农业行走机械转向力对比与试验分析

雷迪迪，胡玉鹏，王翔

（1.中国铁建重工集团股份有限公司，湖南 长沙 410000；2.铁建重工新疆有限公司）

0 引言

农业行走机械的转向机构的性能影响着农业机械转向[1]，全液压转向机构在农业行走机械领域的推广应用提升了农业机械的智能化率和生产率。农业机械在收获时如果全液压转向机构的转向力矩不足，在田间的转弯性能就会受限，导致转向半径增大，影响农业行走机械的转向。因此，开展转向力计算对比及试验分析等研究以及分析转向油缸的压力变化可为农机转向桥的设计提供参考。

1 转向机构原理

横置液压缸式转向机构（图1）的结构参数包括主销距M，液压偏置距E，转向节臂长R，连杆长L0和液压杆长D，通过横置液压缸的左右运动来推动拉杆，带动转向节臂绕主销旋转进而带动轮胎的旋转，并通过内转向与外转角的不同来实现转向（图2），液压缸的推力需要克服地面对轮胎的转向力矩。

图1 横置液压缸式转向机构示意

图2 阿克曼转向原理图

根据阿克曼（Ackerman）转向理论[2]，内轮、外轮转向需要满足以下关系：

式中α—外转角，°；β—内转角，°；M—转向力矩，N·m；L—前后轮轴距，m。

根据研究及分析[3-8]，转向机构各零件的尺寸参数确定后，液压缸的推力和拉力仅与地面对轮胎的转向力矩、内转角和外转角有关。

2 转向力矩计算

2.1 雷索夫推荐公式

2.2 塔布莱克推荐公式

式中ξ—有效摩阻系数，根据a/b值选取（图3）；G1—车桥载荷，N；a—主销偏置距；b—轮胎宽度，mm。

图3 a/b 值选取

图4 4QZ-6000 青贮机厂内原地转弯试验

2.3 农机转向经验公式

式中G—车桥载荷，N；e—主销偏置距，mm；b—轮胎宽度，mm；μ—轮胎与地面间的滑动摩擦系数，取0.7。

2.4 汽车转向公式

式中μ—轮胎与地面间的滑动摩擦系数，取0.7；G1—车桥载荷，N；e—主销偏置距，mm；P—轮胎气压，kPa。

3 转向油缸计算

转向油缸[9]所需推力为：

式中M—转向阻力距（根据不同经验公式计算选取），N/m；r—液压缸作用在转向节上最小力臂，m。

转向油缸力为：

式中D—转向油缸缸径，mm；d—转向油缸杆径，mm；P—转向油缸压力，MPa。

通过转向油缸所需推力与转向油缸力的计算对比，转向油缸力需大于转向油缸所需推力转向桥才能转向。

4 对比分析

根据4QZ-6000 型6 m 青贮机所用转向桥进行计算，其主要参数如下：

桥荷重量（t）9.5

有效摩擦系数0.22

主销偏置距（mm）170

油缸工作压力（MPa）16

轮胎与地面间滑动摩擦系数0.7

轮胎自由半径（mm）783

轮胎宽度（mm）550

缸径（mm）88

轮胎的滚动摩擦系数0.02

轮胎静力半径（mm）732

轮胎气压（kPa）320

杆径（mm）42

根据雷索夫推荐公式、塔布莱克推荐公式、农机转向经验公式和汽车转向经验公式4 种公式的计算，转向阻力的平均值为58 032N，根据农机转向经验公式计算出转向阻力最大为66 387N，超出平均值14.4%；根据塔布莱克推荐公式计算出转向阻力最小为51 499N，低于平均值11.3%（表1）。转向阻力最大值、最小值与平均值误差范围均在15%以内，表示4 种不同经验公式计算的转向阻力误差较小。

表1 不同经验公式计算对比表

5 试验

在沥青路面、水泥路面上和厂区内对4QZ-6000青贮机进行原地转弯试验，分别调整发动机至低、中、高转速并匹配不同转向速度进行试验，试验数据如表2。

表2 沥青路面、水泥路面及厂内不同转向速度下的转向油缸压力对比表

6 结论

通过在沥青路面、水泥路面及厂内工况下进行对比试验和转向油缸压力测试，对比表2数据可知：

（1）相同发动机转速下，转向速度快时转向压力也将增大，最大压力升高。

（2）随着发动机转速提高，转向油缸进油腔最大压力也在提高，分别约为：18.0MPa、20.0MPa 和22.0MPa。

（3）发动机转速为900r/min时转向油缸两端压差约为17.2～18.0MPa；发动机转速为1600r/min时转向油缸两端压差约为19.2～20.2MPar；发动机转速为2 100 r/min 时转向油缸两端压差约为20.6～21.0MPa。

（4）工作压力为16.0MPa，目前最大压力为22.3 MPa，比16.0MPa高38%。

7 总结

根据雷索夫推荐公式、塔布莱克推荐公式、农机转向经验公式和汽车转向经验公式4 种公式的计算，塔布莱克推荐公式、雷索夫推荐公式、农机转向经验公式、汽车转向经验公式计算数值递增，塔布莱克推荐公式和雷索夫推荐公式计算数值相差很小。为了保证转向性能，可取最大值来计算转向油缸所需的最大转向阻力，此外相同发动机转速下转向速度对其影响显著，随着发动机转速提高，转向油缸进油腔最大压力随之提高，为了提高转向性能，转向油缸最大压力需为工作压力的1.4 倍以上，该结论可为农机转向桥的设计提供参考。