某多功能旋耕機傳動系統與液壓系統設計

丁文潔 趙武云

摘要：針對南方水田作業特點，對某履帶式多功能旋耕機的關鍵部件（傳動系統、液壓系統）進行設計。采用靜態液壓傳動與齒輪變速箱串聯無功率分流模式，實現水田旋耕作業的機液復合式無級變速。以設定為最大動力性原則的匹配方法與控制策略，進行了發動機和靜液壓無級傳動系統匹配設計。采用壓力油路控制的循環液壓系統，實現了開心式液壓系統設計，進而確定了液壓系統主要參數。傳動系統和液壓系統的合理設計，為此多功能旋耕機的作業性能和工作效率的提升提供了保障。

關鍵詞：旋耕機;履帶式拖拉機;傳動系統;控制策略;液壓系統

0? 引言

履帶拖拉機[1]具有對土壤的單位面積壓力小和對土壤的附著性能好等優點，在土壤潮濕及松軟地帶有較好的通過性能，牽引效率高。因此，至今履帶拖拉機在農田作業方面依然占有主導地位[2]。履帶式拖拉機與作業耕具結合，能形成適應不同農藝要求的保護性作業體系，本文針對某多功能旋耕機中的關鍵部件（傳動系統、液壓系統）進行設計，以滿足南方水田耕作的特殊需求。

1? 傳動系統設計

針對水田作業傳遞功率、速度變化范圍寬、作業環境惡劣、外界負荷波動頻繁等問題，發動機或變速箱必須能適時地變更轉速和轉矩以適應負荷和行駛阻力的不斷變化，保證拖拉機的動力性和燃油經濟性。傳統的1-5檔齒輪傳動變速箱，只能按照固定傳動比傳遞功率和轉速，無法滿足農機對作業速度不斷提高的要求。因此，根據小型履帶旋耕機的農田作業要求，自主開發適用于水田旋耕作業的機液復合式無級變速系統，采用靜態液壓傳動（Hydrostatic Transmission，簡稱為HST）和齒輪變速箱串聯無功率分流模式的經濟性方案[3]。如圖1所示，該履帶拖拉機靜液壓傳動行走驅動系統主要部件由靜液壓傳動系統、機械有級變速箱和履帶行走系統組成。

液壓無級變速裝置的動力系統由主泵部分、馬達部分、補油泵及閥部件組成。工作時，主泵由原動機帶動，通過柱塞與轉子孔容積腔的變化來達到產生液壓能的目的。馬達由液壓泵提供液壓能，通過馬達轉子與柱塞的作用驅動主軸旋轉，轉化為機械能，為執行元件提供扭矩。產品具有結構緊湊、體積小、重量輕、高效率、長壽命和低噪音等特點，主要應用于聯合收割機及小型工程機械的行走驅動系統。

根據不同的控制算法，可以進行發動機和靜液壓無級傳動系統匹配，本文以設定為最大動力性原則的匹配方法與控制策略進行設計。如圖2所示，設定為最大動力性原則的匹配方法和控制策略下，牽引功率最大無級變速和換段規律的工程實現，其控制參數包括調速位置、發動機轉速和實際傳動比等，多功能旋耕機具有牽引功率大、牽引效率高和作業速度穩定等特點。

牽引功率最大無級變速和換段規律的工程實現，其控制參數包括：調速位置、發動機轉速和實際傳動比等，其控制圖如圖3所示。

2? 液壓系統設計

液壓懸掛系統是拖拉機的工作裝置[3]，是連接、控制、操縱拖拉機與農機具機組并使其實現節能高效地工作的重要系統部件。因此，對液壓懸掛系統的設計要求，除了應具備性能良好、工作可靠、操縱輕便和維修簡單等[4]基本要求外，還應滿足下列兩項要求：①懸掛系統與各種農機具的連結尺寸必須符合“農業輪式拖拉機后置式三點懸掛裝置 第一部分GB /T1593.1-1996”;②液壓懸掛性能應不低于《農業拖拉機通用技術條件 第4部分 履帶拖拉機》GB/T15370.4-2012中規定的指標（20% MS、3S、4%和12%）。

本文液壓系統為開心式，采用壓力油路控制的循環液壓系統（液壓系統原理圖如圖4所示）。液壓系統由齒輪泵、一桿操縱控制閥、提升油缸、轉向油缸、過濾器等組成，用管路聯接成一個液壓循環系統。齒輪泵裝在發動機上，只要發動機運轉，齒輪泵就能提供液壓油。提升油缸固定在變速箱后側面，提升臂下方，立式布置，雙作用。一桿操縱控制閥位于齒輪泵和提升油缸、轉向油缸之間，控制系統壓力和油液流動方向。一桿操縱控制閥集成了兩個閥，用一個操縱桿控制兩個閥的動作，向左或向右扳動操縱桿控制五位五通閥，從而控制左或右轉向油缸，實現拖拉機左或右轉向;向前或向后扳動操縱桿控制三位四通閥，從而控制提升油缸，實現拖拉機懸掛提升、中立、強降。過濾器位于齒輪泵進油口前，吸油管路中間，保證系統用油清潔。

液壓系統主要參數確定包括：①液壓提升系統的最大工作壓力，即系統安全閥的開啟壓力。目前國內同等功率拖拉機液壓系統的工作壓力一般在14～18MPa，在此選定為14 MPa。②提升油缸的活塞直徑與行程：參考國內外同等功率拖拉機提升器的結構尺寸，結合總體設計的協調布置、系統提升能力和工作行程的驗算，確定提升器油缸缸徑為45mm，工作行程180mm，數量為2個。

3? 結論

根據小型履帶旋耕機的農田作業要求，采用履帶式拖拉機與機具協作，形成多功能旋耕機。論文對某多功能履帶式旋耕機傳動系統和液壓系統進行了詳細設計，設計結果不僅可以保證發動機的正常使用壽命，有利于改善農用拖拉機的動力性和燃油經濟性，還可以提高農機作業效率和可靠性，對此類多功能旋耕機的設計具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1]徐飛軍，黃文倩，陳立平.履帶拖拉機軟土地行走動力學仿真[J].農機化研究，2009，31（12）：204-207.

[2]周彥春，李紅陽，魏燦苗，等.遙控水田旋耕機控制系統開發[J].時代農機，2018，45（5）：213-214.

[3]謝凌云.大馬力拖拉機電液懸掛系統耕深自動控制研究[D].江蘇：江蘇大學，2016.

[4]杜娟.履帶車輛底盤-液壓轉向操縱機構設計[J].科學與財富，2015（2）：154-155.