聯合收割機傳動系統設計與仿真分析

姜文瀚　王玉林　耿超　李志峰

摘要：針對聯合收割機在田間作業時路面不平度對整車動力系統產生的影響，以及動載荷的隨機性對行走操控性的影響，本文主要對聯合收割機傳動系統進行設計與仿真。給出了聯合收割機驅動系統的工作原理及主要元件參數，并基于AMESim仿真軟件，建立傳動系統液壓仿真模型，從液壓系統的起步、田間作業、轉場越障3種工況分析液壓系統的性能。仿真結果表明，車輛起步過程加速平穩，液壓系統的壓力輸出和流量符合設計車輛實際工況的需求;田間作業時，閉式靜液傳動系統中泵和馬達具有較高的容積效率;在轉場越障過程中，泵和馬達流量可保持相對穩定，說明收割機靜液壓傳動系統在跨越障礙時，有著良好的通過性能。該設計能夠實現整車平穩工作，提高收割機作業時越障能力和工作效率，滿足設計要求。該研究具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：聯合收割機; 靜液壓傳動; AMESim; 工況分析; 驅動系統; 載荷

中圖分類號： TH137; S225.3; U463.5文獻標識碼： A

文章編號： 1006-9798（2020）02-0110-06; DOI： 10.13306/j.1006-9798.2020.02.017

目前，我國農機行業進入轉型換代階段，逐漸向環保、舒適、高端化發展，這不僅促進了我國農機發展，還進一步推動了農業發展[1-2]。現代農業生產中對農機的效率、舒適性和可靠性提出了新的要求[3-4]，傳統聯合收割機的性能急需提高，其中傳動系統是決定收割機動力性、可靠性、收割效率和壽命等性能的關鍵，開發高效率高可靠性的聯合收割機傳動系統尤為重要[5-8]。近年來，許多學者對聯合收割機的傳動系統進行了研究，陳恒峰等人[9]通過設計改進了新疆C-2型聯合收割機的液壓驅動行走系統，提高了其啟動和轉向時液壓系統的穩定性，因而使整車性能得到提升;謝斌等人[10]基于Adams建立了車-路相互作用模型，利用加權加速度均方根法對某國產聯合收割樣機行駛平順性進行評價;趙姍等人[11]對采用靜液壓傳動的聯合收割機進行AMESim仿真分析，仿真結果顯示，聯合收割機執行機構會根據其工作環境的變化來調整壓力輸出，提高工作穩定性。以上研究均采用靜液壓傳動系統。因此，本文基于AMESim仿真軟件，建立了閉式靜液壓傳動系統[12-14]仿真模型，并分別對聯合收割機的起步、田間作業和越障3種工況進行模擬分析，分析結果表明，所設計的閉式靜液壓傳動系統方案能有效減少載荷對傳動系統的沖擊度，滿足聯合收割機行走系統設計要求。該研究對液壓驅動系統的優化與改進提供了理論依據。

1聯合收割機驅動系統

驅動系統是聯合收割機的核心系統之一，本文在基于前輪驅動后輪轉向的基礎上，重新設計驅動方式，確定四輪驅動整體方案。前輪采用變量泵-高速定量馬達組合，后輪采用變量泵-低速定量馬達組合，前后輪共用同一變量泵驅動，整體采用一變量泵三馬達傳遞動力。在本設計方案中，前輪為主驅動輪，在必要工況時，后輪輔助驅動，四輪驅動液壓系統原理圖如圖1所示。

液壓系統包括了前輪驅動系統、后輪驅動系統、補油回路，沖洗回路以及散熱系統。收割機前輪驅動和四輪驅動方式之間的轉換，通過兩位四通電磁換向閥和兩位四通液動換向閥控制。當電磁閥關閉時，液動閥左位連通，后輪馬達進出口壓力相等，液壓系統中只有前輪馬達處于工作狀態，此時車輛只在前輪驅動下行駛;當電磁閥通電打開時，液動閥右位連通，液壓系統中后輪馬達與前輪馬達并聯驅動，實現四輪驅動模式。

2聯合收割機傳動系統主要元件參數

本設計方案中，某型聯合收割機基本參數如表1所示。經計算，前輪液壓馬達選用力士樂A2FM63/61W型定量馬達[15];后輪低速馬達選用波克蘭公司生產的MSE02系列定量馬達[16];變量泵選用力士樂A4VG71規格的變量泵[17]。液壓系統中，補油泵的最小排量一般為所有液壓元件排量之和的10%，故補油壓力在1.8～23.4 MPa范圍內[18]，選型的變量泵內置輔助作用的補油泵[19]，故匹配排量為20 mL/r的補油泵即可滿足要求。泵和馬達的基本參數如表2所示。

3聯合收割機閉式靜液壓傳動系統的仿真

3.1液壓系統仿真模型的建立

根據聯合收割機閉式靜液壓傳動系統的工作原理，結合各元件仿真參數，在AMESim仿真軟件中，建立傳動系統液壓仿真模型，聯合收割機閉式靜液傳動系統液壓模型如圖2所示。該模型主要由5種元件子模型組成：變量泵控制模型（實現變量泵在起步過程中的壓力調節）、補油回路模型（主要由單向閥、溢流閥、補油泵及油箱組成）、前輪定量馬達模型、沖洗閥模型（交換閉式液壓系統的回路熱量）以及整車模型（由TRVEH03車輛動載荷模型和4個TRTY01C輪胎模型組成）。主要從以下3個方面分析液壓系統的性能：車輛起步時，液壓系統中泵的壓力和馬達壓力變化;田間作業工況下，液壓系統的穩定性;轉場過程中，越障礙時的液壓系統抗突變能力。分別對這3種工況下的收割機進行仿真計算，并對仿真結果進行分析。

3.2起步工況

當收割機于平路面作業檔起步時，單前輪與單后輪滾動阻力矩分別為614 N·m和231 N·m。將前后輪力矩信號作為輸入加載到各個車輪上，設置仿真時間為15 s，在起步工況下，變量泵輸出流量隨時間變化曲線如圖3所示，變量泵壓力隨時間變化曲線如圖4所示。由圖3和圖4可以看出，變量泵的輸出流量隨時間的增加而逐漸增大，起步加速階段變量泵輸出壓力為12.5 MPa。

在起步工況下，車速隨時間變化曲線如圖5所示，由圖5可以看出，車速勻加速至7.2 km/h時，變量泵的輸出壓力逐漸降低并穩定在9.5 MPa。泵與馬達輸出流量時間變化曲線如圖6所示，由圖6可以看出，車輛起步過程加速平穩，液壓系統沒有額外的流量損失，壓力輸出和流量符合設計車輛實際工況的需求。

3.3田間作業工況

以F級路面模擬聯合收割機田間作業工況下，得到的負載變化曲線做為負載扭矩輸入信號，在車輛啟動后第10 s加載到仿真模型上[20]。設置仿真時間為20 s，田間作業工況下，負載扭矩隨時間變化曲線如圖7所示[20]，變量泵輸出流量隨時間變化曲線如圖8所示，由圖7和圖8可以看出，收割機在起步運行后進入田間作業時，變量泵的輸出流量基本保持穩定，輸出壓力振蕩變化。

田間作業工況下，變量泵輸出壓力隨時間變化曲線如圖9所示，由圖9可以看出，定量馬達的輸入壓力也隨著負載的變化而變化，其變化范圍皆在8.5～11 MPa之間小幅振蕩變化，沖擊度不大。定量馬達輸入壓力隨時間變化曲線如圖10所示，由圖9和圖10可以看出，定量馬達輸入壓力隨時間變化曲線與變量泵輸入壓力隨時間變化曲線吻合度很高，定量馬達與變量泵二者之間幾乎沒有壓力損失，泵和馬達具有較高的容積效率。

在田間作業工況下，車速隨時間變化曲線如圖11所示，當進入田間不平路面作業時，整機速度保持穩定，時速穩定在5.6 km/h，符合田間作業的車速要求。泵和馬達流量對比隨時間變化曲線如圖12所示。由圖12可以看出，在閉式靜液傳動系統中沒有額外的溢流損失，聯合收割機穩定作業。

3.4轉場過程越障工況

同樣采用文獻[20]給出的越障時負載變化曲線做為負載扭矩輸入信號，在車輛啟動后第10 s加載到仿真模型上，設置仿真時間為25 s，變量泵輸出流量隨時間變化曲線如圖13所示。由圖13可以看出，仿真至第10 s時開始跨越障礙，液壓系統所受負載瞬間增大，泵的輸出流量有所減少，流量波動的幅度較小。變量泵壓力隨時間變化曲線如圖14所示，由圖14可以看出，在跨越障礙的過程中，變量泵的壓力上升比較明顯，最高壓力可達25 MPa，由于變量泵的最高允許壓力為45 MPa，所以沒有出現超負荷運轉情況。

車速隨時間變化曲線如圖15所示，由圖15可以看出，越障過程中車速出現較小波動，其波動范圍為5～5.7 km/h。泵和馬達流量對比隨時間變化曲線如圖16所示，由圖16可以看出，在越障過程中，泵和馬達流量能保持相對穩定，使系統有效工作，表明收割機靜液壓傳動系統在跨越障礙時，有著良好的通過性能。

4結束語

本文在聯合收割機行走系統原有基礎上增加了后輪輔助驅動系統，完成了聯合收割機閉式靜液傳動液壓系統的設計。利用田間作業和越障工況下的負載變化，基于AMESim軟件對液壓系統在起步、田間作業和跨越障礙3種工況下模擬仿真。仿真結果表明，閉式靜液壓傳動系統中泵和馬達具有較高的容積效率，能有效減少作業工況下路面不平度對傳動系統的影響。閉式靜液壓傳動系統適用于聯合收割機行走系統的改進，對整車通過性和越障能力有明顯提升。由于AMESim在理想狀態下的模擬仿真無法涵蓋所有實際狀況，該系統仍需在實驗過程中進一步優化。該研究在實際生產中具有一定的應用前景，為以后聯合收割機綜合性能提升等方面的研究提供了參考價值。

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Design and Simulation of Combine Harvester Drive System

JIANG Wenhan， WANG Yulin， GENG Chao， LI Zhifeng

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：Aiming at the fact that the unevenness of the road surface during field operation has a great impact on the combine harvesters power system and that the walking maneuverability is impacted by the randomness of the dynamic load， this paper mainly designs and simulates the drive system of the combine harvester. With the given working principle and main component parameters of the combine harvester drive system， and based on the AMESim simulation software， a hydraulic simulation model of the transmission system is established. The hydraulic system is then analyzed during three operating conditions： the start of the hydraulic system， field operation， and surmounting obstacles. The simulation results show that the vehicle accelerates smoothly during the starting process， and the pressure output and flow of the hydraulic system meet the requirements of the actual working conditions of the designed vehicle. During field operation， the pump and motor in the closed hydrostatic transmission system are of high volumetric efficiency. During the obstacle course， the flow of the pump and motor can be kept relatively stable， which indicates that the hydrostatic drive system of the harvester has good passing performance when it crosses the obstacle. The design effectively reduces the impact of the load on the transmission system， realizes the smooth operation of the whole vehicle， improves the obstacle surmounting ability and working efficiency of the harvester during operation， and meets the design requirements. This research has a wide range of application prospects.

Key words：combine harvester; hydrostatic drive; AMESim; working condition analysis;? drive system; load

收稿日期： 2019-12-27; 修回日期： 2020-02-26

作者簡介： 姜文瀚（1993-），男，山東青島人，碩士研究生，主要研究方向為液壓與電控。

通信作者： 王玉林（1964-），男，工學博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為液壓與電控。 Email： wangyuln@163.com