自走式番茄收獲機底盤調平液壓系統設計

陳晨

（中國鐵建重工集團新疆有限公司農機液壓所，新疆 烏魯木齊 830009）

0 引言

全球番茄種植和加工的區域主要位于地中海沿岸、美國加州以及中國的新疆和內蒙古等省份。新疆作為我國番茄種植和加工的主要地區，其產量約占全國產量的2/3，目前已成為新疆種植的支柱產業[1]。我國番茄的種植、收獲和加工已基本實現機械化作業，但就番茄收獲環節而言，收獲設備主要依賴進口，最為常見的機型有意大利的GUARESi、CORIMA，美 國 的MTS、Johnson 和commander等。相較于人工采收機械采收具有效率高、成本低及番茄損耗少的特點。由于番茄收獲機進口價格昂貴、周期長、售后服務不及時以及目前人工采收成本居高不下等諸多矛盾日漸凸顯，因此亟需加強番茄收獲機的理論研究及產品研發。

番茄收獲機主要由采收、輸送、振動分離、色選、調平、底盤調平、底盤行走及轉向等主要部件構成，底盤調平作為主要構成部分之一，其穩定性對整機采收效果的影響至關重要。當收獲機作業時，車身會因地面高低不平而產生左右傾斜，如果底盤調平系統不能正常工作，將導致輸送和色選皮帶跑偏及偏磨、色選精度下降、割刀斷裂甚至整機側翻。

本文分別以番茄收獲機底盤左右側平衡時和傾斜α角時兩種狀態下的液壓油缸受力分析為切入點，確定了油缸和泵的主要技術參數，設計底盤調平液壓系統，并對調平效果進行模擬驗證。

1 主要參數確定

1.1 整體方案介紹

本底盤調平系統采用4 根相同參數的雙作用單出桿油缸支撐，分別布置在底盤的左前、左后、右前、右后，有4個支撐點，如圖1。通過查閱相關文獻得知拖拉機和汽車的最大傾翻角和最大滑移角分別為40°和17°[2-3]，考慮到當傾斜至17°時整機已發生側滑，此時收獲的番茄聚集在車身較低側，嚴重影響色選精度，并且調平油缸行程和底盤高度也會相應增加，綜合各方面因素，將最大傾斜角設定為10°，同時為避免調平控制系統頻繁工作縮短電氣及液壓元件壽命，將番茄收獲機最小調平角設定為2°，即整機角度調平區間為2°～10°。為底盤調平油缸布置圖如圖1。

圖1 底盤調平油缸布置

1.2 底盤油缸受力分析

1.2.1 整機左右側平衡（α=0°）

圖2為車身左右平衡時的油缸受力圖。

圖2 左右油缸平衡時油缸受力圖

式中G—整機重力13.5×104N；F1—左側兩根油缸的總支撐力，N；F2—右側兩根油缸的總支撐力，N。

當傾斜角α=0°時，F1=F2。θ=8°，為左側油缸支撐力與重力方向的夾角，代入公式（1）得出F1=68163.4N。

1.2.2 整機向左傾斜至最大角度（α=10°）

整機向左傾斜至α=10°時的油缸受力如圖3。

圖3 整機向左傾斜時油缸受力圖

由力矩平衡方程[4]

式中E1—傾斜角α=0°時的重心；E2—傾斜角α=10°時的重心；EK2—重心E2作用于底盤的傾翻力臂，mm；DK2—左側兩根油缸支撐力F1作用于底盤的力臂，mm。

根據余弦定理：

式中∠K2AK1=α=10°；K1—傾斜角α=0°時橫梁右側油缸缸筒支撐點；K2—傾斜角α=10°時橫梁右側油缸缸筒支撐點；C1—傾斜角α=0°時橫梁左側油缸缸筒支撐點；C2—傾斜角α=10°時橫梁左側油缸缸筒支撐點。

其中AK1=AK2=854.2mm，∠AK1K2=85°。AC1=AC2=384mm。帶入得K1K2=149mm，C1C2=66.9mm。

式中C1K1=C2K2=710mm，為傾斜前后橫梁左右兩側油缸缸筒支撐點的距離，代入式（4）得C2K1=776.9mm。

在△C2K1K2中，cos∠K2K1C2=0.53，計算得出，HK1=79mm。

式中AE1=AE2=1 752.6mm。

式中E1O—橫梁中心點至傾斜角α=0°時重心的距離，mm；OM—橫梁中心點至左側油缸活塞桿支撐點的垂直距離，mm；E1O=1324mm，OM=380mm，得E1M=1704 mm。

式中AM—點A至底盤中心點O的垂直距離，AM=410 mm，所以∠AE1M=14°。

由于∠AE2E1=∠AE1E2，計算得出∠E2E1N=9°，NE1=301.7mm，EK2=578mm。

在△DK2C2中

式中θ—左側油缸支撐力與重力方向的夾角，且θ=∠DK2C2=8°

綜上，將上述結果代入式（2）中，F1=110 996N。

1.2.3 液壓油缸參數確定

FA、FC、FB、FD分別為左前、左后、右前、右后油缸的支撐力，且FA=FC，FB=FD。當傾斜角α=0°時4個油缸的支撐力相等，FA=FC=FB=FD=0.5F1=34082N；當整機向左傾斜α=10°時左前和左后兩根油缸的受力相等，即FA=FC=0.5F1=55498N。

液壓油缸受力如圖4。

圖4 液壓油缸受力圖

液壓系統工作壓力設定是否合理對整個系統至關重要，綜合成本、重量及附件尺寸等因素，參照農業機械液壓系統常壓力，將底盤調平系統壓力p設定為10 MPa。根據上述計算結果，當傾斜角α=0°時，F1=68163.4N，當傾斜角α=10°時，F1=110996N，因此按照α=10°時所需的油缸推力計算油缸缸徑，油缸缸徑計算公式[5-8]

式中D—油缸缸筒內徑，mm；F—油缸推力，N；p—作用于無桿腔的壓力，MPa；ηcm—油缸的機械效率，一般取0.95。

根據《液壓工程師手冊》和相關國家標準GB/T2348-1993 規定，油缸內徑D取90 mm。當活塞最大行程為2 000 mm 時，速比i與活塞桿直徑d配型為（速比×活塞桿直徑）1.33×45mm、1.46×50mm 和2×63mm。由于機器在田間作業，活塞桿動作頻繁，因此在常用的油缸速比中選擇速比較大的參數i=2，此時活塞桿直徑較粗，即d取63 mm。

當機身向左側傾斜α=10°時，左側油缸伸出直至使底盤保持水平狀態，此時油缸兩銷軸中心距為507mm，油缸安裝距為384mm（油缸完全縮回時兩銷軸中心距），因此其行程為123mm。參照《液壓工程師手冊》中關于缸徑為90mm 的油缸最大推薦行程得知，底盤調平油缸的設計行程在其推薦范圍內。綜上，底盤調平油缸參數確定為桿徑63mm，行程123mm，額定壓力為10MPa。

1.3 液壓泵參數的確定

1.3.1 液壓泵工作壓力的確定

液壓泵最大工作壓力

式中p—調平系統工作壓力，MPa；Δp—液壓泵至執行元件的壓力損失，一般為0.2～0.5MPa。

Δp取0.5MPa，計算可得pp為10.5 MPa。

1.3.2 液壓泵排量的確定

式中v1—缸筒伸出的速度，mm/s；D—無桿腔內徑，mm；q1—流入無桿腔的流量，L/min；ηcv—油缸容積效率，由于泄漏量很小，一般近似取ηcv=1。

綜合考慮調平系統的快速性、穩定性及安全性，v1設為30mm/s，即當整機傾斜至α=10°時，4s 左右使其恢復水平狀態，因此需流入無桿腔的流量應為q1=11.5 L/min。

由于左、右每側均有兩根相同參數的油缸，則油缸總需求流量q應為q=2q1=23L/min。

液壓泵流量計算公式

式中K—系統泄露系數，一般取1.1～1.3，本系統取K=1.1，計算得出qp=25.3 L/min。

式中np—泵輸入轉速，np=1800r/pm；Vp—泵排量，mL/r；ηpv—泵容積效率。

本系統選齒輪泵ηpv=0.9，則Vp=15.6 mL/r。查詢液壓設計手冊及相關樣本，選擇齒輪泵型號為CBN-F316，其基本參數為：排量16 mL/r、額定壓力16 MPa、額定轉速2 000 r/min、容積效率≥91%。

2 液壓原理設計

基于以上分析及計算結果設計出液壓原理圖，如圖5。

圖5 底盤調平液壓原理圖

機器在田間采收時，當右側車輪路況較高時，整機向左側傾斜一定角度，此時車身水平傳感器發出信號至控制器，控制器將電流輸出至電比例換向閥的右位比例電磁鐵處，壓力油經泵、單向閥、電比例換向閥及右位平衡閥進入左前油缸和左后油缸的無桿腔，從而使左側兩根油缸缸筒推動底盤上升至水平狀態，通過控制比例電磁鐵電流值的加載速度可調節底盤調平的速度。同理可分析出整機向右側傾斜一定角度的控制過程。

3 試驗

根據底盤調平液壓原理圖和廠內液壓泵站搭建試驗平臺，試驗泵站如圖6，試驗平臺原理如圖7。

圖6 試驗泵站

圖7 底盤調平試驗平臺原理圖

3.1 試驗前準備

（1）按照試驗原理圖連接相關元件及管路；

（2）根據油缸運動速度并計算流量，調節調速閥，直至泵站流量與上述計算流量相近，然后關閉球閥。

3.2 試驗過程

（1）模擬右側車輪路況較高，使整機向左側傾斜至最大角度α=10°，關閉球閥11.3 和11.2，打開球閥11.4 和11.1，調節加載閥至工作壓力，電磁換向閥右位得電，此時左前油缸和左后油缸活塞桿逐漸伸出，伸出速度可通過調節調速閥實現。

（2）模擬左側車輪路況較高，使整機向右側傾斜至最大角度α=10°，關閉球閥11.4和11.1，打開球閥11.3 和11.2，調節加載閥至工作壓力，電磁換向閥左位得電，此時右前油缸和右后油缸活塞桿逐漸伸出，伸出速度可通過調節調速閥實現。

3.3 試驗結論

試驗結果表明，本底盤調平液壓系統能夠滿足番茄收獲機在田間采收時對車身左右保持水平的需求。