3WPZ-500自走式喷杆喷雾机液压系统设计
2015-02-16袁守利
袁守利，陈 昌，董 柯
(武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070)
3WPZ-500自走式喷杆喷雾机液压系统设计
袁守利，陈 昌，董 柯
(武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070)
以3WPZ-500自走式喷杆喷雾机的液压系统为研究对象，进行液压系统设计及液压元件选型，并对部分元件进行设计计算和校核。利用AMESim建立喷杆喷雾机液压系统模型，通过设置模型参数，对该系统进行仿真分析，验证了所设计系统及所选元器件的合理性，为喷杆喷雾机液压系统的设计优化提供了新方法。
喷杆喷雾机；液压系统；AMESim
喷药作业对劳动者体力消耗大，且有毒药物极易危害劳动者身体健康。高性能喷杆喷雾机的研制，对提高农药利用率、节约用水、提高作业效率和施药安全性具有重要意义[1]。笔者所设计的3WPZ-500型自走式喷杆喷雾机采用全液压技术，有效地解决了小麦、水稻、棉花等农作物生长中后期施药作业难的问题。
1 整车机构组成及技术要求
3WPZ-500自走式喷杆喷雾机整车结构如图1所示，该型喷杆喷雾机包括行走系统、转向系统、轮距可调系统及喷杆升降折叠系统。
1—行走马达；2—轮距可调系统；3—转向系统；4—药箱；5—喷杆升降系统；6—喷杆折叠系统；7—驾驶室图1 3WPZ-500自走式喷杆喷雾机整车结构图
根据喷杆喷药机的实际工作要求，设计喷雾机的主要性能参数如表1所示。
表1 3WPZ-500自走式喷杆喷雾机主要性能参数
2 自走式喷杆喷雾机液压系统设计
2.1 行走系统液压设计
液压系统设计在满足工作性能和工作可靠性要求的前提下，力求使系统结构简单、成本低、效率高、操作维护方便、使用寿命长[2]。
1—发动机；2—变量泵；3—补油单向阀；4—安全阀；5—补油泵；6—过滤器；7—冲洗阀；8—分流阀；9—补油溢流阀；10—左前轮行走马达；11—右后轮行走马达图2 闭式行走系统液压原理图
静液压传动技术是现代农业机械发展的标志之一。静液压传动比其他传动方式更适合应用在传动线路比较复杂、低速行走的机械中。作为车载液压系统，考虑到整车载重，且布置空间有限，该喷杆喷雾机的行走采用闭式系统控制。行走系统的原理如图2所示。液压行走系统由一个变量柱塞双联泵和4个定量马达组成(图2只画出一泵两马达)，其中变量泵既是液压能源又是主要的控制组件。斜盘式变量柱塞泵的流量与驱动转速及排量成正比，且可以无级调速，通过控制操纵手柄调节变量泵斜盘的角度来改变泵的流量和压力油的方向，从而改变马达的转速和旋转方向，实现行驶速度调节。液压油从液压马达直接回到泵，考虑到液压油的漏损，在变量泵上附设一个小排量补油泵，假设油箱中的液压油由补油泵5通过补油单向阀3向主油路低压侧补油，以补偿系统泄漏的流量。回路冲洗阀7集成在液压马达中，其作用是通过冷热油交换实现液压系统散热，同时保持低压压力。
在双泵四马达液压行走系统中，为保证快速行驶时的安全稳定性，各驱动轮转速必须保持一致。该行走系统采用交叉式油路布置，即一个变量泵带动左前轮马达10和右后轮马达11，并由分流阀8来保证通过两个马达的流量一致，从而使得两个马达的转速相等。
2.2 转向系统液压设计
转向系统液压原理如图3所示。为保证喷雾机能在恶劣的条件下正常高效地工作，其应能实现四轮转向功能[3]。前轴左右轮分别由两个并联的液压缸控制实现转向，后轴两轮则由两根纵向拉杆实现与前轴同步转向。齿轮泵1提供的液压油能同时供给转向液压系统和其他工作部件液压系统，通过优先阀保证优先满足转向液压系统所需的液压油量。
1—齿轮泵；2—优先阀；3—全液压转向器；4—左前轮转向油缸；5—左后轮转向油缸图3 转向系统液压原理图
2.3 喷杆升降、展开系统液压设计
喷杆的升降、展开功能均用液压系统来实现，其液压原理如图4所示。
1—齿轮泵；2—电磁换向阀；3—液压锁；4—单向节流阀；5—升降液压缸；6—折叠与展开液压缸图4 喷杆升降、展开系统液压原理图
3 喷雾机液压系统计算及元件选择
3.1 闭式行走系统选型及计算
(1)行走马达。在为车辆行走系统选择马达时，需要考虑车辆的基本参数来确定马达的最高转速及最大需求扭矩。根据技术要求，已知整机质量(满载)m=1 420 kg；轮胎半径r=452.5 mm；滚动阻力系数f=0.05；最大爬坡度α=20°。考虑到后期液压元件的布置会增加车重，且设计之初应留有余量，选择整机质量m=2 000 kg进行计算。则设计牵引力为：
Ft=G·sinα+G·f·cosα=7 624 N
最大扭矩为：
马达的输出扭矩为：
式中:ηx为行走机构的效率(考虑到滑转)；r为驱动轮的滚动半径(不考虑轮胎变形)；n=4为马达数量；iM为传动比；ηM为传动效率。该喷雾机采用低速大扭矩马达，直接驱动车轮，无机械减速机构，故iM、ηM均取1。整机要求最快车速v0=20 km/h,则轮胎的最高转速为:
根据上述计算结果，结合喷杆喷雾机行走系统扭矩大、转速低、低速平稳性良好的特点，选用联众液压HDM系列马达，马达型式为重载荷摆线液压马达。其基本技术参数如表2所示：
表2 行走马达基本技术参数
(2)变量泵。马达最大输入流量为：
根据计算结果，结合闭式行走系统及所选马达的特点，选择丹佛斯40系列轴向柱塞变量泵，其工作方式为静液压闭式系统，其基本技术参数如表3所示。
表3 变量泵基本技术参数
(3)各元件匹配计算。闭式液压系统中，液压泵所需驱动功率为[4]：
P补V补]=24.4 kW
式中：P主为主泵出油口压力；P补为补油泵提供的补油压力；V主为主油泵的排量；V补为补油泵的排量；np为泵的转速，等于发动机额定转速，取2 200 r/min。
变量泵的输入扭矩为：
根据以上计算，得出双联泵的功率为48.8 kW。已知发动机输出功率Ne=40 kW，输出最大扭矩Me=135 N·m，根据以上计算结果可知：Mp=105.8 N·m
泵的最大输出流量为：
式中，ηpv为泵的容积效率，取0.96，则Qmax即为马达的最大输入流量。
泵在最大排量时，马达的转速为：
则nmi=238 r/min小于马达最大转速570 r/min。
由轮胎半径r=452.5 mm，可得车速vL为：
式中，ηL为轮胎压缩系数，笔者不考虑轮胎变形，故取1。
该状态下马达的输出扭矩为：
泵的最大牵引力为：
根据计算结果可知，Fti>Ft，故满足整机设计牵引力的要求。
3.2 液压缸选型及计算
(1)转向油缸。转动转向轮系时的总力矩T为[5]：
式中：W为转向桥所承受的质量，取710 kg；f为轮胎与地面的摩擦系数，取0.3；K1为系数，取0.01；B为轮胎名义宽度；E为偏心距喷杆喷雾机满载时的质量为1 420 kg。
4 基于AMESim液压系统建模仿真
AMESim是基于直接图形接口的模拟软件，模拟过程直观可靠，在整个仿真过程中系统可以显示在环境中[6]。笔者应用AMESim软件建立喷杆喷雾机液压系统的仿真模型，对所设计的液压系统进行验证，并对所选液压元件的合理性提供有效依据。
4.1 行走系统仿真分析
在AMESim草图模式下，根据行走系统液压原理图，搭建如图5所示行走系统的AMESim模型。点击首选子模型按钮，让AMESim自动为每个元件选择所需要的最简单的子模型[7]。点击参数设置按钮，具体参数如表4所示。
图5 液压行走系统仿真模型
表4 行走系统仿真参数设置
仿真时间设为10 s，仿真间隔设为0.01 s，点击仿真按钮进行仿真。得到行走马达流量与压力曲线如图6所示，负载转速与转矩曲线如图7所示。从图7可以看出，负载转速稳定在126.2 r/min，扭矩为997.3 N·m，满足系统输出要求。
图6 行走马达流量与压力曲线
图7 负载转速与扭矩曲线
4.2 其他系统仿真分析
轮距拓宽系统、喷杆升降系统及水泵马达负载模型如图8所示。输入相应仿真参数，设置仿真时间为15 s，仿真间隔为0.01 s，得到液压缸位移曲线，以及隔膜泵马达转速与扭矩曲线分别如图9和图10所示。
图8 其他系统AMESim仿真模型
图9 液压缸位移曲线
图10 隔膜泵马达转速与扭矩曲线
从仿真结果可以看出，液压缸与水泵马达相应参数均能满足系统设计要求。
5 结论
笔者根据3WPZ-500自走式喷杆喷雾机的实际工作需要，设计了一套液压系统以满足其行走、转向、拓宽及喷杆升降等功能，通过计算进行液压系统的元件选型。运用AMESim软件对该液压系统进行建模仿真，然后对仿真结果进行分析，从仿真结果来看，整个液压系统工作平稳、性能可靠，符合实际要求，为喷杆喷雾机的液压系统优化设计提供了一种新方法。
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YUAN Shouli:Assoc. Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.
[编辑：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，湖北武汉人，武汉理工大学汽车工程学院副教授.
2095-3852(2015)06-0855-05
A
S224.3
10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.042
