新疆C-2聯合收割機液壓驅動系統的設計與仿真

陳恒峰，郭 輝,2，呂全貴，徐志強，高國民

(1.新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展、地域城鎮化的穩步推進和人口老齡化的日益嚴重、農業種植業的勞動力越來越少，用工成本不斷增加，迫使農業種植業從原有的低機械使用率、高人工的小農生產模式向使用大型機械化、智能控制的聯合收割機生產的方式轉變。聯合收割機在新型農業生產模式中占有重要地位，而我國現有的大部分聯合收割機的驅動行走系統是純機械皮帶輪傳動方式，存在結構復雜及皮帶高溫工作容易出現打滑、磨損、斷裂現象，導致傳動精度低、工作效力低、維護不方便、駕駛工作環境的舒適度差，無法滿足精確農業生產的要求[1]。

目前，國際先進水平的聯合收割機驅動行走系統是以液壓傳動代替純機械皮帶輪傳動方式，具有液壓元件位置布局靈活方便、控制反應靈敏、系統回路清晰、便于使用及后期維護方便等優點。同時，液壓傳動容易實現智能化控制，有利于實現精確農業生產，促進環保社會發展。因此，液壓傳動代替純機械皮帶輪傳動方式將成為農業機械發展的趨勢與潮流[2]。

1 聯合收割機驅動行走系統

新疆C-2型聯合收割機使用的是純機械皮帶輪傳動方式驅動行走系統，因為皮帶輪長期在惡劣的環境中工作容易發生老化現象，導致打滑、磨損、斷裂，且維護不方便，嚴重影響工作效率，導致生產成本居高不下。為此，在滿足生產技術要求基礎上，以新疆C-2型聯合收割機為基礎進行深度改進，設計了一種液壓驅動行走系統。

新疆C-2型聯合收割機為前橋帶輪式無級變速驅動行走系統，設計液壓驅動行走系統的方案為：變量泵+定量馬達+輸出變速箱的傳動模式。此方案的優點：輸出變速箱能夠提供大范圍的傳動比，并在各變速擋位中輸出穩定的扭矩；同時，可以選擇高速低扭的馬達與之搭配工作，高速低扭的馬達相對體積小，節省布置空間，減輕整體系統的質量。此種配置方案保留現有機型的變速箱，僅對底盤結構進行有限的改動，使液壓驅動行走系統相對傳統機械驅動方式雖然價格有所增加，但在性能上卻有本質的飛躍，達到更新換代的效果。

聯合收割機驅動行走系統采用靜液壓無級變速。壓驅動行走系統組成為：主泵驅動系統內部回路帶動高速低扭馬達，馬達聯軸器傳動輸出力矩驅動輸出變速箱；補油泵和兩位兩通中位閥組成輔助工作回路，補償系統的內泄漏及進行油液降溫，如圖1所示[3-5]。

2 驅動行走系統的元件的設計與計算[6-7]

由于此次的設計是基于新疆C-2型聯合收割機為基礎的深度設計，需保證其基本性能參數，將機械傳動改為靜液壓驅動，其主要參數如表1所示。

1、14.過濾器 2.定量泵 3、11、12.單向閥 4.雙向變量泵 5、6、7.溢流閥 8、9.兩位兩通中位閥 10.定量馬達 13.冷卻器

項目名稱參數指標車輛驅動系統前輪兩驅,后輪轉向變速箱I擋傳動比144行駛速度3.39km/h空倉質量4360kg滿載質量5400kg驅動輪半徑0.608m工作地理環境平原化干燥地面

根據新疆C-2型聯合收割機的設計要求及工作性能指標，經過查閱書籍現將行駛力公式列出，即

F=FBed=Fl+4·FR+Fst+Fc

式中FR—單個車輪阻力；

FL—空氣阻力；

FST—坡道阻力(因為工作環境為平原化干燥地面為主，所以此參數不考慮)；

FC—加速阻力。

現將上式中的各個阻力拆分計算如下：

單個車輪阻力為

FR=FR,T+FR,pl=Fz,w·(kR,T+kR,pl)

式中FRT—車輪滾動阻力；

FR,PL—路面塑性變形引起的阻力；

FZ,W—輪載，取FZ,W=1 500kg；

K—系數，查表取k=0.35。

車輛空氣阻力為

式中p—空氣密度(1.29kg/m3)

UX±UL—車輛處于最大速度并完全逆風時的氣流速度，此時取室外最大工作風速15km/h，車輛迎風工作3.39km/h，相加得18.39km/h (即5.1m/s)；

CW—車輛空氣阻力系數；

AL—車輛迎風面積變化范圍，取最小值8.3m2。

機具加速阻力為

Fc=(ei·mv,u1,0+mzu)ax

式中ei—質量系數，取ei=1.5；

mv,u1,0—空載車重，取mv,u1,0=4 360kg；

mZU—貨重，取mZU=1 000kg；

ax—平移加速度，取ax=0.6m/s2。

綜合上面的算結果，最終確定農機具在工作時所受的最大阻力為

F=FBed=Fl+4·FR+Fst+Fc=30 861N

FR=20991.6N

液壓馬轉速為

Nm=V·i1/2·π·r

式中Nm—液壓馬達輸出軸的轉速；

i1—減速機構傳動比；

r—驅動輪動力半徑。

現有參數I擋傳動比144，最大行駛速度3.39km/h，驅動輪半徑為0.608m；帶入參數V=3.39km/h,i1=144,r=0.68m，得Nm=1 908r/min。

液壓馬達驅動功率為

P=F·V

式中F—收割機牽引力；

V—收割機行駛速度。

帶入參數F=30 861N,V=0.942m/s，得p=29kW。

馬達扭矩為

式中P—液壓馬達驅動功率；

Nm—液壓馬達轉速。

帶入參數得Tw=145.6N·m,T靜=99 N·m。

馬達排量計算公式為

式中p1—液壓系統額定壓力；

Tw—馬液壓達扭矩；

Hm—機械效率，取Hm=0.8。

選擇系統額定工作壓力為16MPa, 帶入參數得q=71.4mL/r。

基于上計算結果與經驗數據，在液壓設計手冊中選擇馬達：GMG4-80型參數額定液壓16MPa,轉速2 000r/min,排量79.8ml/r，輸出轉矩228N·m。因為行走系統為靜液壓閉式系統，根據閉式系統的特點，主泵的總流量=1.2(系統損失系數)×系統液壓馬達流量+輔助泵的流量(輔助泵的流量為系統中各馬達總流量的25%～30%，其作用為系統補充流量的同時進行管路油液散熱作用)。因為發動機的轉速一般在2 200～2 400r/min,其泵的流量為220～228L/min, 由上計算結果與經驗數據在液壓設計手冊中選擇泵：GB-L120型額定液壓16MPa,轉速2 000r/min,排量120mL/r。仿真時不考慮系統的損失，變量泵的排量為99mL/r。

3 驅動行走系統的仿真

3.1 建立驅動行走系統模型

根據泵與馬達的參數及系統圖形的設計，可得系統主要仿真參數如下：

泵輸出速度/r·min-1：2 000

變量主泵排量/mL·r-1：99

馬達最高轉速/r·min-1：2 000

馬達排量/mL·r-1：79.8

啟動馬達轉矩/N·m：99

正常馬達轉矩/N·m：146

溢流閥額定壓力/MPa：20

補油泵排量/mL·r-1：20

補油泵輸出速度/r·min-1：2 000

兩位兩通閥流量/L·min-1：40

兩位兩通閥設置：電流40mA,頻率20Hz，相對降壓16MPa

變量主泵信號：0～10s為1，10～20s為-1

補油泵信號：0～10s為1，10～20s為1

上位兩位兩通閥信號：0～10s為40，10～20s為0

下位兩位兩通閥信號：0～10s為0，10～20s為40

馬達轉矩信號：0～3s為0～9.9，3～10s為9.9～14.6，10～13s為0～-9.9，13～20s為-9.9～-14.6

馬達轉矩增益：10

根據液壓驅動行走系統原理與元件仿真參數，在AMESim仿真軟件中創建驅動行走系統仿真模型圖，如圖2所示。

1.液壓油 2.電機 3.補油泵 4、6、14.流量計 5.主泵 7、9.單向閥 8、10、11.溢流閥 12、13.兩位兩通閥 15.液壓馬達 16.模擬負載 17.轉矩儀器 18.轉矩加載器 19、20、21、22、24.分段線性信號源 23.增益

3.2 建立驅動行走系統回路及分析[8]

在AMESim中對系統進行參數設計、仿真運算，得到液壓系統仿真回路中主要元件變量泵的流量曲線(見圖3)、輸出轉矩曲線(見圖4)、馬達的流量曲線(見圖5)、輸出轉矩曲線(如圖6)及馬達輸出轉速曲線(見圖7)。

圖3 變量泵流量曲線

圖4 變量泵輸出轉矩曲線

圖5 馬達的流量曲線

圖6 馬達輸出轉矩曲線

圖7 馬達輸出轉速曲線

根據仿真圖形結果分析，在液壓驅動行走系統運行0～20s時，車輛的運行狀態為分為4個部分：0～3s從靜止到啟動，3～10s啟動后加速度階段，10～13s反向從靜止到啟動，13～20s啟動后加速度階段。由圖3～圖6變量泵與馬達的流量與輸出轉矩曲線及圖7馬達輸出轉速曲線可以得出：

1)在0～0.4s與10～10.4s區間是系統波動不穩定狀態，運行時間超出不穩定區后流量與轉矩輸出穩定，系統在滿載工作數值均小于設計數值。

2)在系統變方向時，系統中馬達輸出轉矩的數值幅度成反向疊加狀態，表明馬達在此時受到巨大沖擊，容易損壞。為此，變量泵+定量馬達+輸出變速箱的傳動模式可以在不改變馬達運行方向時，通過輸出變速箱改變車輛的運行方向減小馬達的沖擊，延長系統的使用周期(變量泵的變向輸出可以作為應急使用)。

3)在系統變方向時，變量泵的流量曲線顯示兩位兩通中位閥的存在，10～10.4s區間時為兩個兩位兩通中位閥同時卸荷，對系統進行保護。

4)系統在啟動與變向時，液壓馬達由高速低轉矩逐漸向低速高轉矩運行，系統運行逐漸穩定。

5)系統穩定運行時，變量泵與馬達的運行參數與輸出數值符合運行標準，對此液壓驅動系統滿足設計要求。

4 結論

1)由于采用大量的理論計算與軟件仿真分析相結合的新型設計理念，使復雜的液壓系統得以簡明、直觀地展現內在的聯系，分析了關聯部件的參數變量控制結果，極大地縮短了新產品的開發時間，提高了工作效率，降低生產成本，提高企業的市場競爭力。

2)利用AMESim軟件進行液壓系統的建模仿真，可以發現系統在工作時的動態參數變化，對不符合線性規律的動態參數進行分析，找出處理解決方法，將問題消滅萌芽狀態。

3)分析仿真軟件在機械液壓設計、維護中的應用，將是科技發展的必然趨勢，但是軟件仿真僅僅是在十分理想狀態中進行的，無法完善地考慮到實際生產使用工程中的各種復雜問題，所以仿真結果與實際結果會存一定誤差，需要在實際工作中發現系統的不足，進行不斷完善。

參考文獻：

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