采棉機動力換擋行駛傳動系統設計與試驗

鐘春發，倪向東，韓雙蔓，趙新，李申，魏曉朝

(石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832000)

0 前言

采棉機作業工況復雜:在田間采摘作業時，負荷波動大，行駛系統輸出低速高扭;采棉機運輸作業時，負荷較小、行駛速度快，行駛動力系統輸出高速低扭。采棉機行駛傳動系統能夠在田間采摘、田間運輸和公路運輸3種模式下，連續改變轉速和轉矩以匹配實際負荷的連續變化。

陳發等人對有級變速、靜液壓無級變速和有級變速與靜液壓無級變速組合方案進行分析比較，確定了4MZ-2(3)型自走式采棉機的主傳動方案。畢新勝等對采棉機靜液壓容積調速回路的組成和工作原理進行詳細分析。NI、BAO等通過液壓機械無級變速器試驗臺，對采棉機行走液壓機械無級變速器耦合特性進行了深入研究，為采棉機換擋平順性的設計提供參考。針對靜液壓容積調速特性，朱鎮、路華鵬等對泵控馬達效率特性進行試驗研究，通過試驗驗證變量泵的排量比、轉速、工作壓力和工作溫度對變量泵效率的影響。陳廷官等對采棉機行走速度和滾筒轉速進行參數的優化匹配試驗，在保證機采棉品質和采摘效率的前提下，驗證超越系數取值范圍。劉本通、李志鋒等設計樹莓采摘機和玉米收獲機靜液壓行走系統行駛方案，進行仿真與試驗研究，為閉式靜液壓系統產品設計提供參考。

針對采棉機行駛作業的復雜工況，提出一種靜液壓無級變速與機械式有級變速組配式液壓機械無級變速行駛傳動方案。設計動力換擋變速器的4種工作模式，驗證變量泵和變量馬達參數，以及機械式有級變速箱傳動比；通過聯合調控變量泵和變量馬達的排量，可以使采棉機在低速高扭下采摘作業，在高速低扭下運輸作業，采棉機能滿足田間采摘、田間運輸和公路運輸3種作業模式速度要求。

1 采棉機行駛傳動設計

1.1 動力換擋傳動方案

采棉機行駛傳動由發動機提供動力，機械與液壓串聯耦合構成動力換擋無級調速系統,傳動方案如圖1所示。動力換擋機械部分主要包括行星齒輪組、離合器、制動器和輸出齒輪。液壓部分主要由變量泵和變量馬達構成閉式容積調速回路。通過控制低速制動器和高速離合器的結合與分離，采棉機可以實現空擋、采收、運輸和變速箱鎖定4種工作模式。變速箱工作模式控制邏輯如表1所示。

圖1 采棉機行駛傳動系統方案

表1 工作模式控制邏輯

1.2 行駛速度

(1)采摘速度

采棉機采摘滾筒結構如圖2所示，采摘滾筒結構會限制滾筒轉速。采摘滾筒轉速過高，滾筒轉動慣量過大，不利于采摘滾筒轉速的控制。采摘滾筒上摘錠轉速應能保證摘錠進入采摘室后充分纏繞籽棉，為保證棉花采凈率和棉花采摘品質，摘錠轉速應保持在3 900～4 500 r/min之間，受采摘滾筒和摘錠傳動比的限制，滾筒最大轉速為145 r/min。

圖2 采摘滾筒結構

(1)

式中：為采棉機田間采摘速度；為采摘滾筒末端圓周速度；為采摘滾筒轉速；為采摘滾筒半徑。

超越系數影響采棉機的采凈率、含雜率和棉花撞落損失率，范圍為1<<1.3。綜上考慮，采棉機在田間采摘作業最快速度為8.5 km/h。

(2)運輸速度

采棉機運輸模式分為田間運輸模式和公路運輸模式?？紤]采棉機振動特性，借鑒拖拉機振動特性研究方法，綜合考慮采棉機機身加速度、人體可承受振動頻率、振動位移對前輪和后輪的激勵、前輪和后輪的動載荷等指標。參考市面上主流采棉機運輸速度，設計采棉機在田間運輸模式最大速度為14.5 km/h,公路運輸模式最大速度為27.5 km/h。

采棉機采收模式下最高行駛速度為8.5 km/h，運輸模式下最高行駛速度為27.5 km/h。采棉機超越系數是采棉機作業性能主要參數之一。當過小時，采棉機采凈率下降，超越系數過大時，棉株果枝折斷及棉鈴撞落率增加。為確保穩定和考慮采棉機振動特性，將采棉機劃分為3個行駛速度區段，田間采摘速度、田間運輸速度和公路運輸速度區段如表2所示。

表2 行駛速度區段

2 采棉機傳動特性與元件選型

2.1 調速特性分析

采棉機液壓部分采用靜液壓驅動，為達到采收和運輸的速度要求，用變量泵和變量馬達及其他液壓輔助元件組成閉式容積調速回路。兩個變量馬達分別置于采棉機前橋和后橋，可進行實時四輪驅動。前輪為主驅動，前驅馬達和機械有級變速箱連接，通過控制離合器和制動器的分離與結合，可使有級變速箱傳動比發生變化。后驅馬達與后橋的變速箱連接，后橋變速箱傳動比固定。

在這種情況下，容積調速中馬達輸出軸上的轉速、轉矩和功率分別為

(2)

==

(3)

式中:為變量馬達流量；為變量馬達排量；為變量泵流量；為變量泵排量；為變量泵轉速；為變量泵輸出壓力。

(4)

式中：為采棉機邊減傳動比；為有級變速箱傳動比；為行走輪直徑。由公式(1)(4)可知，改變變量泵和馬達的排量可以改變馬達轉速，進而改變采棉機行駛速度。

2.2 液壓元件的選型和分析

采棉機行駛傳動系統的性能應滿足田間采摘、田間運輸和公路運輸的要求，主要技術參數如表3所示。

表3 采棉機設計技術參數

變量泵與變量馬達選型：

(1)行走功率計算

通過采棉機技術參數，進行液壓泵、馬達的選型計算。根據《農業機械設計手冊》計算采棉機在田間采摘、田間運輸和公路運輸3種工作模式下的行走功率。

(5)

式中：為采棉機行駛速度；為發動機到驅動輪的傳動總效率；為采棉機滿載工作質量；為重力加速度；為滾動阻力系數。

計算可得采棉機在田間采摘模式的行走功率為80.5 kW，田間運輸模式的行走功率為137.5 kW，公路運輸模式的行走功率為148.4 kW。

(2)爬坡功率計算

計算采棉機爬11°的坡道所需行駛功率

(6)

式中：為行駛過程總阻力；為爬坡速度，取5 km/h。

爬坡中行駛總阻力為

=++

(7)

式中：為總滾動力；為坡道阻力；為慣性阻力。

=cos

(8)

=sin

(9)

式中：為采棉機質量，33 000 kg(加滿水及燃油)；為滾動阻力系數，取0.12；為路面坡度；為重力加速度。

(10)

式中：為計入回轉質量的折算系數；為加速時間。

爬坡中行駛滑轉功率為

(11)

式中：為滑轉率，取0.05。

爬坡功率為

=+

(12)

當采棉機以5 km/h速度進行爬坡時，由公式(12)計算可得采棉機爬行功率為160 kW。

變量泵和變量馬達的基本參數是功率、轉速和效率。根據計算的采棉機田間采摘、田間運輸和公路運輸工作模式的功率，使泵和馬達的選型和采棉機功率需求相匹配，采棉機3種工作模式與泵和馬達的高效區間相匹配。變量泵和變量馬達的流量需大于液壓系統工作時的最大值。為延長變量泵和變量馬達的使用壽命，變量泵與變量馬達應避免持續工作于液壓系統最大壓力。綜上，變量泵和變量馬達型號及參數如表4所示。

表4 變量泵和變量馬達型號及參數

2.3 變量泵效率特性分析

柱塞式變量泵總效率等于容積效率和機械效率之積。

(1)變量泵容積效率

=-Δ

(13)

式中：Δ為變量泵泄漏流量；為變量泵理論輸出流量。

(14)

式中：為變量泵容積效率。

(15)

式中：為泄漏間隙；Δ為變量泵進出油口壓差；為油液的動力黏度。

(16)

式中：為變量泵最大排量；為變量泵的層流泄漏系數。

(17)

式中：為變量泵排量比。

(2)變量泵機械效率

(18)

式中：為變量泵理論輸入轉矩。

=+Δ

(19)

式中：為變量泵實際轉矩；Δ為變量泵因內部摩擦而損失的轉矩。

(20)

式中：為變量泵機械效率。

變量泵內部滑動黏性摩擦力與成正比的同時，滾動軸承和各運動副的固體摩擦力也與壓力成正比，故：

(21)

式中：為層流阻力系數；為機械阻力系數。

故變量泵機械效率表達式為

(22)

(3)變量泵總效率

變量泵總效率表達式為

(23)

(24)

把公式(24)代入式(23)可得變量泵最大總效率為

(25)

設計液壓系統時，為保證變量泵高效率運行，需匹配合理進出口壓差Δ、變量泵排量比、液壓油黏度及工作轉速。其中，液壓油黏度主要受液壓系統油溫的影響?；瑒痈遍g隙越小，無因次層流系數越小、無因次層流摩擦因數越大，變量泵的效率越優。

(4)變量泵效率分析

影響變量泵效率的因素很多，、、因泵的種類、結構不同而異，也與溫度和工況有關。文中取標準值=8×10，=0.2×10，=0.01，假設液壓油黏度為一定值。

圖3所示為泵效率與壓力和排量比等值線?？芍寒斪兞勘锰幱诟咿D速工作時，泵排量比和工作壓力對變量泵總效率具有交互作用；變量泵工作壓力較低時，變量泵排量比對變量泵總效率的影響較小，此時變量泵的總效率可以達到70%以上；當變量泵工作于中高壓力區段時，變量泵效率隨著變量泵排量比的增加而明顯增加；變量泵工作于中低壓力，并處于大排量運轉時，變量泵的效率可以達到最高。

圖3 泵效率與壓力和排量比等值線 圖4 泵效率與轉速和排量比等值線

圖4所示泵效率與轉速和排量比等值線?？芍寒斪兞勘霉ぷ饔诟邏毫r，變量泵排量比和轉速對變量泵總效率具有交互作用。當變量泵工作于小排量比時，變量泵效率并不會隨著轉速的增加而提高，此時變量泵處于低效率工作區段。在采棉機工作模式中，應該盡量避免讓變量泵長時間工作于高壓小排量工況。

圖5所示為泵效率與轉速和壓力等值線?？芍寒斪兞勘么笈帕抗ぷ鲿r，變量泵轉速和工作壓力對變量泵總效率具有交互作用；當變量泵工作于高轉速時，工作壓力對變量泵總效率的影響較小，變量泵總效率可以達到90%左右。

圖5 泵效率與轉速和壓力等值線圖

綜合上述分析，為使變量泵高效工作，除去采棉機在啟動階段，應盡量避免變量泵處于小排量高壓狀態。采棉機在田間采摘、田間運輸和公路運輸3種工作模式下時，變量泵應長時間處于高轉速和大排量比下工作。

3 田間試驗與分析

根據采棉機作業要求，完成采棉機行駛傳動系統的設計，并對變量泵、前驅變量馬達和后驅變量馬達等進行了計算與選型。最終按照采棉機行駛系統的工作要求，完成動力換擋采棉機變速箱和采棉機整機樣機的試制，如圖6所示。

圖6 采棉機與動力換擋變速器樣機和田間試驗

2020年10月06日于新疆生產建設兵團第六師芳草湖農場進行了采棉機速比特性田間試驗?？刂撇擅迿C田間采摘、田間運輸和公路運輸3種模式對應的變量泵排量比、前驅馬達排量比和后驅馬達排量比。根據GB/T 21397—2008《棉花收獲機》設計試驗，記錄采棉機田間采摘、田間運輸和公路運輸3種工作模式下排量比變化的采棉機行走速度，以驗證采棉機動力換擋行駛傳動系統方案的可行性。

采棉機速比特性試驗結果如圖7所示。圖中采棉機行駛速度分為a和b兩個區段，a為低速行駛區段，b為高速行駛區段。在采棉機低速行駛區段，低速制動器結合，高速制動器分離，有級變速箱傳動比為2.38∶1，此區段包括田間采摘模式和田間運輸模式。圖中e段為田間采摘模式，f段為田間運輸模式。采棉機以田間采摘模式工作時，前驅變量馬達排量比和后驅變量馬達排量比都為1，相當于定量馬達。通過控制變量泵排量比由0到1，采棉機田間采摘速度逐漸增大，最高速度為8.5 km/h。

圖7 采棉機速比特性曲線

在田間運輸模式時，低速制動器結合，高速制動器分離。此時變量泵有最大排量比1，變量泵相當于定量泵，進而控制前驅馬達排量比和后驅變量馬達排量比逐漸減小。采棉機以田間運輸模式時，行駛速度逐漸增大，前驅變量馬達排量比減小到圖中點，后驅變量馬達排量比減小到點，運輸速度達到最大，為14.5 km/h。

圖7中b區段為采棉機高速行駛區段。采棉機從低速行駛區段切換為高速行駛區段，低速制動器分離，高速制動器結合，此時變速箱傳動比發生變化，為1∶1。此區段為公路運輸模式，為圖7中h段。此時，變量泵的排量比為1，相當于定量泵。通過控制變量馬達的排量比發生躍遷變化，前驅馬達排量比由圖中的點變化到點，后驅變量馬達的排量比由圖中點躍遷到點。兩個變量馬達排量比減小，采棉機速度提高，前驅變量馬達排量比減小到點，后驅變量馬達排量比減小到點，運輸速度達到最大，為27.5 km/h。

4 結論

通過分析采棉機動力換擋行駛驅動系統，確定變速箱的4種工作模式，并進行速比特性試驗。主要得到以下結論：

(1)通過分析建立采棉機行駛系統靜液壓無級變速和機械式有級變速組配式動力換擋傳動控制邏輯，確定采棉機在采收和運輸工作模式下的行駛速度，搭建采棉機樣機進行田間試驗，確定單變量泵、前驅變量馬達和后驅變量馬達的參數，以及機械式有級變速箱的傳動比，驗證方案的可行性。

(2)基于田間采摘、田間運輸和公路運輸3種模式的速度要求，提出一種基于變量泵和變量馬達的靜液壓閉式容積調速回路與機械式有級變速串聯的方案。通過聯合調節變量泵和變量馬達，可以使采棉機在低速高扭下進行采收作業，在恒功率下進行運輸作業，能滿足采收和運輸作業時的速度要求，并在3種作業模式下實現無級調速。