液壓底盤在農業機械領域的應用與發展

扈凱 張文毅 祁兵

摘要：從農業機械裝備靜液壓驅動底盤的發展趨勢出發，系統地闡述了靜液壓驅動底盤的應用在生產實踐中的重要性，對比分析了不同底盤配置方案的優缺點、應用場合、閉式系統的工作原理及其補油回路、熱交換回路的作用，并對多馬達驅動系統的防滑轉問題提出相關措施及建議。同時，根據農業機械的作業特點，提出了閉式液壓系統的不同調節方式。以配備靜液壓驅動底盤的高速插秧機為例，詳細闡述靜液壓驅動底盤在實際生產中的應用。對農業機械靜液壓驅動液壓底盤的設計具有一定的參考價值。

關鍵詞：農業機械;液壓底盤;防滑轉措施;調節方式

中圖分類號： S22;TH137 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）14-0259-04

《中國制造2025》將農業裝備定義為融合生物和農藝技術，集成機械、電子、液壓、信息等高新技術的自動化、信息化、智能化先進裝備。近年來，我國農業裝備產業快速發展，已經成為世界最大的農業裝備生產和使用大國，但大而不強的局面仍然存在，占市場需求90%以上的國產農業機械（簡稱農機）裝備為中低端產品[1-2]，不能全面滿足現代農業發展需要，信息化、智能化技術的應用進一步拉大了國產農機裝備與發達國家的距離[3-5]。

現有的農業機械底盤大多為傳統的機械式底盤，一般通過齒輪、帶、鏈、傳動軸、前后橋等機械零件傳遞動力，這類底盤傳動可靠、制造容易，但其具有以下幾個缺點[6-9]：（1）所使用的機械零件復雜笨重，難以實現輕量化需求，加大了功率損耗;（2）一般不能進行無級調速或實現無級調速極其復雜;（3）不容易實現電子控制，遠距離操作困難，難以滿足當代農機智能化、自動化的需求;（4）安裝位置變化的柔性小。

農業機械工作負荷具有較大的不確定性，其多在田間現場工作，作業工況和環境復雜嚴苛，且多采用內燃機為原動力，其傳動系統不僅要求高效而且更需兼有對于工作負荷和原動機的良好適應性、可操縱性和實現多種功能協調性，近年來又需要滿足節能環保和智能化需求[10-12]。為提高底盤功率密度，滿足輕量化需求，實現農業機械自動化和智能化操作，越來越多的靜液壓驅動底盤被引用到農業機械行業中來。

我國農機行業對靜液壓驅動的研究探索始于20世紀60年代，除中國農業機械化科學研究院等少數單位曾自行研發過變量液壓泵外，其余的廠商大多采用斜盤型柱塞變量泵加殼體旋轉的低速車輪馬達方案[13-14]。如今，全液壓底盤驅動方案已在植保機械、收獲機械上得到大范圍應用。本研究對農業機械領域常用的幾種液壓底盤進行對比，從功能原理、性能優劣、調節方式等多個角度闡述液壓底盤的應用，旨在為農業機械液壓底盤的設計使用提供一定的參考。

1 靜液壓驅動底盤的技術特點

靜液壓驅動底盤主要具有以下技術特點：

（1）靜液壓驅動方案用泵-馬達組合代替了現有的變速箱及其他中間傳動裝置，布局更加靈活，底盤質量更輕，實現了輕量化需求。

（2）靜液壓驅動可以實現無級變速，變速范圍更大，功率密度高。靜液壓驅動有3種調速方式：節流調速、容積調速和容積-節流調速。節流調速由于具有較大的能量損失，且損失的能量轉換為熱量散發出來，一般只在功率較小的場合使用。容積調速依靠液壓泵或者液壓馬達的變量來改變系統流量，繼而實現調速功能。

（3）可用液壓轉向代替原有的機械轉向，轉向更加輕盈，可操作性強。此外，液壓轉向可以較為簡便地實現前輪轉向、后輪轉向和四輪轉向多種轉向方式的切換，大大地提高了轉向靈活性，減小了轉彎半徑[15-16]。圖1為一種四輪液壓轉向的系統原理。

（4）行走系統液壓回路采用閉式回路，在閉式回路中，雙向變量柱塞泵可以通過調節斜盤的傾角和方向來實現調節流量和改變流向的雙重功能，并以此來無級地調節行走驅動馬達輸出軸的轉速和轉向，繼而改變機器的速度和實現前進后退。

（5）閉式液壓系統具有制動能力，可省去傳統的摩擦制動裝置[17]。

（6）易于實現自動化、智能化控制和遠程操縱，滿足人們對當代農業機械自動化、智能化的要求[18]。

2 靜液壓驅動底盤的應用方式與方法

2.1 基本配置方法

從靜液壓驅動系統所使用的液壓馬達數量上，可以分為單馬達驅動系統和多馬達驅動系統，單馬達驅動系統即保留了傳統的機械車橋，僅有一個液壓馬達輸出動力，如圖2所示。

在農業機械領域，為了使整機具有盡可能大的驅動力，最基本的做法是將所有的輪子都設計成驅動輪，以充分利用車輛自身質量以及所承載物料的質量產生附著力。因此，無論是單馬達驅動系統還是多馬達驅動系統大多采用四輪驅動方式。

圖2為單馬達驅動系統布置。動力由發動機1輸出，液壓泵3通常經聯軸器2與發動機相連，液壓馬達輸出軸連接分動箱7，經前后傳動軸9和主減速器5將動力傳遞給車橋以驅動車輪運動。該方案只是用液壓系統取代了原有的機械變速箱和離合器，使得車輛具有無級變速的能力，其優點是未大幅度地改變原有的整機布局形態，易于改裝，成本低，但布局靈活性一般。靜液壓機械功率分流式無級變速箱（HMT）結合了機械傳動的高效率與液壓傳動易于實現無級變速的特點，采用其可以更全面地提升整機使用中的動力性和經濟性。HMT的原理如圖3所示，由發動機傳出的輸入功率被分為機械功率流和液壓功率流，并通過行星齒輪裝置將2路功率匯合起來傳遞給行走系統。

多馬達驅動系統是指在液壓回路中安裝了2個以上的液壓馬達（圖4）。動力由發動機1輸出，動力經聯軸器2傳遞給液壓泵3，液壓泵通過閉式液壓回路連接馬達以驅動車輛行走。圖4-b比圖4-a多使用了1個液壓泵，行走動力性較好。多馬達驅動系統已經完全取消了驅動橋和傳動箱等機械傳動機構，布置靈活，但系統成本高。

多馬達系統中的液壓馬達以并聯的方式連接在一個公共回路中，所有馬達的工作壓力都是相等的[19]。這種系統的特點是每個液壓馬達輸出轉矩大小與其本身的實時排量成正比，通過所有液壓馬達的流量之和等于系統總流量。但每個馬達的實時轉速情況，取決于系統總流量、馬達數量、傳動關系、車輪尺寸和實時的路面附著條件等[20]。

農用機械的液壓系統在正常工作過程中需要隨時調節流量和改變方向，要求系統具有較好的速度剛性和響應速度，因此其驅動行走系統往往采用閉式回路，基本原理如圖5所示。該回路具有以下優點：（1）由雙向變量的柱塞泵和雙向旋轉的液壓馬達構成閉式液壓回路，可以連續調節馬達輸出軸的轉速和轉向;（2）該閉式回路是一個對稱可逆系統，除了輸出正向轉矩驅動行走外，還可以實現制動，取代摩擦元件構成的常規行車制動系統;（3）油箱較小，安裝靈活方便;（4）效率高，閉式回路的換向工作由液壓泵承擔，取消了換向閥等控制閥，減小了系統壓力損失。

由圖5可知，雙向變量柱塞泵可以通過調節斜盤的傾角和方向來實現調節流量和改變流向的雙重功能，并以此來連續地調節輸出軸的轉速和轉向。閉式系統中作為輸入元件的雙向變量柱塞泵并不直接從油箱吸油，此種結構具有響應快、速度剛性好等優點，但液壓油不流回油箱，且油箱往往由于空間限制而較小，散熱性較差。為解決散熱問題，在閉式回路中設置熱交換回路，熱交換回路的作用是使系統的熱油經冷卻后循環使用，冷卻器的規格根據系統流量及壓力來選擇。由于熱交換回路排出熱油及液壓元件的泄露而使系統內的油液變少，為保持油液平衡而添加補油回路，以向系統額外補充冷卻油液。主回路和油箱之間的循環流量一般為主回路最大流量的20%～25%[14]。補油泵一般為齒輪泵，通常集成在主液壓泵中，補油油液經單向閥和補油安全閥使該回路維持一個基礎壓力，即補油壓力，補油壓力的大小由補油安全閥來調節，補油系統在一定程度上降低了液壓系統的效率。

2.2 多馬達驅動系統的防滑轉控制

多馬達驅動系統通常把所有的液壓馬達并聯在回路之中。當路面條件良好時，并聯系統可以滿足整機大多數工況要求。但農用機械和公路機械不同，其路面情況復雜，附著力較差，尤其是水田機械，工作時易失去附著力而無法移動，這時多馬達驅動系統就存在一個問題：當其中任何一個車輪由于附著條件不好而出現打滑時，系統就只能維持在驅動扭矩負荷最小的車輪馬達所需的最低壓力，此時的牽引力不足以驅動車輛前進，同時，打滑的馬達通過流量急劇增加，甚至可能因為超速而被損壞。為防止上述情況發生，特設置2種防滑轉機構，分別如圖6、圖7所示。

圖6中設置了3個分流集流閥，分流集流閥的分流作用是將輸入油液按照一定的比例分2路輸出。當其中一個車輪由于較差的附著條件而出現滑轉時，分流集流閥開始發揮作用，按比例強制將系統流量分配給驅動行走馬達，分流比例取決于驅動輪的大小，通常分流比為1 ∶ 1，使用節流閥代替分流閥也可以起到相同的效果，但節流閥的原理是通過節流來限制流量，會增加液壓系統功率損失，造成發熱。

圖7為變量馬達防滑轉機構，當某一個或幾個車輪發生打滑時，可以及時地將馬達切換至小排量甚至自由輪的狀態以防止繼續打滑。當車輪打滑時，轉速傳感器會檢測到打滑的車輪轉速異常（通常為轉速過高），進而減小馬達排量，使得車輛脫困。該防滑轉系統的前提是必須采用變量馬達，在一定程度上增加了制造成本。

2.3 液壓驅動的基本調節方式

靜液壓驅動底盤的基本調節方式分為輸入端調節和輸出端調節。

輸入端調節即通過改變液壓泵的排量或發動機轉速來改變液壓系統流量。在農業機械中，雙向變量液壓泵是大多數驅動底盤的動力元件，而且原動機基本上都是采用汽油機或柴油機，因此變量液壓泵的排量和發動機轉速都是輸入端的可調節參數。對于轉速過高的汽油機往往需要增加中間變速裝置，以適應泵的轉速要求。對于很多小功率（一般不大于10 kW）或行走速度較慢的農用機械，僅僅使用輸入端調節方式已經可以較好地滿足工作需求，液壓泵的排量及發動機轉速的聯合調節已經可以覆蓋其絕大多數的工作區間，考慮到經濟因素，液壓系統的輸出元件只需使用價格較低的定量馬達即可。

輸出端調節一般是通過改變執行元件液壓馬達的排量來實現的。液壓系統具有無級調速能力，在某種程度上，只要變量泵的變量范圍足夠大，僅輸入端調節即可以滿足速度調節需求，但在實際生產實踐中，設計人員還需要從元件功率密度、系統壽命、使用成本等多個方面考慮，這也就使得輸出端調節機構在工程中有了發揮的余地[14]。

通常，靜液壓驅動的農業機械底盤工況可明顯地分為低速大負載作業和高速小負載轉場2個狀態，較低的行駛速度主要用于田間作業，較高的速度主要用于空載轉場行駛。根據經驗分析[14]，農業機械的最大速度小于25 km/h時，可只采用輸入端調節的方式，當整機速度大于25 km/h，尤其是大于40 km/h時，則需要輸出端調節介入，在有些情況下，還需要輸入端調節和輸出端調節2種方式共同作用。

2.4 液壓泵與發動機的匹配控制

液壓泵與發動機匹配控制的目的是實現驅動與防熄火控制。驅動與防熄火控制主要涉及2個問題[21]：一是為裝有靜液壓驅動底盤行駛機械的駕駛人員提供汽車式自動變速器的駕駛感受;二是使得車輛具有驅動與自動防止發動機熄火的能力。

防熄火控制過程如下：當液壓系統外負載增大，引起發動機轉速降低時，控制閥輸出的控制壓力相應減小，使行走液壓泵排量自動減小，此時，泵的驅動轉矩雖然降低，但取決于外負載的系統工作壓力不變，因此系統仍可以保持較好的驅動力，由于減少了泵對發動機功率的吸收，防止了發動機熄火。

液壓泵與發動機的特性匹配準則主要包括轉速匹配準則和功率匹配準則。轉速匹配準則[21]是（1）所選變量泵最大排量時的許用最高轉速不得低于柴油機的最高空轉轉速;（2）所選變量泵最大排量在柴油機額定轉速下的輸出流量應能使液壓馬達的輸出轉速達到整機最高行駛速度的對應值。功率匹配準則[21]是系統最大負載功率不大于發動機額定功率的90%。

3 靜液壓驅動底盤應用實例

靜液壓驅動的高速插秧機底盤實物圖、原理圖分別如圖8、圖9所示。發動機是整個底盤系統的動力源，將動力分別傳遞給雙向變量柱塞泵和齒輪泵，雙向變量柱塞泵通過閉式回路和變量馬達相連為行走驅動系統提供動力。雙向變量柱塞泵為斜盤式柱塞泵，其可以通過調節斜盤傾角和方向來實現調節流量和改變流向的雙重功能，并以此來無級地調節行走變量馬達輸出軸的轉速和轉向，繼而改變插秧機的速度和實現前進后退功能。

齒輪泵為仿形機構、轉向機構和升降機構提供動力，齒輪泵輸出端連接單向穩定分流閥，該單向穩定分流閥將油液分配給轉向回路和仿形、升降回路，轉向回路通過高速電磁換向閥和液壓轉向器控制轉向液壓缸，前者可以實現較高的響應速度，后者可以實現轉向功能。單向穩定分流閥的作用是優先保證液壓轉向系統液壓油的流量，升降與仿形系統串聯且流量并不按照比例分配，液壓油先通過仿形機構，優先保證該機構的靈敏度。仿形和升降機構由一個液壓油路連接控制，仿形機構控制閥和升降機構控制閥均為三位四通換向閥，M型中位機能。仿形機構控制閥控制液壓仿形油缸，升降機構控制閥控制升降油缸，但考慮到兩者同時工作的概率極低，因此使用1個串聯回路在保證系統功能性的基礎上可以降低成本。轉向機構油缸為雙活塞桿油缸，即兩邊都是有桿腔，以保證往2個方向的轉向力和轉向行程均勻。

4 結論

本研究結合靜液壓驅動農業機械底盤行業的發展趨勢，闡述了液壓底盤在應用中的必要性，介紹了液壓底盤配置的幾種方式及其優缺點，分析了閉式系統的工作原理及其補油回路與熱交換回路的作用，闡述了多馬達驅動系統使用分流閥和變量馬達的2種防滑措施。最后，針對農業機械的工作特點，分析了輸入端調節和輸出端調節的應用對象和場合，介紹了靜液壓驅動底盤的液壓泵與發動機匹配控制方式。同時，以配備了靜液壓驅動底盤的高速插秧機為例，詳細地分析闡述了靜液壓驅動底盤的技術特點。

通過本研究的分析闡述，可以得出以下結論：（1）靜液壓驅動底盤克服了傳統機械底盤難以實現無級變速、功率密度低、布置不靈活等缺點，在技術層面上是一個新的突破。（2）通過閉式傳動系統，液壓底盤在實現行走驅動的同時，也便于實現行車制動功能，大大地簡化了系統的設計。（3）靜液壓驅動底盤利于實現自動化、智能化控制和遠程操縱，滿足人們對當代農業機械自動化、智能化的要求，具有廣闊的市場前景。本研究內容對靜液壓驅動的農業機械液壓底盤設計具有一定的參考價值。

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