4YX－4型全液压自走式玉米收获机液压系统设计

1 全液压自走式玉米收获机液压系统原理

作业系统又可分为转向系统和操纵系统两个子系统，两个子系统共用一个液压油箱和齿轮泵，通过单路稳定分流阀分成两个子系统。转向系统用于控制转向轮的转向，操纵系统用于控制割台、还田机升降和果穗箱卸粮。目前，国内自走式玉米收获机的液压作业系统( 见图 1)主要由齿轮泵、稳定分流阀、手动多路阀、单作用油缸、双作用油缸、转向器和油箱等组成，其自动化水平低，恶劣工作环境下可靠性差。因此，在设计液压作业系统时，将稳定分流阀与手动多路阀集成为一体，将手动阀优化为电磁换向阀( 见图 2) ，并在集成块中增加过滤器。这样不仅提高了整机的人机化水平，降低了驾驶员疲劳程度，而且大大减少了管路的数量、泄露点及安装时的污染点，便于维修保养。

液压传动布置灵活方便，具有较好的无级调速和带负荷转向性能，因此 4YX －4 玉米收获机采用静液压无级变速行走系统。行走系统由 1 个液压泵驱动1 个液压马达，马达驱动机械式齿轮箱，辅助以补油泵和冲洗阀，以补偿内泄露和降低液压油温度。静液压无级变速行走系统具有产品结构紧凑、质量轻、噪音低、操作方便，以及行走控制和换向方便、驱动灵活、作业效率高等特点。4YX －4 玉米收获机液压行走系统原理如图3 所示。



2 液压系统计算及液压元件选择

2． 1 液压作业系统
2． 1． 1 稳定分流阀
单路稳定分流阀是为全液压转向器配套的流量控制阀，其作用是当系统流量发生变化或工作负载发生变化时，能够保证为转向系统分配稳定的流量，满足液压转向器对流量的需求; 同时，多余的液压油并联提供到其它工作回路，因此在中小型轮式行走机械中无需采用独立的转向油泵，简化了液压系统。稳定分流阀安全阀压力设定比转向需求压力高 2MPa，如果需要设置系统安全阀来满足泵的需要，其设定压力必须高于优先阀设定压力。
稳定分流所需流量计算公式为Q = qn /1000
式中 Q—转向器所需流量( L/min) ;
q—转向器排量( mL) ;
n—转向器输入转速( r /min) 。
流量的选择应保证在各种工况下转向器都能获得足够的流量，进而获得足够的转向速度，如表1 所示。

2． 1． 2 全液压转向器
根据工作原理的不同，全液压转向器可大致分为开芯转向系统、闭芯转向系统、无反应转向系统、有反应转向系统、静态信号负荷传感转向系统、动态信号负荷传感转向系统及流量放大负荷传感转向系统。其中，闭芯转向系统主要用于重载大型行走机械，有反应转向系统油缸必须采用双杆结构形式。静态、动态信号和流量放大负荷传感转向系统虽然较其他系统有节能降耗、响应灵敏、快速大流量慢速小流量等诸多优点，但系统复杂、成本高昂，所以开芯无反应转向系统成为农业机械中应用最广泛的转向系统。该系统采用定量泵供油，转向器中位处于开路状态( 开芯) ，即转向器不工作时，液压油经转向器内部直接回油箱; 转向器处于中位时，左右油口为截止状态，即无论操作者何时松开方向盘，方向盘都会保持位置不变。转向器内部原理如图 4 所示。
全液压转向器各阀的主要功能如下:
1) 入口单向阀。当转向油缸冲击压力高于转向器入口压力时，防止油液倒流产生的对方向盘的冲击，消除人力转向单向阀方向盘抖动。
2) 入口安全阀。限制转向器 P 口和 T 口的最大压差，保护转向回路。
3) 人力转向单向阀。当液压系统发生故障或发动机熄火时，系统可由动力转向状态转换为人力转向状态，使系统具有双重保护。
4) 双向过载阀。保护路面冲击产生的高压可能对油路和油缸造成的破坏，其设置压力比转向器的最大入口压力低1MPa。
5) 双向补油阀。防止油缸因路面冲击产生的负压所带来的吸空现象。
转向回路与其它工作回路互不影响，主回路优先保证转向回路，使得转向系统安全可靠。转向器中位时，只有很少的流量通过，系统较为节能。

轮式杠杆型转向系统( 见图 5) 液压转向器的选择计算如下:
1) 转向轮系所需要的总力矩为

2) 转向油缸需要的推力为

在转向系统很少超载的车辆中，油缸的的工作压力取转向系统溢流阀设定压力的 80%; 可能严重超载的车辆，油缸的的工作压力取转向系统溢流阀设定压力的 30%。根据以上计算，可以确定转向油缸的参数及转向系统的额定压力设定。
3) 转向油缸的行程由转向臂的尺寸及转角范围确定，根据油缸最大行程所需液压油的体积 V，确定转向器的排量 q 为
q ≈ q0= V /n0
其中，n0为转向轮从一个极限位置到另一个极限位置时方向盘转过的圈数，可根据需要选择，一般为2． 5 ～ 5． 5 圈。


2． 2 液压行走系统
在为行走车辆系统选择马达时，需要考虑车辆的基本参数( 见表2) 来确定马达的最高转速及最大需求扭矩，以四行全液压玉米收获机为例。

2． 2． 1 驱动马达计算
1) 马达最高输出转速为

2) 马达最大输出扭矩。为保证马达有输出足够的扭矩来驱动车辆，需计算车辆的整体牵引力，公式为
TE = ＲＲ + GＲ + FA
式中 TE—车辆整体牵引力( N) ;
ＲＲ—克服滚动阻力的牵引力( N) ;
GＲ—爬坡需要的牵引力( N) ;
FA—加速所需要的牵引力( N) 。
滚动阻力( ＲＲ) 是车辆经过某种地面时所要克服的力，推荐以最恶劣工况来确定数值，公式为
ＲＲ = G0× μ = 2 960N
坡道阻力( GＲ) 是车辆上坡时所需要的力为

加速度牵引力( FA) 是车辆在规定时间内从静止状态到最大速度所需要的力，公式以平均加速度来分别计算Ⅲ档的牵引力为

根据作业和行驶工况不同，按照工况分别计算整机牵引力。
1) Ⅰ档为特殊工况，即包含滚动阻力、坡道阻力及加速度牵引力，则整机所需牵引力为
TE = ＲＲ + GＲ + FA = 27 415N
2) Ⅱ档为作业工况，即包含滚动阻力、坡道阻力及加速度牵引力，则整机所需牵引力为
TE = ＲＲ + GＲ + FA = 9 415N
3) Ⅲ档为行驶工况，即包含滚动阻力、加速度牵引力，则整机所需牵引力为
TE = ＲＲ + FA = 11 840N
计算马达所需输出的扭矩，有

马达所需输出的扭矩取上述最大值T =321N·m。
3) 马达排量为

2． 2． 2 补油泵
闭式系统均需补油泵，以补偿内泄露，维持主回路压力，提供油液冷却，补偿外部阀及辅助系统，并为控制提供压力油作为控制泵。低压侧需要保持补油压力来确保系统润滑及满足控制系统压力。补油压力名义设定值为相对于壳体的相对压力。泵的生产厂家是在输入转速 1 800r/min、泵工作在位时的设定值，同时考虑控制系统的需求下将补油泵的压力值设定为2． 5MPa。在整机调试过程中，必须确保补油压力保持在规定的范围内，以免损坏驱动系统; 根据实际情况进行测试，确保补油压力满足要求。补油流量是整个系统每一部件所需补油流量的总和。补油流量的需求和补油泵规格的选取由多种因素决定，如系统压力、泵转速及排量、油液牌号、工作温度、散热器大小及管径及马达等。在设计选型时，不大可能掌握全部所需资料，通常的方法是取补油泵的排量大于或等于系统所有泵和马达总排量的10%。
本机系统由一个萨奥 90 系列 55mL/r 变量泵来驱动一个90 系列55mL/r 定量马达，则

因此，补油泵的排量需大于11mL/r 才能满足系统的补油流量。考虑到玉米收获机工况比较恶劣，且油泵和马达安装在整机底部，容易被玉米叶和杂草包裹影响散热，所以选择排量为14mL/r 的补油泵。
2． 2． 3 冲洗阀
回路冲洗阀可将闭式回路中部分低压侧工作油液排出回路，以达到闭式回路工作油液循环冷却及清洁过滤作用。冲洗阀流量的选择需要考虑很多变量系统因素，可参考以下公式选型，即


2． 2． 4 刹车辅助阀
玉米收获机在行驶过程中，当司机踩踏制动踏板而未及时将泵控手柄回中时，泵的斜盘摆角不在中位，泵具有一定排量，在发动机的带动下将继续驱动玉米收获机，克服制动力使车低速行进，但无法满足国家标准规定的制动距离及驻车功能。为此，在液压系统中增设刹车辅助阀( 见图 3) ，在制动踏板处设置限位开关。踩踏制动踏板时，踏板限位开关联动，驱动刹车辅助阀换向，将泵变量缸两腔的先导油联通使其两腔压力一致; 泵斜盘在弹簧作用下回中，摆角归零，玉米收获机在制动力作用下停止行进。增设刹车辅助阀后，玉米收获机可将泵控手柄先回中，再踩踏制动踏板制动; 也可在紧急情况下，不管泵控手柄在任何位置，直接踩踏制动踏板制动。刹车辅助阀动作时，泵的斜盘在弹簧作用下回中，回中过程会有时间延迟，导致制动距离过长，可根据实际试验情况增加泵回中弹簧的弹力，减少泵斜盘回中延迟。
2． 2． 5 液压油箱
油箱的作用是离析液压油中的空气及为因油液膨胀或压缩、液压缸动作、最小泄露引起的系统容积变化提供补充油液。油箱容积大于补油泵每分钟最大补油流量的 5/8，油箱中液压油的体积应大于补油泵每分钟最大补油流量的1/2。这样在系统最大回油流量时，液压油在油箱中有 30s 的滞留时间排出油液中混入的空气。油箱出口( 补油泵吸油口) 应高于油箱底部，以充分利用重力分离或阻止外部粗大颗粒通过补油回路进入工作系统，油箱出口处应安装一个100 ～ 125μm 过滤器。油箱进口( 系统回油口) 应确保油液在低于正常油箱液面下进入油箱，并在油箱内增加隔板进一步排出空气，并减小液压油的冲击。
本机油箱容积计算示例: 系统补油泵排量由上述选型定为14mL/r，泵的最大输入转速为2 600r/min，则补油泵最大流量为 Q1= 14mL /r × 2 600r /min = 36． 4L，油箱的容积为 Q2= Q1× 5 /8 = 22． 75L。因此，可将油箱容积取整为 Q2= 25L。

3 结语
4YX － 4 型全液压自走式玉米收获机液压系统通过空运转试验及在山东兖州、齐河等地的试验及大面积作业考核表明: 整个系统动作准确、工作流畅，具有结构简单、性能可靠、工作平稳等特点，各项性能指标均达到国内先进水平，具有广阔的应用和推广前景。
参考文献（略）