【《玉米收获机液压行走驱动系统设计案例》7100字】

玉米收获机液压行走驱动系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21275玉米收获机液压行走驱动系统设计案例 150801.1液压机械无级变速驱动系统基本原理 1187771.2液压机械无级变速驱动系统设计 3139811.2.1液压机械传动系统 399011.2.2液压系统 9192881.2.3电控卸荷系统 13269971.2.4操纵系统 13273141.3液压系统仿真 1552351.1.1液压系统建模与参数设置 1536371.1.2仿真结果分析 161.1液压机械无级变速驱动系统基本原理液压机械无级变速驱动系统由液压变速系统与机械传动系统相结合，其中机械传动系统的传动效率较高，液压传动则主要进行无级变速，所以可以方便的进行控制设计，利用控制器直接控制液压元件，实现整机的行走系统智能化设计，而且可以更好的将行走动力与发动机动力进行匹配。而且液压系统具有可靠的缓冲性能，能够在收获机负载发生波动较大的变化缓解其冲击力度，使收获机可以始终有一个较高的工作效率[46]。液压机械无级变速驱动系统其主要运行方式是将发动机的动力进行分离，然后经过传动系统的行星齿轮副进行功率结合[47]，如图1.1为该系统原理图。该系统主要由换挡元件、液压系统和传动系统三大部分组成。发动机的动力将分成两部分，一部分为机械结构动力输入，它可以利用离合器直接将动力传递到太阳轮；另一部分为液压动力，可以由液压系统直接将动力传给齿圈，最后两部分的动力经过行星轮系汇流后输出。图1.1液压机械无级变速驱动系统原理简图如图所示，定义液压机械无级变速驱动系统的传动比为输出轴与输入轴转速之比：（1.1）式中：为系统传动比；为输入轴转速，;为输出轴转速，。定义变量泵的排量比为液压变量泵的实际排量与额定排量之比，即：（1.2）式中：为变量泵排量比；为变量泵的实际排量，；为变量泵的额定排量，。对于变量泵-定量马达液压系统，一般选用排量相同的液压马达与液压泵，则：（1.3）式中：为变量泵的转速；为变量马达的转速。系统总传动比为：（1.4）式中，为变速机构传动比；为分流齿轮副的传动比；为液压系统汇流时齿轮副的传动比；为行星机构特性常数，。1.2液压机械无级变速驱动系统设计根据表2.1所示本玉米收获机基本参数，结合液压机械无级变速驱动系统的相关研究，本文中设计的液压机械无级变速驱动系统包括液压机械传动系统、液压系统、电控卸荷系统和操纵系统，基本传动路线如图1.2所示。图1.2液压行走系统传动路线1.2.1液压机械传动系统液压机械传动系统包括前桥总成、发动机、过渡轮总成和三角带，发动机是动力输出装置，过渡轮总成和三角带是动力传递装置，前桥总成是动力转换装置，示意图如图1.3所示。1.发动机2.前桥总成1.过渡轮总成4.三角带5.行走输出皮带轮6.前桥管梁组合7.变速箱8.驱动箱9.驱动轮10.行星轮减速器11.HST液压变速器12.左轮边速器11.右轮边减速器14.连接板15.被动轮16.过渡轮轴17.主动轮18.带座轴承图1.3液压机械无级变速驱动系统结构示意图根据机器动力要求及安装方式所选用的发动机基本参数值如表1.1所示：表1.1发动机参数生产厂家广西玉柴机器股份有限公司发动机型号YC4A175-T300结构型式四缸、直列、立式、水冷额定功率129kW额定转速2200r/min该发动机满足所设计液压机械驱动变速系统的要求，因此本系统的动力输出均来自于该发动机。过渡轮总成包括过渡轮轴、被动轮、主动轮和轴承。驱动箱包括驱动轮、中间轴Ⅰ、中间轴Ⅱ、第一驱动轴和驱动箱壳体，驱动箱剖面图如图1.4所示。所设计被动轮的槽型为3-SPC型，它与行走输出皮带轮和三条三角带组成驱动轮系一，所设计主动轮的槽型为4-15J，与驱动轮和联组带组成驱动轮系二。1.驱动箱2.驱动轮1.第一驱动轴图1.4驱动箱剖面示意图根据技术要求所设计的行走输出皮带轮的分度圆直径为，行走输出皮带轮转速的转速范围是750~2400r/min，所设计被动轮分度圆直径，主动轮直径，驱动轮直径，驱动轮转速与的关系为：（1.5）由此可知：（1.6）得出驱动轮转速的转速范围为900~2900r/min。所设计的变速箱包括第二驱动轴、差速器、左输出轴、右输出轴和变速箱壳体，中心传动系如图1.5所示。第二驱动轴装配齿轮Z1(17齿)，中间轴Ⅰ装配低档主动齿轮Z2(25齿)和高档主动齿轮Z3(39齿)，中间轴Ⅱ装配高档被动齿轮Z4(24齿)和低档被动齿轮Z5(37齿)，根据设计要求在齿轮Z2驱动齿轮Z5、齿轮Z3驱动齿轮Z4、齿轮Z4和齿轮Z5之间装有滑套，当滑套向右进行滑动时齿轮Z5与中间轴Ⅱ进行啮合，从而带动中间轴Ⅱ转动，当滑套向左进行滑动时齿轮Z4与中间轴Ⅱ进行装配，从而带动中间轴Ⅱ转动，齿轮Z6(15齿)驱动差速器齿轮Z7(58齿)，差速器带动左输出轴和右输出轴旋转。驱动轮2.第一驱动轴1.花键套4.第二驱动轴5.驱动齿轮6.HST液压变速器7.右输出轴8.差速器9.左输出轴图1.5中心传动系示意图所设计的左、右边减速器在内部轮系相同，输入轴齿轮Z8(13齿)，输入轴过渡齿轮Z9(25齿)，轮毂过渡齿轮Z10(25齿)，轮毂齿轮Z11(57齿)。轮毂驱动轮胎，轮胎直径。设输出轴转速为，中间轴Ⅰ转速为，车辆行驶速度为。低档时边减输出轴与中间轴I的传动比为：（1.7）高档时边减输出轴与中间轴I的传动比为：（1.8）所设计的行星轮减速器由大齿圈、行星架、组星轮、太阳轮、行星轮减速器壳体以及轴承等其他连接件组成，如图1.6所示。太阳轮与第二驱动轴中心距为，具体的可以是100、105、106、108、110、115、120mm。所设计的太阳轮与第二驱动轴中心距为105mm。大齿圈外齿轮Z12(52齿)与主动齿轮Z2啮合，大齿圈内齿轮Z13(51齿)与四组或六组星轮Z14(11齿)内啮合，太阳轮内齿轮Z15(27齿)与四组或六组行星轮Z14外啮合，大齿圈与行星架之间装有轴承作为支撑，行星轮减速器速度分布示意图如图1.8所示。1.大齿圈2.行星架1.星轮4.第二驱动轴5.太阳轮6.行星轮减速器图1.6行星轮减速器剖面图图1.8行星轮减速器速度分布示意图所设计的第一驱动轴通过花键套与第二驱动轴进行装配，第二驱动轴通过花键套与HST输入轴进行装配，HST输入轴转速等于驱动轮转速，同时太阳轮转速的最大值等于驱动轮转速。当驱动轮转动时，带动HST输入轴转动，通过调节斜盘转动角度来调节变量泵的输出油量；在变量泵的作用下定量马达开始工作，带动HST输出轴转动，从而可以将液压能转化为机械能输出。HST输出轴通过花键与太阳轮进行连接，太阳轮转速等于输出轴转速，中间轴Ⅰ与行星架进行连接，行星架转速与中间轴Ⅰ转速相等。由此可得大齿圈转速为：（1.9）由此可得：（1.10）大齿圈的转速的范围是290~940r/min。太阳轮转速的范围是-2900~2900r/min，行星架转速，大齿圈转速之间的关系，见图1.7行星轮减速器速度分布图。根据图中所涉可得到如表1.2所示的结论。表1.2行星轮减速器转速状态表转速类型车辆静止车辆前进车辆后退发动机750~2400r/min750~2400r/min750~2400r/min大齿圈290~940r/min290~940r/min290~940r/min行星架00~1618.5r/min0~-389r/min太阳轮-548~-1775.5r/min1775.5~2900r/min-548~-2900r/min由公式：（1.11）可以得出在收获机低档前进行驶时减速器输出轴转速范围是0~65r/min，在收获机低档后退行驶时减速器的输出轴转速范围是0~16r/min。由公式：（1.12）可得出在收获机高档前进行驶时减速器输出轴转速范围是0~155r/min，在收获机高档后退行驶时减速器的输出轴转速范围是0~37r/min。由公式：（1.13）式中：轮胎直径；系统总效率。由此得出收获机在低档、高档时的前进及后退速度。1.2.2液压系统根据液压系统相关资料可知液压系统有两种连接方式，即开式回路和闭式回路[48]。结合本机结构及液压两种连接方式的特点可知，本机液压系统采用闭式回路比开式回路更适合，因为闭式回路可以始终将液压系统保持在恒压状态，而且能够提高液压泵的吸油能力，利用改变变量泵斜盘转向来控制马达转向。根据设计方案，定出的液压系统原理图如图1.9所示1.变量泵2.双向定量马达1.补油泵4.补油单向阀5.补油溢流阀6.卸荷阀7.冲洗梭阀8.低压溢流阀9.散热器10.过滤器11.排量控制阀12.液压油箱11.排量控制油缸图1.9所设计液压系统原理图变量泵的油口与定量马达油口直接利用油管相连，通过变量泵的高压出油口与定量马达的进油口进行连接构成了液压系统高压回路，同理，变量泵的低压进油口与定量马达的出油口构成低压回路，由此一来便构成了闭式回路。液压回路中通过改变排量控制阀影响油缸工作，操作方式就是通过改变液压泵的斜盘旋转角度，当斜盘驱动臂处于水平位置时，当前的斜盘角度为0°，此时变量泵不输出流量，定量马达不进行运动；当斜盘转动臂顺时针转动α角度的时候，斜盘也跟随转动α角，α角的范围为0°~40°，α角变化与变量泵输出流量之间关系为正线性相关，所以在液压油的作用下带动定量马达正向转动，进而带动输出轴正向转动，其转速与定量马达转速相等，在此期间，变量泵在单位时间内输出一定的油量则马达正向转动一圈；当斜盘转动臂逆时针转动β角度的时候，斜盘也随之转动β角，β角的范围为-40°~0°，β角变化与变量泵输出流量之间的关系呈负线性相关，所以在液压油的作用下带动定量马达反向旋转，从而带动输出轴反向转动，其转速与定量马达转速相等，变量泵在单位时间内每输出一定的油量则马达反向转动一圈。根据上述特性，可得在行走液压系统中通过油缸使斜盘的偏动方向和偏转角度发生改变时，变量泵的进出油口跟随其变化而发生改变，进而可以使定量马达的旋转方向和转速发生变化，最后可以实现对收获机行进速度和行驶方向的控制。斜盘转动臂如图1.10所示，变量泵的流量控制如图1.11所示。1.斜盘转动臂2.HST液压变速器图1.10斜盘转动臂示意图图1.11斜盘摆角与泵变量排量曲线图因为所设计液压系统为闭式循环系统，所以在液压系统的工作期间会出现内泄的情况，因此需要加装补油泵用来补充液压油，在补油泵工作期间，补油泵溢流阀会将多余液压油进行处理流回到油箱。为了保证HST液压变速器内部液压油的清洁，所以设计安装带指示灯过滤器，其过滤精度为10～20μm。在收获机制动的过程中，驾驶员踩下刹车踏板时，使电磁溢流阀通电打开，进而由变量泵输出的液压油可以直接流回到液压油箱。当整机负载较大，为了保护整体液压机械无级变速驱动系统的稳定性和当HST输出功率无法满足时，卸荷阀打开，稳定液压系统载荷，防止出现故障。根据液压系统的设计要求对液压马达与液压泵的参数进行计算，过程如下所示：行走马达选择根据玉米收获机技术要求可知收获机的最大可以承受的爬坡坡度为17°，因此可以得到收获机需要的牵引力公式:（1.14）式中：为滚动阻力，N；H为上坡阻力，N；为工作阻力，N。由于在玉米收获机实际收获作业时，所受到的工作阻力相对于滚动阻力和上坡阻力是极小的，因此可以在计算收获机牵引力时忽略其工作阻力，则根据公式：（1.15）（1.16）式中：G为收获机满载重量，8500kg；为滚动阻力，0.015；为坡度角，17°。通过计算收获机牵引力为2607N。根据所计算收获机牵引力值可得车轮在行进过程中所需力矩为：（1.17）式中：为车轮半径。计算得所需力矩为814.69N·m。马达排量公式为：（1.18）式中：M为系统工作压力，15MPa；P为驱动功率，为发动机功率的35%，45kw；确定马达排量为V=75.8mL/r。收获机的最高速度是：（1.19）式中：为收获机行驶最高速度，；为液压马达最高转速，；为车轮半径，mm。由公式可知马达最大转速是1834r/min。行走泵选择收获机行走液压系统采用闭式液压系统，行驶液压系统的工作压力是15MPa，行走泵排量公式:（1.20）式中：为液压马达最大排量，；为发动机转速，；为机械效率，0.9；为液压泵容积效率，0.926。由公式可得液压泵排量为75mL/r。1.2.3电控卸荷系统所设计的电控卸荷系统主要由离合开关和电磁阀线圈组成，将电磁阀线圈与HST液压变速器壳体进行连接，进而可以控制电磁溢流阀通电，电控卸荷系统原理图如图1.12所示。1.总开关2.电源1.电磁阀线圈4.HST液压变速器5.继电器6.离合开关7.制动踏板装置图1.12电控卸荷系统原理图在收获机制动过程中，驾驶员踩下制动踏板，从而可以带动离合开关进行转动，当转动角度大于等于5°时离合开关导通，进而继电器通电带动电磁阀线圈通电，此时将会打开电磁溢流阀，使液压系统产生卸荷作用，进而定量马达输出转速渐渐降低，进而整机行驶速度速度降低直至停止，整机制动过程完成工作；反之当制动踏板被松开时，液压马达重新开始工作，进而整机会开始行驶。1.2.4操纵系统所设计的操纵系统主要由一杆操纵系统和换档系统两部分构成。一杆操纵系统主要由一杆操纵器、操纵手柄、操纵杆和拉线组成，如图1.13所示。将拉线的一端与一杆操纵器进行连接，另一端与斜盘转动臂进行连接。操纵杆设有中心位和空挡位。当操纵杆位于中心位即在竖直状态的时候，斜盘转动臂处于水平位置，即如上文所述此时斜盘的角度为0°；当操纵杆向前推动α角度的时候，此时斜盘转动臂顺时针旋转α角；当操纵杆向后推动β角度的时候，此时斜盘驱动臂逆时针转动β角。当操纵杆处于空挡位即操纵杆从竖直位置向后推动16°的时候，此时HST输出轴反向转动，在此位置变速箱内行星架所获得的转速为0，进而变速箱输出轴转速也为0；在空档位时，当操纵杆向前推动A角度的时候（A＝α+16°），此时的斜盘转动臂会顺时针旋转A角度，变速箱内行星架相对于输出轴逆向转动，从而带动中间轴Ⅰ进行转动，而在此时车辆为前进状态，当转动的角度A越大时，车辆前进行驶速度会越快；在空档位的时，当操纵杆向后推动B角度的时候（B＝β-16°），此时斜盘转动臂逆时针转动B角度，此时变速箱内部的行星架亦相对于输出轴开始逆向旋转，但此时所转动方向相对于向前推动使时的方向相反，进而带动中间轴Ⅰ转动，此时车辆为后退行驶状态，当向后推动的角度B越大，车辆后退行驶速度会越快。1.操纵手柄2.操纵杆1.操纵器拉线4.HST液压变速器5.斜盘转动臂6.一杆操纵器图1.13一杆操纵系统连接示意图所设计的换档系统主要是由换挡器、换档拉线及换档拨叉驱动臂构成，将换档拉线的一端与换挡器相连接，另一端与换挡拔叉驱动臂进行连接，将换挡拔叉驱动臂安装在变速箱上，其连接示意图如图1.14所示。当换档驱动臂位于竖直位置的时候为空档状态，此时向左推动为低档状态，抵挡是在玉米收获机进行收获作业时使用；向右推动为高档状态，高档状态为玉米收获机纯行走时进行使用。1.换挡器2.换挡拉线1.换挡拨叉驱动臂4.变速箱5.驱动箱6.变速轮图1.14换档系统连接示意图1.3液压系统仿真1.1.1液压系统建模与参数设置本文利用液压仿真软件AMESim对所设计的液压系统进行建模和仿真分析，在AMESim中整个建模实现过程完全依靠图形用户界面实现，可利用软件中的液压元件库很方便的进行图形化建模[49]。在AMESim建立的液压系统模型如图1.15所示。图1.15液压系统建模图根据所设计液压系统元件的各项参数，将其对已建模的液压系统进行参数设置，仿真参数如表1.3所示。表1.3液压驱动行走系统仿真参数名称值单位变量泵排量75mL/r马达排量75mL/r液压泵额定转速2160r/min马达转速1834r/min液压泵容积效率0.926溢流阀调定压力42MPa补油溢流阀压力2.5MPa冲洗阀溢流压力2MPa1.1.2仿真结果分析根据建立的液压系统模型，分别对系统处于空载、中载、重载下变量泵与定量马达一些基本参数进行仿真研究，根据液压系统的仿真要求对仿真时间为与仿真步长进行设置分别为12s、0.01s，为了保证仿真的便利性，设置在不同情况下的马达负载是固定不变的。根据技术资料设定空载重量为6500kg，中载为7500kg，重载为8500kg。对不同负载下变量泵输出流量和定量马达转速随时间变化关系进行仿真分析，得出的仿真结果如图1.16所示。（a）空载变化曲线图（b）中载变化曲线图（c）满载变化曲线图图1.16变量泵输出流量和马达转速随时间变化曲线图通过仿真结果图可以分析出，当玉米收获机处于空载状态下，液压马达从开始启动到达到最高转速的时间为1.5s左右，而在收获机处于中载和满载状态下时则需要2s左右，通过查阅技术手册可知此时间符合玉米收获机启动需求。根据仿真结果可以看出当玉米收获机处于不同的负载状态下时定量马达的转速都可以稳定在1850r/min左右，而变量泵输出流量都可稳定在140L/min左右，通过换算140L/min即为75mL/s，此结果与所计算的数值值相符。同时根据图像的变化规律可以得出当改变整机负载的时候，变量泵输出流量与定量马达转速都基本保持不变。对玉米收获机处于不同负载状态下的定量马达的进出油口压力差及定量马达扭矩进行仿真分析，得到的仿真结果如图1.17所示。（a）空载变化曲线图（b）中载变化曲线图（c）满载