山地割草机液压系统研究

河北农垚科技有限公司 李世可

割草机主要应用在果园种植、畜牧业及农业等行业发展中，属于小型农业机械设备的一种。而割草机的传动方式直接影响其作业质效，与割草成效存在密切联系，山地环境相对来说较为复杂，普通的割草机无法顺利完成割草任务，如果利用电力驱动的割草机落实割草作业，很难保证电力供应的充足，且驱动力难以满足作业要求。为此，需加大对山地割草机液压系统的研究力度，为割草机的实际作业提供更强的驱动力。

1 山地割草机液压系统的研发现状

传统的发展背景下，部分地区使用的割草机依然依赖于国外进口，缺少自主研发割草机的投入使用，在国家不断提高对农业机械研发的重视程度的过程中，增加了农业机械研发方面的政策与资金支持，且通过借鉴发达国家的先进割草机研发技术，为国内的割草机研究提供更强动力，使得国内部分割草机拥有更强的使用性能及更高的作业效率。但普通的割草机仅用于草坪割草，很难适应山地环境。因此，一些国内的农业机械研发企业致力于山地割草机的研究工作，可依然受到传动系统的限制，普通的传动系统无法保证山地除草质量，应该在液压系统研发方面投入更多精力和时间[1]。

2 山地割草机液压系统的设计要点

本文结合对现阶段山地割草机实际作业情况的分析，总结了山地割草机液压系统设计要求。因为割草机液压系统设计的专业性及合理性直接影响割草机整体的动态特性、工作性能及能耗等多个层面，所以，应合理明确山地割草机液压系统设计流程，了解不同环节的设计要求与设计要点，有助于强化山地割草机对作业环境的适应性。

2.1 山地割草机液压系统的基本设计要求

结合对山地地形实际情况的分析，借鉴国内外先进割草机的设计技术要求，综合考量设计成本，按照割草机液压系统的基本设计准则开展设计工作。首先，应保证山地割草机整机驱动力能满足应用需求，可承载至少一位操作者，且能实现在山地复杂崎岖环境中的正常行驶，拥有很强的山地爬坡作业能力，需保证可爬坡度达30°以上；其次，利用单泵针对整套系统中的割草机执行机构进行控制，保证能实现单泵多执行机构的复合动作，确保不同动作间不会产生相互干扰，可在液压系统流量饱和时，具备较强的抗流量饱和能力；再次，设计人员应保证山地割草机整车实现无级变速，依据割草作业需求及环境特点，设置较大的调速范围，操作人员可通过手柄控制阀口大小实现变速；最后，避免割草机整体质量超过850kg，合理控制割刀转速，保证在600～1000r/min 范围内。

2.2 编制科学完善的山地割草机液压系统设计方案

2.2.1 合理选择液压驱动系统

针对山地割草机常用的液压驱动系统而言，开式系统和闭式系统为主要类型，分类依据为液压系统中的工作介质与循环方式。其中开式液压系统中的液压油主要依托于液压泵实现由油箱向系统中的吸入，之后经由液压控制阀等主要的液压元件，由回路通回油箱，无论是马达供油还是回油环节，均离不开换向阀的作用。开式液压系统具备结构简单及系统构成灵活的特点，设计制造投入的资金和资源较少，在小型农林机械中体现出较强的适用性。但此种形式的液压系统对油箱有较高要求，需保证油箱拥有较大的容积，主要目的是为系统散热提供便利；对于闭式液压系统来说，在液压泵的作用下，液压油会被吸入到回路中，经由液压元件后不会进入油箱，与液压泵的吸油端直接连接，可在管路中使液压油形成闭环。但在液压元件的实际使用中，存在一定的泄漏，容易造成液压油浪费，所以，需要定期进行液压油的补充。而当液压系统中进入污染物时，受到整体结构及环境的限制，增加了液压系统清理难度，且成本投入相对较高，为此，应优先选择开式液压系统[2]。

2.2.2 制定可行的行走方案

因为山地多数都十分崎岖，地面凹凸不平，如果选择普通的轮式车辆进行割草，很难顺利完成任务，且普通轮式车辆不具备很强的爬坡能力，所以，应选择具备较强爬坡能力的履带式车辆。围绕对国内主要收割机、履带式割草机及果园作业平台等对应的履带行走底盘的分析，可明确履带底盘技术参数，进而编制完善的行走方案。本次设计中将两个行走液压马达设置在两边独立驱动履带两侧，可实现对割草机行进方向、行进速度及原地转向的有效控制，有助于强化行走方案的可行性，为操作人员提供便利，不仅无需使用驱动桥和变速箱，还有利于降低割草机重量。

2.2.3 重点完善液压马达驱动方案

对于山地割草机液压马达驱动方案的设计来说，常用的液压马达驱动有高速和低速两种，实际差异体现在驱动轮是否与液压马达转轴直接相连。其中高速方案设计对马达的要求较低，会采用中间过渡环节设置在液压马达与驱动轮之间，依据系统参数匹配高速液压马达，要求马达具备低扭矩、承载能力小的特点，虽然会造成一定的功率损失，且容易带来机械噪声，但无需投入较高成本；而低速马达无需设置中间过渡环节，液压马达直接与驱动轮相连接，依靠液压马达输出运行所需扭矩，此种方案体现出一定的便利性、灵活性，不会在实际实行中因中间过渡环节引发功率损失，但采用低速方案对液压马达提出较高要求，增加了液压马达方面的成本投入，在小型山地农机设计中体现出较差的适用性。综合考虑以上两种方案的优势与不足，本次研究中选择高速方案。

2.2.4 调整优化液压系统调速方案

针对山地割草机液压系统调速方案的设计而言，应明确液压缸、液压马达等液压执行元件的重要作用，合理控制此类元件的速度。一般在结束液压元件选型工作后，液压缸的液压马达排量及作用面积已经固定，为了实现对以上液压执行元件速度的调节，可进行液压系统中流量的改变。常用的调速回路有容积调速回路、节流调速回路及容积节流调速回路，本次研究中结合对山地割草机工况要求的分析，依据各类功能设计需求，选择负载敏感泵与节流阀结合的容积节流调速回路。

2.2.5 规范化设计负载敏感系统

针对负载敏感系统的设计而言，此系统属于先进液压系统的一种，具备低损耗及高效率的特点，可通过采用单向阀及梭阀的方式实现对液压执行端流量信号及负载压力的感受，并在控制阀、信号道及LS 油路的作用下向变量泵完成反馈，变量泵基于对接收信号的分析，会针对斜盘倾角大小进行调整，确保输出的压力和流量能使系统维持正常工作，且可避免出现泄漏问题，有助于减少液压系统的发热量，还能减少不必要的能耗。通常情况下，负载敏感系统需要依赖于压力补偿阀及负载敏感泵等液压元件组合而成，以压力补偿阀在液压油路中与多路阀间相对位置为依据，可实现对压力补偿阀的分类，主要分为阀后压力补偿系统和阀前压力补偿系统。其中阀前补偿系统中，一般在模拟操作阀进口位置设置压力补偿阀；而阀后压力补偿系统中，会在模拟操作阀出口位置设置压力补偿阀[3]。

综合分析两种压力补偿系统的结构特点，如果系统需要的流量较变量泵的供油能力小，则会使整个系统处于流量未饱和状态，当变量泵供油能力能满足系统运行需求时，无论采用阀前补偿系统还是阀后补偿系统，可得到相同的压力补偿效果。但是采用阀前压力补偿系统的情况下，如果存在流量饱和供应不足的现象，压力较低的支路为液体的主要流向，一旦高负载流量被低负载抢占，容易降低高负载速度；通过构建阀后压力补偿系统，能通过压力补偿达到负荷均衡的目的，针对低压回路进行压力补偿可与高压回路负载保持一致，进而让相关操作阀进出口压差相同，从而完成向各支路合理的流量分配。出于对执行机构较多及流量饱和情况发生概率较高等特点的分析，可选择阀后压力补偿系统提高整体的抗流量饱和能力。

2.3 山地割草机液压子系统的设计要点

2.3.1 工作回路设计环节的操作要点

针对山地液压割草机工作回路而言，主要涉及两个动作，即割刀的旋转及割刀机构的升降，进行山地割草机液压系统设计的过程中，要求两种动作互不干扰，且能在行进过程中实现复合动作，需合理设计变量缸敏感腔、电动机、变量泵、LS 阀、压力切断阀、阻尼孔及变量缸弹簧腔，以上为负载敏感泵的主要构成，在多路阀后设置压力补偿阀，并且选择低液阻单向阀安装在每个出口位置，主要用于实现供油功能，在单向阀的作用下，工作液压回路中的割刀升降机构与旋转液压马达进出油口最大负载压力会进入LS 油路，通过比较可向不同压力补偿阀的弹簧腔与负载敏感泵的LS 阀弹簧腔施加最大负载[4]。在保证LS 阀芯受力平衡的前提下，可保证与传递来的最大负载压力信号相比，泵的输出压力始终控制在高于常值，在此基础上要求控制泵的输出流量可满足两个负载的运动需求。此外，还能确保泵所需流量不受负载干扰，仅依靠多路阀开口进行调整，基于对阀后补偿优势的利用，可达到负载独立流量分配的目的。

2.3.2 先导装置设计环节的操作要点

结合对液控先导原理的分析，本次需设计先导装置，主要用于实现对液控换向阀的控制，技术人员通过操控手柄，可将相应的控制阀阀芯按下，如果割草机不启动，手柄需始终在中位，在弹簧力的支撑下，各个控制阀可实现先导油路与回油腔的连通，此种情况下，不会产生控制多路阀的信号，使得多路阀始终保持在中位。而当割草机启动，技术人员操控割草机进行动作的过程中，主要通过按下不同的手柄实现，例如，进行割刀马达正转操作的过程中，技术人员通过按下先导阀阀芯对应的手柄，能有效克服先导阀的弹簧力，液控先导换向阀接收到来自液压油的压力信号后，马达中会有负载敏感泵的压力油进入，实现割刀马达正转；而对于割刀马达的反转控制来说，可通过操控手柄使对应的先导阀阀芯克服弹簧力运动，通过向右运动实现割刀马达反转。

2.4 山地液压割草机液压系统设计中主要液压元件选型

液压元件的选择直接影响山地割草机的液压系统设计质量，且与山地割草机的整机成本、动力设计、系统能耗等方面存在密切联系。本次研究中结合对山地割草机设计要求的分析，严格按照液压设计手册选择液压元件，同时，将市场中的一些主流液压元件产品手册作为依据，落实液压元件的选型计算工作，之后得到相应的元件尺寸和规格，确保液压元件的动力学特征能符合实际要求，强化液压马达各项参数的科学性。在山地割草机的实际应用中，应保证拥有足够的驱动力，为此，应提高对行走液压马达选型工作的重视程度，优先采用高速方案，合理选择中间环节减速器，结合对相关设计经验的分析，应明确减速比为6，此种情况下液压马达的输出扭矩可满足实际需求，本次研究中选用BMSY160 液压马达。对于液压系统设计中其他液压元件的选择而言，依然需按照液压设计手册进行选择，且保证符合市场中主流液压元件产品手册相关要求。为了强化对整机成本的控制，应立足于经济性的角度进行液压元件的选型[5]。

3 山地割草机液压系统的未来展望

进行山地割草机液压系统设计的过程中，涉及很多专业，且与很多领域存在密切联系。从割草机整体质量的角度出发，影响其动态特性、使用性能及运行能耗的因素较多，呈多元化特点，因此，应增强设计方案优化意识，为山地割草机液压系统的未来发展提供动力。首先，因为山地割草机的作业环境较为复杂，所以，需要在设计过程中综合考量液压系统运行过程中的发热量及泄漏量等，围绕以上内容创建专门的数学模型进行验证分析；其次，应配合进行相应的虚拟仿真，搭建专门的实验平台，可突破理论设计的限制，实现对山地割草机工作回路、动态特性的综合分析，并与计算机仿真结果进行比较，进而明确山地割草机液压系统设计的可行性，确保各项数据信息的准确性。

4 结语

本文针对山地割草机液压系统设计进行了综合分析，基于传统的设计思路进行创新，即在山地农业机械上应用静液压传动系统，利用一个单泵驱动多个执行机构，可减少整机的成本投入，还能降低能耗。同时，需要在设计过程中综合考量作业环境，保证山地割草机具备良好的爬坡能力，能适应不同的山地作业环境。此外，结合实际的除草需求设计液压系统内部功能，确保能实现对不同种类动作的高效控制，有利于维持系统的稳定运行，达到科学控制山地割草机行进速度与行进方向的目的，在提高割草作业质量的基础上节约农机运行成本，进而创造更多经济效益和社会效益。