一种避障割草机液压系统的设计

李长伟

（常州汉森机械股份有限公司，江苏常州 213000）

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避障割草机是一种适用于果园、带护栏公路等含有障碍物区域的割草作业机器。该机器通过机械或液压方式控制割草头偏转或平移来实现避让障碍物的功能。但市面上的避障割草机存在以下几个问题：①机械避让的割草机是通过让障碍物来挤推割草头来实现避让的，这种避让方式在果园进行作业时容易造成果树的损伤；②部分液压控制的避障割草机其避让速度无法与机具的行进速度匹配，导致割草头容易磕碰障碍物，对障碍物或机器造成损伤。

本项目针对这样的问题开发了一种新的避障割草机，该项目属于挂接式属具，通过拖拉机或其他移动设备（以下统称为移动设备）的挂接并且为该避障割草机提供动力来带动其工作。该项目采用液压控制割草头避让，通过对液压系统进行优化设计，增加了该项目的适用范围，并且简化系统、提升产品的可靠性，同时也解决了避让速度与行驶速度的匹配问题（图1）。

图1 避障割草机基本结构

1 设计要求

该项目采用移动设备的液压输出作为动力，动作元件包括液压马达和偏转油缸。由于各种移动设备的液压输出流量不一致，所以要求能够恒定进入系统的流量，以保证所有动作元件始终保持在设计要求的速度下工作；液压输出的进油和回油方向会由于人为的误操作而出现反向的情况，因此该系统需要对这一情况起到保护作用，防止由于机手误操作而导致系统元件损坏；液压马达通过皮带来驱动四个割草刀盘工作，要求在工作时刻保持转速稳定；偏转油缸用来控制割草头偏转，实现避让动作，要求响应及时，动作连贯无卡顿；同时对应不同的作业时速，也要求割草头偏转的速度可以和作业时速相匹配，降低操作手操纵难度。

2 系统方案设计

该系统采用移动设备上的一组液压输出作为动力输入，在输入端采用调速阀来保证进入系统内部的流量控制在设计流量范围内，同时系统入口的单向阀可以防止机手误操作而导致液压油从系统回油口进入，对系统和液压元件造成损坏。液压马达和偏转回路采用串联连接，优先保证液压马达的供油，偏转回路的换向阀采用两位换向阀，在不操纵换向阀时，液压油通过换向阀进入偏转油缸大腔，使得割草头始终保持在正常工作状态，当障碍物触发换向阀换向时，液压油通过换向阀进入偏转油缸的小腔，油缸缩短，从而带动连接在油缸一端的割草头进行回转避让。为了实现避让速度与行驶速度的匹配，在偏转回路中增加调速阀，通过调节进入偏转油缸的流量来得到合适的避让速度。当偏转油缸动作结束后，液压油会通过换向阀内部的溢流阀流出经散热器回到移动设备中（图2）。

图2 液压原理图

3 设计计算

3.1 设计计算输入

避障割草机工作时速2 km/h，割草刀盘切割转速3500 rpm，共有4个割草刀盘，每个刀盘工作直径D=35 cm，每个刀盘的切割阻力f≈2 kg，马达至刀盘的传动比1：2。通过结构设计得到油缸行程S=280 mm，要求偏转油缸伸长时间在≤2.5 s，缩回时间，割草头部分重量70 kg，偏转结构采用轴承连接，偏转阻力矩很小，可忽略不计。该项目适配20～50 Hp移动设备，移动设备的液压输出压力在17 MPa左右，流量25～35 L/min，这里取最小流量Q=25 L/min作为该项目系统的额定流量。

3.2 计算过程

3.2.1 马达参数设计计算

3.2.2 油缸计算

考虑割草头在地上拖行时偏转油缸需要有足够的推力将割草头固定在工作位置，通过结构计算油缸大腔的作用力F≥4000 N，这里取4000 N。由于割草头重量较轻，割草头避让时所需的油缸作用力很小，忽略不计。通过对油缸结构稳定性分析，这里取油缸缸径D=40 mm，杆径d=25 mm。

油缸工作所需的压力：

再考虑油缸所需的启动压力≤0.5 Mpa，综合考虑油缸所需的工作压力≥3.68 MPa。

油缸大腔（油缸伸出）所需流量：

油缸小腔（油缸缩回）所需流量：

综上，偏转系统的流量需求取9 L/min，则偏转回路中的调速阀调定流量9 L/min。

3.3 验算系统性能

3.3.1 验算系统压力损失

由于系统管路较短、弯头较少，所以管路的沿程压力损失和局部压力损失忽略不计。

额定流量下有关阀的局部压力损失：调速阀0.7 MPa，换向阀0.3 MPa

3.3.2 验算系统温升

1）系统的发热功率。该系统的执行元件包括液压马达和换向阀以及溢流阀，其中马达效率取均值85%，移动设备液压输出最大压力17 MPa，除去系统损失1.104 MPa，油缸动作所需3.68 MPa，马达最大工作压差12.216 MPa，马达工作流量Q=25 L/min。

2）冷却能力验算。由于系统没有油箱，需要配备散热器，现选择型号AH0607T散热器，散热面积1 m2，散热功率1.05 kW。

该散热器满足要求。

4 液压元件选择

通过上述计算分析，各液压元件技术参数见表1。

表1 各液压元件技术参数

5 结语

本系统通过从移动设备上直接取液压动力，省去了液压泵及油箱部分，简化了系统结构，进口端的单向阀可以保证系统工作安全，调速阀则能让系统内的工作元件始终在设计的速度下工作。采用串联方式同时控制马达以及偏转油缸工作，在保证马达平稳工作的情况下，也能为偏转回路提供稳定的液压动力。再通过调节偏转回路中的调速阀，让偏转油缸的动作和割草机的工作时速相匹配，提升整机工作的流畅性。在系统末端的增加散热器，可以将系统温度始终控制在许可的工作温度下，为整机长时间工作提供了保障。