袁守利，陳 昌，董 柯

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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3WPZ-500自走式噴桿噴霧機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁守利，陳 昌，董 柯

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

以3WPZ-500自走式噴桿噴霧機(jī)的液壓系統(tǒng)為研究對象，進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及液壓元件選型，并對部分元件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和校核。利用AMESim建立噴桿噴霧機(jī)液壓系統(tǒng)模型，通過設(shè)置模型參數(shù)，對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)及所選元器件的合理性，為噴桿噴霧機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了新方法。

噴桿噴霧機(jī)；液壓系統(tǒng)；AMESim

噴藥作業(yè)對勞動(dòng)者體力消耗大，且有毒藥物極易危害勞動(dòng)者身體健康。高性能噴桿噴霧機(jī)的研制，對提高農(nóng)藥利用率、節(jié)約用水、提高作業(yè)效率和施藥安全性具有重要意義[1]。筆者所設(shè)計(jì)的3WPZ-500型自走式噴桿噴霧機(jī)采用全液壓技術(shù)，有效地解決了小麥、水稻、棉花等農(nóng)作物生長中后期施藥作業(yè)難的問題。

1 整車機(jī)構(gòu)組成及技術(shù)要求

3WPZ-500自走式噴桿噴霧機(jī)整車結(jié)構(gòu)如圖1所示，該型噴桿噴霧機(jī)包括行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪距可調(diào)系統(tǒng)及噴桿升降折疊系統(tǒng)。

1—行走馬達(dá)；2—輪距可調(diào)系統(tǒng)；3—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；4—藥箱；5—噴桿升降系統(tǒng)；6—噴桿折疊系統(tǒng)；7—駕駛室圖1 3WPZ-500自走式噴桿噴霧機(jī)整車結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)噴桿噴藥機(jī)的實(shí)際工作要求，設(shè)計(jì)噴霧機(jī)的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 3WPZ-500自走式噴桿噴霧機(jī)主要性能參數(shù)

2 自走式噴桿噴霧機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 行走系統(tǒng)液壓設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)在滿足工作性能和工作可靠性要求的前提下，力求使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高、操作維護(hù)方便、使用壽命長[2]。

1—發(fā)動(dòng)機(jī)；2—變量泵；3—補(bǔ)油單向閥；4—安全閥；5—補(bǔ)油泵；6—過濾器；7—沖洗閥；8—分流閥；9—補(bǔ)油溢流閥；10—左前輪行走馬達(dá)；11—右后輪行走馬達(dá)圖2 閉式行走系統(tǒng)液壓原理圖

靜液壓傳動(dòng)技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的標(biāo)志之一。靜液壓傳動(dòng)比其他傳動(dòng)方式更適合應(yīng)用在傳動(dòng)線路比較復(fù)雜、低速行走的機(jī)械中。作為車載液壓系統(tǒng)，考慮到整車載重，且布置空間有限，該噴桿噴霧機(jī)的行走采用閉式系統(tǒng)控制。行走系統(tǒng)的原理如圖2所示。液壓行走系統(tǒng)由一個(gè)變量柱塞雙聯(lián)泵和4個(gè)定量馬達(dá)組成(圖2只畫出一泵兩馬達(dá))，其中變量泵既是液壓能源又是主要的控制組件。斜盤式變量柱塞泵的流量與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速及排量成正比，且可以無級調(diào)速，通過控制操縱手柄調(diào)節(jié)變量泵斜盤的角度來改變泵的流量和壓力油的方向，從而改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)行駛速度調(diào)節(jié)。液壓油從液壓馬達(dá)直接回到泵，考慮到液壓油的漏損，在變量泵上附設(shè)一個(gè)小排量補(bǔ)油泵，假設(shè)油箱中的液壓油由補(bǔ)油泵5通過補(bǔ)油單向閥3向主油路低壓側(cè)補(bǔ)油，以補(bǔ)償系統(tǒng)泄漏的流量。回路沖洗閥7集成在液壓馬達(dá)中，其作用是通過冷熱油交換實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)散熱，同時(shí)保持低壓壓力。

在雙泵四馬達(dá)液壓行走系統(tǒng)中，為保證快速行駛時(shí)的安全穩(wěn)定性，各驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速必須保持一致。該行走系統(tǒng)采用交叉式油路布置，即一個(gè)變量泵帶動(dòng)左前輪馬達(dá)10和右后輪馬達(dá)11，并由分流閥8來保證通過兩個(gè)馬達(dá)的流量一致，從而使得兩個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速相等。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓原理如圖3所示。為保證噴霧機(jī)能在惡劣的條件下正常高效地工作，其應(yīng)能實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向功能[3]。前軸左右輪分別由兩個(gè)并聯(lián)的液壓缸控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，后軸兩輪則由兩根縱向拉桿實(shí)現(xiàn)與前軸同步轉(zhuǎn)向。齒輪泵1提供的液壓油能同時(shí)供給轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)和其他工作部件液壓系統(tǒng)，通過優(yōu)先閥保證優(yōu)先滿足轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)所需的液壓油量。

1—齒輪泵；2—優(yōu)先閥；3—全液壓轉(zhuǎn)向器；4—左前輪轉(zhuǎn)向油缸；5—左后輪轉(zhuǎn)向油缸圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓原理圖

2.3 噴桿升降、展開系統(tǒng)液壓設(shè)計(jì)

噴桿的升降、展開功能均用液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，其液壓原理如圖4所示。

1—齒輪泵；2—電磁換向閥；3—液壓鎖；4—單向節(jié)流閥；5—升降液壓缸；6—折疊與展開液壓缸圖4 噴桿升降、展開系統(tǒng)液壓原理圖

3 噴霧機(jī)液壓系統(tǒng)計(jì)算及元件選擇

3.1 閉式行走系統(tǒng)選型及計(jì)算

(1)行走馬達(dá)。在為車輛行走系統(tǒng)選擇馬達(dá)時(shí)，需要考慮車輛的基本參數(shù)來確定馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速及最大需求扭矩。根據(jù)技術(shù)要求，已知整機(jī)質(zhì)量(滿載)m=1 420 kg；輪胎半徑r=452.5 mm；滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.05；最大爬坡度α=20°?？紤]到后期液壓元件的布置會(huì)增加車重，且設(shè)計(jì)之初應(yīng)留有余量，選擇整機(jī)質(zhì)量m=2 000 kg進(jìn)行計(jì)算。則設(shè)計(jì)牽引力為：

Ft=G·sinα+G·f·cosα=7 624 N

最大扭矩為：

馬達(dá)的輸出扭矩為：

式中:ηx為行走機(jī)構(gòu)的效率(考慮到滑轉(zhuǎn))；r為驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑(不考慮輪胎變形)；n=4為馬達(dá)數(shù)量；iM為傳動(dòng)比；ηM為傳動(dòng)效率。該噴霧機(jī)采用低速大扭矩馬達(dá)，直接驅(qū)動(dòng)車輪，無機(jī)械減速機(jī)構(gòu)，故iM、ηM均取1。整機(jī)要求最快車速v0=20 km/h,則輪胎的最高轉(zhuǎn)速為:

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合噴桿噴霧機(jī)行走系統(tǒng)扭矩大、轉(zhuǎn)速低、低速平穩(wěn)性良好的特點(diǎn)，選用聯(lián)眾液壓HDM系列馬達(dá)，馬達(dá)型式為重載荷擺線液壓馬達(dá)。其基本技術(shù)參數(shù)如表2所示：

表2 行走馬達(dá)基本技術(shù)參數(shù)

(2)變量泵。馬達(dá)最大輸入流量為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合閉式行走系統(tǒng)及所選馬達(dá)的特點(diǎn)，選擇丹佛斯40系列軸向柱塞變量泵，其工作方式為靜液壓閉式系統(tǒng)，其基本技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 變量泵基本技術(shù)參數(shù)

(3)各元件匹配計(jì)算。閉式液壓系統(tǒng)中，液壓泵所需驅(qū)動(dòng)功率為[4]：

P補(bǔ)V補(bǔ)]=24.4 kW

式中：P主為主泵出油口壓力；P補(bǔ)為補(bǔ)油泵提供的補(bǔ)油壓力；V主為主油泵的排量；V補(bǔ)為補(bǔ)油泵的排量；np為泵的轉(zhuǎn)速，等于發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，取2 200 r/min。

變量泵的輸入扭矩為：

根據(jù)以上計(jì)算，得出雙聯(lián)泵的功率為48.8 kW。已知發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率Ne=40 kW，輸出最大扭矩Me=135 N·m，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知：Mp=105.8 N·mNe=40 kW。這說明變量泵需要進(jìn)行功率適應(yīng)控制，即DA控制來調(diào)節(jié)功率與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配。

泵的最大輸出流量為：

式中，ηpv為泵的容積效率，取0.96，則Qmax即為馬達(dá)的最大輸入流量。

泵在最大排量時(shí)，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為：

則nmi=238 r/min小于馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速570 r/min。

由輪胎半徑r=452.5 mm，可得車速vL為：

式中，ηL為輪胎壓縮系數(shù)，筆者不考慮輪胎變形，故取1。

該狀態(tài)下馬達(dá)的輸出扭矩為：

泵的最大牽引力為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，F(xiàn)ti>Ft，故滿足整機(jī)設(shè)計(jì)牽引力的要求。

3.2 液壓缸選型及計(jì)算

(1)轉(zhuǎn)向油缸。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪系時(shí)的總力矩T為[5]：

式中：W為轉(zhuǎn)向橋所承受的質(zhì)量，取710 kg；f為輪胎與地面的摩擦系數(shù)，取0.3；K1為系數(shù)，取0.01；B為輪胎名義寬度；E為偏心距噴桿噴霧機(jī)滿載時(shí)的質(zhì)量為1 420 kg。

4 基于AMESim液壓系統(tǒng)建模仿真

AMESim是基于直接圖形接口的模擬軟件，模擬過程直觀可靠，在整個(gè)仿真過程中系統(tǒng)可以顯示在環(huán)境中[6]。筆者應(yīng)用AMESim軟件建立噴桿噴霧機(jī)液壓系統(tǒng)的仿真模型，對所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，并對所選液壓元件的合理性提供有效依據(jù)。

4.1 行走系統(tǒng)仿真分析

在AMESim草圖模式下，根據(jù)行走系統(tǒng)液壓原理圖，搭建如圖5所示行走系統(tǒng)的AMESim模型。點(diǎn)擊首選子模型按鈕，讓AMESim自動(dòng)為每個(gè)元件選擇所需要的最簡單的子模型[7]。點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置按鈕，具體參數(shù)如表4所示。

圖5 液壓行走系統(tǒng)仿真模型

表4 行走系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

仿真時(shí)間設(shè)為10 s，仿真間隔設(shè)為0.01 s，點(diǎn)擊仿真按鈕進(jìn)行仿真。得到行走馬達(dá)流量與壓力曲線如圖6所示，負(fù)載轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩曲線如圖7所示。從圖7可以看出，負(fù)載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在126.2 r/min，扭矩為997.3 N·m，滿足系統(tǒng)輸出要求。

圖6 行走馬達(dá)流量與壓力曲線

圖7 負(fù)載轉(zhuǎn)速與扭矩曲線

4.2 其他系統(tǒng)仿真分析

輪距拓寬系統(tǒng)、噴桿升降系統(tǒng)及水泵馬達(dá)負(fù)載模型如圖8所示。輸入相應(yīng)仿真參數(shù)，設(shè)置仿真時(shí)間為15 s，仿真間隔為0.01 s，得到液壓缸位移曲線，以及隔膜泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速與扭矩曲線分別如圖9和圖10所示。

圖8 其他系統(tǒng)AMESim仿真模型

圖9 液壓缸位移曲線

圖10 隔膜泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速與扭矩曲線

從仿真結(jié)果可以看出，液壓缸與水泵馬達(dá)相應(yīng)參數(shù)均能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

筆者根據(jù)3WPZ-500自走式噴桿噴霧機(jī)的實(shí)際工作需要，設(shè)計(jì)了一套液壓系統(tǒng)以滿足其行走、轉(zhuǎn)向、拓寬及噴桿升降等功能，通過計(jì)算進(jìn)行液壓系統(tǒng)的元件選型。運(yùn)用AMESim軟件對該液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，然后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從仿真結(jié)果來看，整個(gè)液壓系統(tǒng)工作平穩(wěn)、性能可靠，符合實(shí)際要求，為噴桿噴霧機(jī)的液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新方法。

[1] 曹玉寶.液壓技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008，30(5)：194-196.

[2] 王同建.液壓傳動(dòng)與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：201-200.

[3] 竇玲靜，方憲法，楊學(xué)軍，等.自走式噴霧機(jī)轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展動(dòng)態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(3)：1-6.

[4] 范斌.滑移裝載機(jī)行走閉式液壓系統(tǒng)研究[D].長春.吉林大學(xué)，2011.

[5] 張志起，崔中凱，劉繼元，等.4YX-4型全液壓自走式玉米收割機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015，37(12)：97-101.

[6] 付永領(lǐng)，齊海濤.LMS Imagine. Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：38-96.

[7] 張憲宇，陳小虎，何慶飛，等.基于AMESim液壓元件設(shè)計(jì)庫的液壓系統(tǒng)建模與仿真研究[J].機(jī)床與液壓，2012，7(13)：172-174.

YUAN Shouli:Assoc. Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Hydraulic System Design of 3WPZ-500 Self-propelled Boom Sprayer

YUANShouli,CHENChang,DONGKe

A hydraulic system of 3WPZ-500 self-propelled boom sprayer was taken as the research object. The hydraulic system was designed and the hydraulic components were selected. And parts of the components were designed, calculated and checked at the same time. A hydraulic system model of the boom sprayer was built based on AMESim. Simulation analysis was preceded for this system by setting up the model parameters. The rationality of the system was verified. It provides a new design method for hydraulic system of boom sprayer.

boom sprayer; hydraulic system; AMESim

2015-07-22.

袁守利(1966-)，男，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院副教授.

2095-3852(2015)06-0855-05

A

S224.3

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.042