液壓技術(shù)在機耕船中的應(yīng)用研究

易 飛，陳新元，程志文

（1.武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點實驗室；3.武漢華友天宇科技有限公司）

0 引言

農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展已經(jīng)進入了一個嶄新的時代，農(nóng)業(yè)裝備已從傳統(tǒng)的功能型逐步向信息化、智能化方向發(fā)展[1]。機耕船從發(fā)明到現(xiàn)在已有60余年的時間，但基本沒有大的技術(shù)革新，相比其他新型農(nóng)業(yè)機械，機耕船相關(guān)技術(shù)發(fā)展緩慢，已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展要求[2-3]。如何對機耕船進行技術(shù)改造并充分發(fā)揮機耕船在特殊作業(yè)條件下的優(yōu)越性，提高其自動化和智能化水平，是農(nóng)業(yè)機械科研人員需要考慮的問題，本文以廠家現(xiàn)有湖北簡易型機耕船為改造對象，開發(fā)一款適用于深水田耕種的結(jié)構(gòu)輕巧、造價低廉、機動性強的全液壓驅(qū)動機耕船。

1 傳統(tǒng)機耕船機械結(jié)構(gòu)和缺陷

1.1 傳統(tǒng)機耕船總體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)機耕船主要由行走機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、驅(qū)動輪深度調(diào)節(jié)機構(gòu)和換輪機構(gòu)四個部分組成。整機是在船體上安裝一臺柴油機，動力通過兩級三角皮帶和一級減速齒輪傳至兩后驅(qū)動輪，通過鐵輪或者輪胎與土壤的作用力實現(xiàn)行走。轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用皮帶張緊輪式轉(zhuǎn)向，船體底部與驅(qū)動輪連接處配置有驅(qū)動輪深度調(diào)節(jié)裝置，可以調(diào)節(jié)驅(qū)動輪和船體的距離。傳統(tǒng)型機耕船總體結(jié)構(gòu)如圖1。

1.2 傳統(tǒng)機耕船存在的缺陷

根據(jù)廠家技術(shù)人員反應(yīng)和對機耕船相關(guān)文獻的深入研究可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)機耕船有以下幾個方面的不足[4]：

（1）一級和二級傳動均為皮帶傳動，機械效率較低；

（2）外包帶式制動裝置技術(shù)簡陋，容易纏繞水草和附著泥巴，阻礙機耕船行駛，降低工作效率；

（3）皮帶張緊轉(zhuǎn)向機構(gòu)可靠性差，轉(zhuǎn)向時皮帶磨損加大容易導(dǎo)致皮帶壽命降低，輸出功率減小；

（4）產(chǎn)品檔位單一，機動性差，無法選擇合適的檔位且無倒車檔；

（5）驅(qū)動葉輪入土深度調(diào)整需停機操作、勞動強度大，影響作業(yè)效率；

（6）當(dāng)機耕船以較小半徑轉(zhuǎn)向時可能出現(xiàn)發(fā)動機功率不足或外側(cè)輪嚴(yán)重打滑現(xiàn)象而使轉(zhuǎn)向困難。

2 機耕船液壓系統(tǒng)總體布置

機耕船液壓系統(tǒng)總體布置設(shè)計原理如圖2。液壓行走系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)負(fù)責(zé)船體的前進、后退和轉(zhuǎn)向，驅(qū)動輪入土深度調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)船體的離地間隙，換輪液壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)機耕船的輪胎更換。

3 機耕船液壓行走系統(tǒng)設(shè)計

3.1 液壓行走系統(tǒng)設(shè)計路線

通過對各種液壓行走系統(tǒng)的分析，結(jié)合機耕船具體工作特性，本文設(shè)計的液壓行走系統(tǒng)的基本傳動路線為：發(fā)動機將動力通過分動箱傳遞給液壓泵，液壓泵通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能驅(qū)動行走馬達，行走馬達通過輪邊減速器最終驅(qū)動機耕船兩后輪轉(zhuǎn)動。液壓行走系統(tǒng)設(shè)計路線如圖3。

3.2 液壓行走系統(tǒng)的確定

3.2.1 調(diào)速回路的選擇

在液壓系統(tǒng)中往往需要調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運動速度以達到設(shè)備的工作要求。液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要是液壓馬達和液壓油缸。執(zhí)行元件的運動速度與輸入液壓油的流量和自身幾何參數(shù)有關(guān)。常見的調(diào)速回路有節(jié)流調(diào)速回路、容積調(diào)速回路和容積節(jié)流調(diào)速回路。由于節(jié)流調(diào)速回路存在節(jié)流損失，速度受負(fù)載變化影響較大，機耕船作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、負(fù)載變化較大，所以本文不考慮節(jié)流調(diào)速回路，選取容積調(diào)速回路。因變量泵和變量馬達比定量泵、定量馬達價格高，綜合各因素本設(shè)計選取雙泵供油的調(diào)速回路。

3.2.2 同步回路的確定

在液壓系統(tǒng)中，遇到需要兩個執(zhí)行元件速度或位置同步的時候就需要采用同步回路。目前常用的同步回路有液壓缸機械聯(lián)結(jié)的同步回路、采用調(diào)速閥的同步回路、采用分流閥的同步回路、采用串聯(lián)液壓缸的同步回路和采用同步馬達的同步回路。這幾種回路各有各的特點，因機耕船的執(zhí)行元件為行走馬達，直線行走時需保證進入兩個行走馬達的流量相同，采用創(chuàng)新設(shè)計的分流閥，解決了現(xiàn)有分流閥回路中壓力損失大、分流精度不高等問題，同時滿足了機耕船行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求。

3.2.3 壓力控制回路的選擇

在液壓系統(tǒng)中泵的壓力隨負(fù)載變化，這時需要防止過載，因此使用溢流閥作為安全閥。正常工作時溢流閥處于常閉狀態(tài)，過載時打開閥口溢流，使壓力不再升高[5]。

基于以上選擇的基本回路進行綜合設(shè)計，機耕船液壓行走系統(tǒng)原理如圖4。該系統(tǒng)包括油箱、濾油器、雙聯(lián)泵、單向閥、二位二通電磁換向閥、溢流閥、三位四通電磁換向閥、行走轉(zhuǎn)向閥和行走馬達。機耕船液壓行走系統(tǒng)工作原理如下：

（1）三檔前進

三檔的實現(xiàn)是靠雙聯(lián)泵的組合來實現(xiàn)的，當(dāng)小泵單獨向行走馬達供油時為一檔，當(dāng)大泵單獨向行走馬達供油時為二檔，當(dāng)大、小泵一起向行走馬達供油時為三檔。以一檔為機耕船作業(yè)時油路走向如下：

按下啟動按鈕，小泵開始工作，同時1YA、2YA、3YA得電。

進油路：油箱1→濾油器2→小泵3→三位四通電磁換向閥9P口到A口→新型比例分流集流閥12→行走馬達13、14下進上出。

回油路：行走馬達13、14上→三位四通電磁換向閥9B口到T口→油箱。

（2）三檔后退

后退時1YA、2YA、4YA得電，3YA失電。還是以一檔為例油路走向如下：

進油路：油箱1→濾油器2→小泵3→三位四通電磁換向閥9P口到B口→新型比例分流集流閥12→行走馬達13、14上進下出。

回油路：行走馬達13、14下→三位四通電磁換向閥9A口到T口→油箱。

4 機耕船轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的機耕船轉(zhuǎn)向功能是根據(jù)差速轉(zhuǎn)向原理開發(fā)而成。通過控制機耕船左右兩個行走馬達的轉(zhuǎn)速使其形成速差，從而使左右驅(qū)動輪的驅(qū)動力發(fā)生變化，達到轉(zhuǎn)向的要求。左右行走馬達的轉(zhuǎn)速是通過改變進入行走馬達的流量來控制的。當(dāng)液壓泵流過的液壓油進入行走轉(zhuǎn)向閥時，通過控制閥芯的位移來實現(xiàn)左右分流口過流面積的變化，從而控制進入左右行走馬達的流量實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

行走轉(zhuǎn)向閥的結(jié)構(gòu)如圖5，主要由閥芯、帶減速器的伺服電機、閥套、彈簧、擋板和壓力傳感器等部分組成。閥體有一個進油口P和兩個出油口A、B，在出口壓力相同的情況下，出油口流量的分配主要由閥芯上節(jié)流口的過流面積決定，節(jié)流口的過流面積的大小由閥芯的位置控制。

當(dāng)機耕船直線行駛時閥芯處于中位，A、B端節(jié)流口的過流面積相等，此時通過進油口P分流到A、B出油口的流量相等。由于機耕船工作環(huán)境復(fù)雜，當(dāng)機耕船直線行駛路面不平時，會導(dǎo)致驅(qū)動輪兩側(cè)受力情況不一樣，從而導(dǎo)致A、B出口端壓力不一樣，一個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速加大，另一個驅(qū)動輪速度降低甚至停止，即發(fā)生打滑現(xiàn)象。應(yīng)用該行走轉(zhuǎn)向閥可以實現(xiàn)強制分流，使機耕船驅(qū)動輪強制同步。當(dāng)A、B出油口的壓力不相等時，壓力傳感器收集到壓差信號后通過智能控制模塊處理后輸出一個信號至伺服電機，使其驅(qū)動閥芯移動，從而使流量增大的一側(cè)過流面積減少，流量減小的一側(cè)過流面積增大，最終使兩側(cè)行走馬達轉(zhuǎn)速相同。

5 機耕船驅(qū)動輪入土深度調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)和換輪系統(tǒng)設(shè)計

5.1 驅(qū)動輪入土深度調(diào)節(jié)方案設(shè)計

驅(qū)動輪入土深度實質(zhì)上就是改變船底的離地間隙[6]，圖6為驅(qū)動輪入土深度調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)原理，主要由三位四通電磁換向閥、液控單向閥、單向節(jié)流閥、雙作用單桿活塞缸和壓力計組成。利用液壓缸來調(diào)節(jié)驅(qū)動機組和輪軸與船底之間的距離，利用液壓鎖緊回路通過液壓缸的伸縮來調(diào)節(jié)地距，當(dāng)調(diào)整到合適地距后，通過換向閥的中位“Y”型機能和液控單向閥來實現(xiàn)液壓缸緊鎖，保持高度穩(wěn)定不變。

利用液壓傳動原理設(shè)計的驅(qū)動輪入土深度調(diào)節(jié)系統(tǒng)相較于機械傳動有如下優(yōu)點：

（1）將凸輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)動力矩轉(zhuǎn)化為平面和液壓缸壁上的壓強，減少了機械碰撞與摩擦，同時又有液壓油作為緩沖，機構(gòu)的壽命更長，所能承受的載荷增大。

（2）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，只需要幾個元件和管路就可以實現(xiàn)復(fù)雜的機械傳動所能實現(xiàn)的目的，更加節(jié)省空間和成本。

5.2 換輪液壓系統(tǒng)設(shè)計

換輪系統(tǒng)的工作流程：通過改變船底與地面的相對距離，將驅(qū)動輪抬離地面；操作人員更換相應(yīng)功能的輪胎；船身下落直至驅(qū)動輪接觸地面，液壓缸完全收縮回船體內(nèi)。

本設(shè)計將采用兩個單桿活塞液壓缸，位置設(shè)置在整船的重心處，液壓缸的上端為無桿腔，固定在船內(nèi)頂部。需要換輪時，兩根活塞桿外伸，配合機耕船兩個前輪，將船尾部及后輪頂起，換輪系統(tǒng)原理如圖7。具體元器件包括：三位四通電磁換向閥、液控單向閥、平衡閥、雙作用單桿活塞缸和壓力計。

該系統(tǒng)仍使用液壓缸鎖緊回路，不同于驅(qū)動輪入土深度調(diào)節(jié)回路，無論是活塞桿伸出還是縮回，只要活塞桿仍接觸地面，則液壓缸下端無桿腔始終負(fù)有整船重量的壓力。當(dāng)活塞桿從地面回收至船體內(nèi)時，液壓缸受壓力負(fù)載，有桿腔受壓，同時泵向有桿腔供油，有桿腔還承受回路壓力，而上方無桿腔壓力在忽略管路背壓時壓力幾乎為零，故液壓缸會在電磁鐵10YA通電瞬間，有桿腔壓力迅速增大，從而導(dǎo)致活塞桿迅速回縮，使船體與地面發(fā)生劇烈機械碰撞。因此采用在無桿腔回路設(shè)計安裝液控單向平衡閥來解決這一問題，將調(diào)壓彈簧的啟動壓力設(shè)置為略高于無桿腔的船重負(fù)載壓力。

機耕船液壓換輪系統(tǒng)工作原理如下：

（1）當(dāng)電磁鐵9YA通電時，泵向上方無桿腔供油，活塞桿外伸，沒有接觸地面時無桿腔無負(fù)載；當(dāng)活塞桿接觸地面時，上方無桿腔受壓，直至將驅(qū)動輪完全抬離地面。

（2）當(dāng)電磁換向閥中位時，活塞桿自鎖，有桿腔受壓力，保持船身高度不變。

（3）當(dāng)電磁鐵10YA通電時，泵向有桿腔供油，有桿腔受壓增加，由于液控單向平衡閥的作用，無桿腔管路不會瞬間導(dǎo)通，當(dāng)有桿腔壓力達到平衡閥調(diào)定壓力，平衡閥右位導(dǎo)通，節(jié)流閥接入無桿腔管路，活塞桿緩慢勻速縮回；當(dāng)活塞桿離開地面時，有桿腔壓力因失去船重壓力負(fù)載而瞬間減小，平衡閥復(fù)位，活塞桿立即停止回縮，一段時間后，有桿腔壓力再次達到平衡閥彈簧調(diào)定壓力，右位節(jié)流閥再次接入無桿腔管路，活塞桿緩慢縮回直至終點。

6 結(jié)論

傳統(tǒng)機耕船行走系統(tǒng)為機械式，存在傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動級數(shù)較多，行駛速度僅靠油門的大小控制，可調(diào)速度很小且無后退檔等諸多問題。本文提出了機耕船行走系統(tǒng)改造方案，該系統(tǒng)采用液壓傳動，除了具有液壓傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，安裝維修方便等共性優(yōu)點外還具有以下特點：

（1）系統(tǒng)傳動效率高，在變速期間損失功率小、對能源的消耗率較低，同時具有較高的傳動區(qū)間；

（2）傳動系統(tǒng)在作業(yè)突發(fā)緊急情況時能立刻切斷動力傳遞，并且系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力；

（3）具有三檔調(diào)速功能，能實現(xiàn)雙向調(diào)速，且調(diào)速范圍較大；

（4）增加配套的控制單元和傳感器等，使其實現(xiàn)智能控制。