液压技术在机耕船中的应用研究

易 飞，陈新元，程志文

（1.武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉 430081；2.武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室；3.武汉华友天宇科技有限公司）

0 引言

农业机械的发展已经进入了一个崭新的时代，农业装备已从传统的功能型逐步向信息化、智能化方向发展[1]。机耕船从发明到现在已有60余年的时间，但基本没有大的技术革新，相比其他新型农业机械，机耕船相关技术发展缓慢，已越来越不适应现代农业机械的发展要求[2-3]。如何对机耕船进行技术改造并充分发挥机耕船在特殊作业条件下的优越性，提高其自动化和智能化水平，是农业机械科研人员需要考虑的问题，本文以厂家现有湖北简易型机耕船为改造对象，开发一款适用于深水田耕种的结构轻巧、造价低廉、机动性强的全液压驱动机耕船。

1 传统机耕船机械结构和缺陷

1.1 传统机耕船总体结构

传统机耕船主要由行走机构、转向机构、驱动轮深度调节机构和换轮机构四个部分组成。整机是在船体上安装一台柴油机，动力通过两级三角皮带和一级减速齿轮传至两后驱动轮，通过铁轮或者轮胎与土壤的作用力实现行走。转向机构采用皮带张紧轮式转向，船体底部与驱动轮连接处配置有驱动轮深度调节装置，可以调节驱动轮和船体的距离。传统型机耕船总体结构如图1。

1.2 传统机耕船存在的缺陷

根据厂家技术人员反应和对机耕船相关文献的深入研究可以发现传统机耕船有以下几个方面的不足[4]：

（1）一级和二级传动均为皮带传动，机械效率较低；

（2）外包带式制动装置技术简陋，容易缠绕水草和附着泥巴，阻碍机耕船行驶，降低工作效率；

（3）皮带张紧转向机构可靠性差，转向时皮带磨损加大容易导致皮带寿命降低，输出功率减小；

（4）产品档位单一，机动性差，无法选择合适的档位且无倒车档；

（5）驱动叶轮入土深度调整需停机操作、劳动强度大，影响作业效率；

（6）当机耕船以较小半径转向时可能出现发动机功率不足或外侧轮严重打滑现象而使转向困难。

2 机耕船液压系统总体布置

机耕船液压系统总体布置设计原理如图2。液压行走系统和转向系统负责船体的前进、后退和转向，驱动轮入土深度调节液压系统负责调节船体的离地间隙，换轮液压系统负责机耕船的轮胎更换。

3 机耕船液压行走系统设计

3.1 液压行走系统设计路线

通过对各种液压行走系统的分析，结合机耕船具体工作特性，本文设计的液压行走系统的基本传动路线为：发动机将动力通过分动箱传递给液压泵，液压泵通过内部转换将机械能转化为液压能驱动行走马达，行走马达通过轮边减速器最终驱动机耕船两后轮转动。液压行走系统设计路线如图3。

3.2 液压行走系统的确定

3.2.1 调速回路的选择

在液压系统中往往需要调节执行元件的运动速度以达到设备的工作要求。液压系统的执行元件主要是液压马达和液压油缸。执行元件的运动速度与输入液压油的流量和自身几何参数有关。常见的调速回路有节流调速回路、容积调速回路和容积节流调速回路。由于节流调速回路存在节流损失，速度受负载变化影响较大，机耕船作业环境复杂、负载变化较大，所以本文不考虑节流调速回路，选取容积调速回路。因变量泵和变量马达比定量泵、定量马达价格高，综合各因素本设计选取双泵供油的调速回路。

3.2.2 同步回路的确定

在液压系统中，遇到需要两个执行元件速度或位置同步的时候就需要采用同步回路。目前常用的同步回路有液压缸机械联结的同步回路、采用调速阀的同步回路、采用分流阀的同步回路、采用串联液压缸的同步回路和采用同步马达的同步回路。这几种回路各有各的特点，因机耕船的执行元件为行走马达，直线行走时需保证进入两个行走马达的流量相同，采用创新设计的分流阀，解决了现有分流阀回路中压力损失大、分流精度不高等问题，同时满足了机耕船行走转向系统的设计要求。

3.2.3 压力控制回路的选择

在液压系统中泵的压力随负载变化，这时需要防止过载，因此使用溢流阀作为安全阀。正常工作时溢流阀处于常闭状态，过载时打开阀口溢流，使压力不再升高[5]。

基于以上选择的基本回路进行综合设计，机耕船液压行走系统原理如图4。该系统包括油箱、滤油器、双联泵、单向阀、二位二通电磁换向阀、溢流阀、三位四通电磁换向阀、行走转向阀和行走马达。机耕船液压行走系统工作原理如下：

（1）三档前进

三档的实现是靠双联泵的组合来实现的，当小泵单独向行走马达供油时为一档，当大泵单独向行走马达供油时为二档，当大、小泵一起向行走马达供油时为三档。以一档为机耕船作业时油路走向如下：

按下启动按钮，小泵开始工作，同时1YA、2YA、3YA得电。

进油路：油箱1→滤油器2→小泵3→三位四通电磁换向阀9P口到A口→新型比例分流集流阀12→行走马达13、14下进上出。

回油路：行走马达13、14上→三位四通电磁换向阀9B口到T口→油箱。

（2）三档后退

后退时1YA、2YA、4YA得电，3YA失电。还是以一档为例油路走向如下：

进油路：油箱1→滤油器2→小泵3→三位四通电磁换向阀9P口到B口→新型比例分流集流阀12→行走马达13、14上进下出。

回油路：行走马达13、14下→三位四通电磁换向阀9A口到T口→油箱。

4 机耕船转向液压系统设计

本文设计的机耕船转向功能是根据差速转向原理开发而成。通过控制机耕船左右两个行走马达的转速使其形成速差，从而使左右驱动轮的驱动力发生变化，达到转向的要求。左右行走马达的转速是通过改变进入行走马达的流量来控制的。当液压泵流过的液压油进入行走转向阀时，通过控制阀芯的位移来实现左右分流口过流面积的变化，从而控制进入左右行走马达的流量实现转向。

行走转向阀的结构如图5，主要由阀芯、带减速器的伺服电机、阀套、弹簧、挡板和压力传感器等部分组成。阀体有一个进油口P和两个出油口A、B，在出口压力相同的情况下，出油口流量的分配主要由阀芯上节流口的过流面积决定，节流口的过流面积的大小由阀芯的位置控制。

当机耕船直线行驶时阀芯处于中位，A、B端节流口的过流面积相等，此时通过进油口P分流到A、B出油口的流量相等。由于机耕船工作环境复杂，当机耕船直线行驶路面不平时，会导致驱动轮两侧受力情况不一样，从而导致A、B出口端压力不一样，一个驱动轮转速加大，另一个驱动轮速度降低甚至停止，即发生打滑现象。应用该行走转向阀可以实现强制分流，使机耕船驱动轮强制同步。当A、B出油口的压力不相等时，压力传感器收集到压差信号后通过智能控制模块处理后输出一个信号至伺服电机，使其驱动阀芯移动，从而使流量增大的一侧过流面积减少，流量减小的一侧过流面积增大，最终使两侧行走马达转速相同。

5 机耕船驱动轮入土深度调节液压系统和换轮系统设计

5.1 驱动轮入土深度调节方案设计

驱动轮入土深度实质上就是改变船底的离地间隙[6]，图6为驱动轮入土深度调节液压系统原理，主要由三位四通电磁换向阀、液控单向阀、单向节流阀、双作用单杆活塞缸和压力计组成。利用液压缸来调节驱动机组和轮轴与船底之间的距离，利用液压锁紧回路通过液压缸的伸缩来调节地距，当调整到合适地距后，通过换向阀的中位“Y”型机能和液控单向阀来实现液压缸紧锁，保持高度稳定不变。

利用液压传动原理设计的驱动轮入土深度调节系统相较于机械传动有如下优点：

（1）将凸轮机构的转动力矩转化为平面和液压缸壁上的压强，减少了机械碰撞与摩擦，同时又有液压油作为缓冲，机构的寿命更长，所能承受的载荷增大。

（2）结构简单紧凑，只需要几个元件和管路就可以实现复杂的机械传动所能实现的目的，更加节省空间和成本。

5.2 换轮液压系统设计

换轮系统的工作流程：通过改变船底与地面的相对距离，将驱动轮抬离地面；操作人员更换相应功能的轮胎；船身下落直至驱动轮接触地面，液压缸完全收缩回船体内。

本设计将采用两个单杆活塞液压缸，位置设置在整船的重心处，液压缸的上端为无杆腔，固定在船内顶部。需要换轮时，两根活塞杆外伸，配合机耕船两个前轮，将船尾部及后轮顶起，换轮系统原理如图7。具体元器件包括：三位四通电磁换向阀、液控单向阀、平衡阀、双作用单杆活塞缸和压力计。

该系统仍使用液压缸锁紧回路，不同于驱动轮入土深度调节回路，无论是活塞杆伸出还是缩回，只要活塞杆仍接触地面，则液压缸下端无杆腔始终负有整船重量的压力。当活塞杆从地面回收至船体内时，液压缸受压力负载，有杆腔受压，同时泵向有杆腔供油，有杆腔还承受回路压力，而上方无杆腔压力在忽略管路背压时压力几乎为零，故液压缸会在电磁铁10YA通电瞬间，有杆腔压力迅速增大，从而导致活塞杆迅速回缩，使船体与地面发生剧烈机械碰撞。因此采用在无杆腔回路设计安装液控单向平衡阀来解决这一问题，将调压弹簧的启动压力设置为略高于无杆腔的船重负载压力。

机耕船液压换轮系统工作原理如下：

（1）当电磁铁9YA通电时，泵向上方无杆腔供油，活塞杆外伸，没有接触地面时无杆腔无负载；当活塞杆接触地面时，上方无杆腔受压，直至将驱动轮完全抬离地面。

（2）当电磁换向阀中位时，活塞杆自锁，有杆腔受压力，保持船身高度不变。

（3）当电磁铁10YA通电时，泵向有杆腔供油，有杆腔受压增加，由于液控单向平衡阀的作用，无杆腔管路不会瞬间导通，当有杆腔压力达到平衡阀调定压力，平衡阀右位导通，节流阀接入无杆腔管路，活塞杆缓慢匀速缩回；当活塞杆离开地面时，有杆腔压力因失去船重压力负载而瞬间减小，平衡阀复位，活塞杆立即停止回缩，一段时间后，有杆腔压力再次达到平衡阀弹簧调定压力，右位节流阀再次接入无杆腔管路，活塞杆缓慢缩回直至终点。

6 结论

传统机耕船行走系统为机械式，存在传动结构复杂、传动级数较多，行驶速度仅靠油门的大小控制，可调速度很小且无后退档等诸多问题。本文提出了机耕船行走系统改造方案，该系统采用液压传动，除了具有液压传动系统结构简单，故障率低，安装维修方便等共性优点外还具有以下特点：

（1）系统传动效率高，在变速期间损失功率小、对能源的消耗率较低，同时具有较高的传动区间；

（2）传动系统在作业突发紧急情况时能立刻切断动力传递，并且系统具有较强的抗干扰能力；

（3）具有三档调速功能，能实现双向调速，且调速范围较大；

（4）增加配套的控制单元和传感器等，使其实现智能控制。