輪泵轉軸上，由于V帶壓軸力作用，使得三聯齒輪泵轉軸受到徑向力，長時間運動，轉軸會發生變形，油封失效，最終三聯齒輪泵磨損壞掉，為避免三聯齒輪泵磨損失效，設計了帶導槽的軸承座，使壓軸力作用在過渡軸上，從而避免對三聯齒輪泵轉軸的損傷；并考慮實際安裝空間和運動情況，設計以潤滑脂為潤滑方式，定期打油。三聯齒輪泵軸承座見圖3。

圖3 三聯齒輪泵軸承座Figure 3 The bearing seat of three－linkage gear pump

2.4 張緊機構設計

同步帶在傳動過程中，為保證可靠性，必須要進行適當地張緊，使皮帶具有一定的初拉力。張緊力的選取，至關重要，張緊力過小會使同步帶在運轉中因嚙合不良而發生跳齒現象，在跳齒的瞬間，可能因拉力過大而使帶斷裂或帶齒斷裂，同步帶傳遞運動的精度降低，帶的振動噪音變大；張緊力過大則會導致皮帶表層壓力過大，帶和帶輪之間的摩擦力增大，造成皮帶發熱量大，當橡膠皮帶工作在85℃以上較長一段時間后，橡膠成分會變硬，由于運轉彎曲導致背部開裂，致使皮帶大面積區域磨損，皮帶齒部剪切或斷裂，使帶的壽命降低，傳動噪音增大，皮帶由于齒部剪切也會導致拉伸性斷裂。同時軸和軸承上的載荷增大，加劇軸承的發熱和使軸承壽命降低。因此，適宜的張緊力是保證同步帶傳動正常工作的重要條件［10，11］。

同步帶緊邊張力F1、松邊張力F2和張緊力F0分別為：

式中：

F——同步帶所受力，N；

Pd——設計功率，kW；

V——帶速，m/s。

由式（3）可得，F1＝1 589N，F2＝318N。

式中：

F0——同步帶所受張緊力，N；

F1——同步帶緊邊張力，N；

F2——同步帶松邊張力，N；

由式（4）可得，F0＝953.5N。

因安裝三聯齒輪泵處空間狹小，單獨安裝張緊輪較困難，且不易維護，可靠性差，考慮用2個M12螺栓張緊，螺母鎖定，見圖4。

圖4 三聯齒輪泵張緊裝置Figure 4 The tension device of three－linkage gear pump

3 試驗與結果

3.1 試驗基本條件

（1）試驗地點：現代農裝科技股份有限公司保定分公司車間進行。

（2）試驗時間：2014年12月。

（3）柴油發動機參數：品牌：玉柴；型號：YC6B160ZT20；氣缸數：6個；排量：6.871L；額定功率：118kW；額定轉速：2 200r/min；最大扭矩：590N·m。

3.2 試驗結果

三聯齒輪泵傳動裝置空載試驗，試驗3次，每次30min，試驗結果見表2。

表2 三聯齒輪泵試驗結果Table 2 Experimental results of three－linkage gear pump

由表2可知，發動機在不同轉速時，三聯齒輪泵運轉正常，整機油缸動作和功能動作正常，驗證了三聯齒輪泵結構設計的合理性。

4 結論

（1）設計了三聯齒輪泵同步帶傳動裝置，選用14M23齒同步帶輪，30mm寬度同步帶，1∶1傳動，傳動精確、可靠，避免了V帶打滑和三聯齒輪泵轉軸磨損等失效情況，完全滿足4FZ－2型番茄收獲機三聯齒輪泵傳動要求。

（2）進行整機空載試驗，試驗結果表明整機油缸、發動機運行正常，剎車駐車等安全可靠。

（3）同步帶運轉平穩，溫度正常，縱向振動較小，結構設計合理。但三聯齒輪泵傳動裝置僅做了整機空載試驗，還需進行田間試驗，進一步調試，使其滿足西紅柿收獲的工況和性能要求。

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