某多功能旋耕机传动系统与液压系统设计

丁文洁 赵武云

摘要：针对南方水田作业特点，对某履带式多功能旋耕机的关键部件（传动系统、液压系统）进行设计。采用静态液压传动与齿轮变速箱串联无功率分流模式，实现水田旋耕作业的机液复合式无级变速。以设定为最大动力性原则的匹配方法与控制策略，进行了发动机和静液压无级传动系统匹配设计。采用压力油路控制的循环液压系统，实现了开心式液压系统设计，进而确定了液压系统主要参数。传动系统和液压系统的合理设计，为此多功能旋耕机的作业性能和工作效率的提升提供了保障。

关键词：旋耕机;履带式拖拉机;传动系统;控制策略;液压系统

0  引言

履带拖拉机[1]具有对土壤的单位面积压力小和对土壤的附着性能好等优点，在土壤潮湿及松软地带有较好的通过性能，牵引效率高。因此，至今履带拖拉机在农田作业方面依然占有主导地位[2]。履带式拖拉机与作业耕具结合，能形成适应不同农艺要求的保护性作业体系，本文针对某多功能旋耕机中的关键部件（传动系统、液压系统）进行设计，以满足南方水田耕作的特殊需求。

1  传动系统设计

针对水田作业传递功率、速度变化范围宽、作业环境恶劣、外界负荷波动频繁等问题，发动机或变速箱必须能适时地变更转速和转矩以适应负荷和行驶阻力的不断变化，保证拖拉机的动力性和燃油经济性。传统的1-5档齿轮传动变速箱，只能按照固定传动比传递功率和转速，无法满足农机对作业速度不断提高的要求。因此，根据小型履带旋耕机的农田作业要求，自主开发适用于水田旋耕作业的机液复合式无级变速系统，采用静态液压传动（Hydrostatic Transmission，简称为HST）和齿轮变速箱串联无功率分流模式的经济性方案[3]。如图1所示，该履带拖拉机静液压传动行走驱动系统主要部件由静液压传动系统、机械有级变速箱和履带行走系统组成。

液压无级变速装置的动力系统由主泵部分、马达部分、补油泵及阀部件组成。工作时，主泵由原动机带动，通过柱塞与转子孔容积腔的变化来达到产生液压能的目的。马达由液压泵提供液压能，通过马达转子与柱塞的作用驱动主轴旋转，转化为机械能，为执行元件提供扭矩。产品具有结构紧凑、体积小、重量轻、高效率、长寿命和低噪音等特点，主要应用于联合收割机及小型工程机械的行走驱动系统。

根据不同的控制算法，可以进行发动机和静液压无级传动系统匹配，本文以设定为最大动力性原则的匹配方法与控制策略进行设计。如图2所示，设定为最大动力性原则的匹配方法和控制策略下，牵引功率最大无级变速和换段规律的工程实现，其控制参数包括调速位置、发动机转速和实际传动比等，多功能旋耕机具有牵引功率大、牵引效率高和作业速度稳定等特点。

牵引功率最大无级变速和换段规律的工程实现，其控制参数包括：调速位置、发动机转速和实际传动比等，其控制图如图3所示。

2  液压系统設计

液压悬挂系统是拖拉机的工作装置[3]，是连接、控制、操纵拖拉机与农机具机组并使其实现节能高效地工作的重要系统部件。因此，对液压悬挂系统的设计要求，除了应具备性能良好、工作可靠、操纵轻便和维修简单等[4]基本要求外，还应满足下列两项要求：①悬挂系统与各种农机具的连结尺寸必须符合“农业轮式拖拉机后置式三点悬挂装置 第一部分GB /T1593.1-1996”;②液压悬挂性能应不低于《农业拖拉机通用技术条件 第4部分 履带拖拉机》GB/T15370.4-2012中规定的指标（20% MS、3S、4%和12%）。

本文液压系统为开心式，采用压力油路控制的循环液压系统（液压系统原理图如图4所示）。液压系统由齿轮泵、一杆操纵控制阀、提升油缸、转向油缸、过滤器等组成，用管路联接成一个液压循环系统。齿轮泵装在发动机上，只要发动机运转，齿轮泵就能提供液压油。提升油缸固定在变速箱后侧面，提升臂下方，立式布置，双作用。一杆操纵控制阀位于齿轮泵和提升油缸、转向油缸之间，控制系统压力和油液流动方向。一杆操纵控制阀集成了两个阀，用一个操纵杆控制两个阀的动作，向左或向右扳动操纵杆控制五位五通阀，从而控制左或右转向油缸，实现拖拉机左或右转向;向前或向后扳动操纵杆控制三位四通阀，从而控制提升油缸，实现拖拉机悬挂提升、中立、强降。过滤器位于齿轮泵进油口前，吸油管路中间，保证系统用油清洁。

液压系统主要参数确定包括：①液压提升系统的最大工作压力，即系统安全阀的开启压力。目前国内同等功率拖拉机液压系统的工作压力一般在14～18MPa，在此选定为14 MPa。②提升油缸的活塞直径与行程：参考国内外同等功率拖拉机提升器的结构尺寸，结合总体设计的协调布置、系统提升能力和工作行程的验算，确定提升器油缸缸径为45mm，工作行程180mm，数量为2个。

3  结论

根据小型履带旋耕机的农田作业要求，采用履带式拖拉机与机具协作，形成多功能旋耕机。论文对某多功能履带式旋耕机传动系统和液压系统进行了详细设计，设计结果不仅可以保证发动机的正常使用寿命，有利于改善农用拖拉机的动力性和燃油经济性，还可以提高农机作业效率和可靠性，对此类多功能旋耕机的设计具有一定的参考意义。

参考文献：

[1]徐飞军，黄文倩，陈立平.履带拖拉机软土地行走动力学仿真[J].农机化研究，2009，31（12）：204-207.

[2]周彦春，李红阳，魏灿苗，等.遥控水田旋耕机控制系统开发[J].时代农机，2018，45（5）：213-214.

[3]谢凌云.大马力拖拉机电液悬挂系统耕深自动控制研究[D].江苏：江苏大学，2016.

[4]杜娟.履带车辆底盘-液压转向操纵机构设计[J].科学与财富，2015（2）：154-155.