一種分油合油自轉換的拖拉機液壓系統開發

薛曉江 ， 薛運起 ， 楊偉博

（第一拖拉機股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471003）

0 引言

拖拉機在進行農業生產活動時離不開液壓元件的支持，不同功能和不同種類的液壓元件形成一個完整的液壓系統。

目前，按照拖拉機液壓系統和變速箱的相互關系可將液壓系統分為合油和分油兩種結構。采用分油結構液壓系統的拖拉機，液壓油不易受到變速箱齒輪碎屑的污染，能夠最大限度地保證液壓油的清潔，對液壓元件的保護效果良好。但分油結構的拖拉機液壓油箱布置易受到空間的影響，且分油油箱無法無限地做得更大，不能滿足拖拉機對液壓油油量的需求[1-3]。

采用合油結構的拖拉機，變速箱里面的液壓油一方面為齒輪提供潤滑，另一方面為拖拉機液壓系統提供油源。合油結構的液壓系統因為與變速箱齒輪的潤滑油為同一油源，液壓系統容易受到齒輪碎屑的影響，要求系統有更高的過濾精度，另外系統溫度較高易影響液壓系統正常工作。比如，合油系統的拖拉機液壓油過多，易增加齒輪的轉動阻力，降低齒輪的傳動效率。同時，在液壓油多的情況下，齒輪轉動產生熱量也會增多，易造成傳動系統溫度過高。

根據多臺試驗車的相關試驗，拖拉機傳動箱內的大小錐及其他齒輪的轉動對液壓油的影響很大，特別是大小錐齒輪轉速高時，能在傳動箱內形成強烈的齒輪泵效應，使得傳動箱內壓力升高，不利于齒輪泵從箱體里面吸油，或齒輪泵吸入大量泡沫，大大降低容積效率。

1 開發背景

隨著拖拉機更新換代周期的縮短，一款新產品的生命周期一般為2~3年，這個時間對于完全開發一款全新的產品是不夠的。在市場的推動下，在成熟結構的基礎上進行變型產品的開發，一方面可以縮短研發周期，另一方面可避免出現批量問題。這種開發模式對于市場和生產企業都是有利的[4-5]。

開發分油合油自轉換的拖拉機液壓系統，不失為一種開發周期短，同時滿足多種液壓功能的有效途徑。該系統一方面增加了拖拉機液壓系統的可用油量，滿足了拖拉機不同工況的使用需求，使拖拉機可擴展的功能更多；另一方面可以平衡拖拉機液壓工作用油和傳動系潤滑散熱用油的問題，使問題可以得到良好的解決[6-8]。

基于此，筆者在下文中對該系統進行重點討論和研究。

2 開發過程

2.1 液壓原理

分油合油自轉換的拖拉機液壓系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖

其中，低壓潤滑泵和高壓泵構成一個雙聯齒輪泵。低壓潤滑泵通過第一吸油濾油器從傳動箱吸油為傳動系潤滑散熱；高壓泵通過第二吸油濾油器從液壓油箱中吸油通過多路閥為液壓設備供油，液壓設備的液壓油經多路閥和回油濾油器回流到液壓油箱。在該液壓系統中，傳動箱通過連通管向液壓油箱補油，以增加液壓系統的有效用油量，可更多地滿足拖拉機液壓元件的用油需求，擴展了拖拉機的功能。

2.2 系統結構

分油合油自轉換的拖拉機液壓系統吸油管路結構如圖2所示。

對耕地定級的工作早有研究。趙登輝等在對揚中市進行定級研究中，認為應將農產品交易難易程度與路網分布情況引入影響因素[7]。馮莎等運用人工神經網絡算法構建了嘉魚縣農用地定級的BP神經網絡模型[8]。賈雷等以石柱縣為例，構建了“純收益—定級指數”模型，基于新規程對其進行耕地定級[9]。詹波運用GIS對連城縣耕地級別進行了研究，發現連城縣水源充足，耕地質量程度適中[10]。許婷等對江西省錦江鎮采用了多因素綜合評定法選取指標，使用主成分分析法確定權重，最后分出4個級別[11]。本文基于因素法選取定級因子，利用GIS技術，采用網絡分析、耗費路徑等GIS分析方法對指標因子進行分析，進行耕地質量定級研究。

圖2 吸油管路結構圖

吸油管路包括高壓泵的吸油管路、低壓潤滑泵的吸油管路以及傳動箱為液壓油箱補油的補油管路。

高壓泵的吸油管路包括高壓泵、高壓泵吸油管、帶濾芯的出油管、液壓油箱、傳動箱與油箱連通管等幾個主要部件。在高壓泵的吸油管路中，液壓油箱用以實現連接管路和補償油液的功能。

低壓潤滑泵的吸油管路包括順次連接的低壓潤滑泵、潤滑泵前吸油管、吸油濾油器和潤滑泵后吸油管。潤滑泵后吸油管的吸油口和三通接頭連接，直接從傳動箱將需要進行散熱的傳動箱油輸送給低壓潤滑泵。

將低壓潤滑泵的吸油口和高壓泵的吸油口進行了分開吸油的設計。此種設計可提高傳動箱和液壓油箱中液壓油的循環率，避免高壓泵和潤滑泵同時從一個吸油口吸油而導致傳動箱液壓油參與系統循環量少，而造成傳動系統高溫。

在本文所研究的液壓系統結構中，最為重要的環節是液壓油箱的設計。在拖拉機的使用過程中，分油合油自轉換亦是通過液壓油箱上的特殊結構來實現的。至于如何實現分油合油自轉換將在本文后面的內容中進行詳細闡述。

液壓油箱的結構如圖3所示，主要由液壓油箱、通氣塞和帶濾芯的出油管三個部分組成。

圖3 液壓油箱的結構示意圖

油液的清潔是拖拉機液壓系統功能正常發揮的前提保障。為此，在液壓油箱和高壓泵吸油管路的連接設計中，將吸油濾芯內置在液壓油箱內，以節省裝配空間。

帶濾芯的出油管結構如圖4所示，主要由旁通閥、濾芯和出油管等組成。其中，旁通閥的作用是在濾芯被堵塞嚴重的時候打開通道，保證高壓泵的吸油，避免因管路堵塞造成齒輪泵損壞。

圖4 帶濾芯的出油管

通氣塞的原理如圖5所示。設置通氣塞的目的是通過液壓油箱內壓力的變化來形成分油系統或合油系統。在液壓油箱中不存在壓力的情況下，通氣塞可進行雙向通氣。一旦拖拉機負荷加大，高壓泵吸油在油箱內形成的負壓大于0.1 kPa時，通氣塞向油箱內的通道被關閉，僅能向外排氣，形成一個單向通道。當油箱內部壓力繼續升高，超過10 kPa時，通氣塞向外的通道被打開，液壓油箱可向外排氣。

圖5 通氣塞的原理圖

在拖拉機進行耕作時，發動機負荷大，油泵轉速高，吸油作用在液壓油箱內形成的吸油負壓遠大于通氣塞的雙向通氣開啟壓力。此時系統形成合油結構，通氣塞有助于防止液壓油箱進氣，保證油面的穩定，可以有效減少傳動箱齒輪高速運轉過程中產生的倒吸油現象。在發動機負荷較小時，油泵轉速降低，油泵的吸油負壓小，液壓油箱產生的氣體可將通氣塞頂開，通過通氣塞排出，使油箱內壓力保持穩定。此時，可形成分油系統。

在本文描述的液壓系統中，高壓泵和潤滑泵吸油口的位置選擇也影響著整個系統分油和合油之間的轉換。

通過不同方案的樣車試驗表明，潤滑泵的吸油口靠近高壓泵的吸油口處時，會存在潤滑泵和高壓泵搶油的現象。為此，在該系統中設計了如圖6所示的三通結構來解決潤滑泵搶油問題。在圖6中，L1為三通在傳動箱內的傳動箱與液壓油箱連通水平面，L2為傳動箱與油箱連通管的吸油水平面，L3為潤滑泵后吸油管的吸油水平面，H1為L2和L3在豎直方向的高度差。由于H1高度差的存在，加之液壓油重力的影響，潤滑泵在進行吸油時，會優先從傳動箱中吸油。

圖6 三通結構示意圖

2.3 實現途徑

下面將重點講述分油合油自轉換的液壓系統的具體實現過程。在進行討論時，先假設傳動箱內的壓力為P傳，雙聯齒輪泵在運轉過程中高壓泵和低壓潤滑泵所產生的吸油負壓的絕對值分別為P高和P低，液壓油箱內的壓力為P液。

拖拉機在處于耕作工況時，行駛速度較慢，傳動箱內的大小錐及其他齒輪的攪油影響較小。液壓系統各處的壓力絕對值滿足以下條件：P高＞P液＞P傳，P低＞P傳。此時，因為壓力差的存在，傳動箱的液壓油除了給低壓潤滑泵供油外，有一部分液壓油通過傳動箱和液壓油箱之間的連通管流向了液壓油箱。拖拉機若需要使用多組液壓輸出，傳動箱的液壓油對液壓油箱進行的補油，彌補了液壓油箱油量不足的問題。此時，傳動箱和液壓油箱共同形成一個合油的液壓系統。

通常情況下，當拖拉機處于轉場或運輸工況時，拖拉機行駛速度高，傳動箱內齒輪攪油影響較為明顯。大小錐齒輪的高速運轉，使得傳動箱體內壓力P傳增大。而位于大小錐齒輪附近的吸油口則因傳動箱內的壓力變化而導致液壓油向外流動困難，甚至會產生從液壓油箱倒吸油現象。油液一旦增多，傳動箱內的液壓油在大小錐齒輪的高速攪動作用下，被甩到箱體內壁上，從而造成傳動箱內液壓油油面增高。在各個齒輪攪油的共同作用下，傳動箱溫度升高很快。

在拖拉機由耕作狀態轉為高速轉場過程中，高壓泵從液壓油箱吸油后經多路閥直接回油到液壓油箱，形成一個不帶負荷的液壓循環系統。此時，液壓油箱為正壓環境，P液不斷升高，使得液壓油通過傳動箱與液壓油箱連通管進入傳動箱，使得液壓油箱的液面降低，傳動箱液面升高。在傳動箱和液壓油箱之間形成一個高度差H2，當液壓油箱內部P液達到10 kPa時，液壓油箱上方的通氣塞打開排氣，使得P高＞P液=P傳，P低＞P傳。當P液=P傳時，液壓油箱和傳動箱內的液壓油停止流動。此時，傳動箱與液壓油箱連通管的吸油面和潤滑泵后吸油管的吸油面保證存在一個高度差H1。再加上H2的高度差，這樣一來，潤滑泵后吸油管和傳動箱與液壓油箱連通管的吸油面形成一個吸油位勢差，變速箱中的液壓油則會優先進入潤滑泵后吸油管中，防止液壓油箱中的液壓油被低壓潤滑泵搶油。此時，拖拉機液壓系統成為一個分油系統。

2.4 實際效果

通過控制傳動箱和液壓油箱內部的壓力變化，同時合理地分配潤滑油泵的吸油口位置，可以實現液壓系統的分油與合油自轉換，以滿足不同工況的需求[9-12]。

拖拉機的懸掛系統在工作時，高壓泵通過高壓泵吸油管和濾油器從液壓油箱中吸取液壓油，以滿足液壓懸掛系統的用油需要。由于高壓泵的吸油，在液壓油箱中形成一定的負壓，并且液壓油箱排氣口的通氣塞封閉排氣口，進一步維持液壓油箱的負壓環境。此時，傳動箱的油液通過三通和傳動箱與液壓油箱連通管進入液壓油箱，為液壓油箱補油，傳動箱和液壓油箱共同形成合油液壓系統。

合油的液壓系統增加了系統的有效用油量，可更多地滿足拖拉機液壓元件的用油需求，擴展了拖拉機的功能。傳動箱向液壓油箱的補油也減少了傳動系統油量過高造成的攪動生熱問題。

拖拉機在轉場或運輸過程中，高壓泵因在高速轉場和運輸過程中無負荷，高壓泵從液壓油箱吸油后經多路閥直接回油到液壓油箱，形成一個不帶負荷的液壓循環系統。液壓油回到液壓油箱，造成液壓油箱的壓力增大，可以頂開通氣塞向外排氣，維持液壓油箱內的壓力穩定。潤滑泵后吸油管的吸油面低于傳動箱與液壓油箱連通管的吸油面，這樣傳動箱中的液壓油則會優先進入潤滑泵后吸油管中，僅用于散熱和潤滑，形成一個單獨的散熱潤滑系統，此時傳動箱和液壓油箱之間形成分油系統。

3 結語

對于存在液壓油箱且液壓油箱和傳動箱相連通的液壓系統，系統壓力的變化和潤滑泵吸油口位置的選擇對系統存在極大的影響。

在本研究中，經過多次試驗和改進，尋求了一套實用的液壓系統結構，可以在拖拉機不同工況下實現分油合油自轉換。

此結構已在某型號輪式拖拉機上進行了試驗驗證，液壓系統工作良好，傳動系統不存在高溫的情況。同時，進行了批量裝車，從市場表現來看，液壓系統工作可靠，傳動系統潤滑散熱良好，達到了預想的效果。

當前，拖拉機的功能越來越多，電控液壓系統、自動駕駛及智能導航等新技術的應用使得拖拉機結構越來越復雜，本文提出的液壓系統結構可為拖拉機新產品的研發提供一些設計方面的參考。