Design and Test of Closed Hydraulic Transmission System of Four-wheel Drive High Gap Wheel Sprayer
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摘要:
高地隙轮式喷雾机在西北与东北有广泛的农业经济市场，结合高地隙轮式喷雾机的工作特点与闭式液压系统的优势，制定合理的工作参数，设计符合要求的液压系统。运用AMESim软件模型创建闭式液压传动系统，并根据设计选型的液压元器件数据进行仿真分析。根据分析结果对样机进行优化升级，并进行验证试验。试验结果表明，设计的闭式液压传动系统满足高地隙轮式喷雾机实际工况的使用要求，为农业机械智能化控制改造提供可靠的试验平台。
Abstract:The high gap wheel sprayer has a wide range of agricultural economic market in northwest and northeast of China．In combination with working characteristics of high gap wheel sprayer and advantages of closed hydraulic system, reasonable working parameters were formulated and hydraulic system was designed to meet requirements．AMESim software model was used to build closed hydraulic transmission system, and simulation analysis was carried out according to data of hydraulic components．According to analysis results, prototype was optimized and upgraded, and verification test was carried out．Test results showed that designed closed hydraulic transmission system met actual working requirements of high gap wheel sprayer and provided a stable experimental platform for intelligent control of agricultural machinery．
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图 1 闭式液压传动系统原理
1. 左后轮液压马达 2、13、20、31. 减速器 3、12、21、30. 轮胎 4、10、23、29. 两位两通中位阀5、7、9、15、18、24、26、27、34、47. 溢流阀 6、8、25、28、35、36. 单向阀 11、22、33、48. 两位两通电磁换向阀14. 左前轮液压马达 16、17、37. 分流阀 19. 右前轮液压马达 32. 右后轮液压马达 38. 冷却器39、42. 过滤器 40. 温度计 41. 液位计 43. 定量泵 44、45. 闭式泵 46. 发动机
Figure 1. Closed hydraulic drive system principle
图 2 闭式液压传动系统仿真模型
1. 液压油 2. 电机 3. 分速器 4. 减速器 5. 定量泵 6. 闭式变量泵 7、15、18、24、27、33、36. 分段线性信号源 8、9、10. 单向阀11、12、13、26、36. 溢流阀 16、17、27、37. 两位两通换向阀 19. 左前轮液压马达 20、29. 模拟负载21、30. 转矩仪器 23、32. 增益 28. 右后轮液压马达
Figure 2. Closed hydraulic drive system simulation model
图 3 马达（19、28）正常工作流量特性曲线
Figure 3. Characteristic curve of normal working flow of motor （19，28）
图 4 马达（19、28）正常工作传输扭矩曲线
Figure 4. Transmission torque curve of motor （19，28）working normally
图 5 马达（19、28）正常工作压力特性曲线
Figure 5. Characteristic curve of normal working pressure of motor （19，28）
图 7 加载溢流阀工作马达（28）传输扭矩
Figure 7. Curve of transmission torque of motor （28） loading relief valve
图 8 加载溢流阀工作马达（28）压力曲线
Figure 8. Pressure characteristic curve of motor （28） loading relief valve
表 1 高地隙喷雾机主要传动参数
Table 1. Main transmission parameters of high gap sprayer
项目名称 参数指标 车辆驱动系统 四轮独立驱动，闭式液压传动 马达减速传动比 1∶53.7 工作行驶速度/（km•h−1） 4.2～4.5 空载路面行驶速度/（km•h−1） 7.0～7.2 空载质量/kg 2 400 满载工作质量/kg 7 500 驱动轮半径/m 0.65 工作地理环境 爬坡角度15°，可以1轮悬空行驶 
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表 2 主要液压元件参数
Table 2. Main hydraulic components parameters
项目名称 参数指标 马达结构综合传动比 1∶53.7 重载最大运行速度/（km•h−1） 4.2～4.5 空载田间运行速度/（km•h−1） 7.0～7.2 空载运行质量/kg 2 400 重载机械质量/kg 7 500 车轮最大工作半径/m 0.65 工作田间地理 爬坡能力为15° 发动机工作转速/（r•min−1） 2 400 马达工作参数I：转速/排量/（r•min−1）/（mL•r−1） 987/39.5 马达工作参数II：转速/排量/（r•min−1）/（mL•r−1） 1 579/25 系统正常工作压力/MPa 21 溢流阀设定压力/MPa 28 串联闭式泵排量/（mL•r−1） 60+60 定量泵排量/（mL•r−1） 36 串联闭式泵工作转速/（r•min−1） 1 500 定量泵工作转速/（r•min−1） 1 500
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表 3 元件仿真参数
Table 3. Simulation parameters of components
模型名称 参数 理想工作泵输出速度/（r•min−1） 1 300 闭式变量泵排量/（mL•r−1） 60 马达转速（重载）/（r•min−1） 987 马达排量（重载）/（mL•r−1） 39.8 启动马达转矩/ （N·m） 0 重载马达工作转矩/ （N·m） 106 系统溢流阀压力/MPa 28 溢流阀/（L•min−1） 120 正常工作变量泵信号 0～18 s为1
19～22 s为−1～1
23～38 s为−1
39～40 s为−1～018信号源 0～20 s为1
21～40 s为015信号源 0～20 s为0
21～40 s为124、33马达转矩信号 0～2 s为0～10.6
3～18 s为10.6
19～22 s为10.6～−10.6
23～38 s为−10.6
39～40 s为−10.6～027、36加压阀信号 0～40 s为1 19号马达悬空时，28号马达重载
转矩/ （N·m）141 19号马达悬空时转矩/ （N·m） 0 25、34号加载溢流阀/MPa 21 18信号源 0～20 s为1
21～40 s为0马达悬空变量泵信号 0～40 s为1 18信号源 0～40 s为1 15信号源 0～40 s为0 24马达转矩信号 0～2 s为0～10.6
3～20 s为10.6
21～22 s为10.6～0
23～25 s为0
26～40 s为10.633马达转矩信号 0～2 s为0～10.6
3～20 s为10.6
21～22 s为10.6～14.1
23～25 s为14.1
26～40 s为10.627加压阀信号 0～21 s为1
22～25 s为0
26～40 s为136加压阀信号 0～40 s为1 23、32增益值 −10
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表 4 田间验证试验参数
Table 4. Field validation test parameters
项目名称 参数指标 车辆驱动系统 四轮独立驱动，闭式液压传动 马达减速传动比 1∶53.7 工作行驶速度/（km•h−1） 4.2～4.5 满载工作质量/kg 7 500 驱动轮半径/m 0.65 工作地理环境 爬坡角度15°，一轮悬空行驶 土壤湿度/% 25～30 土壤紧实度/Pa 100～120
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表 5 田间试验数据
Table 5. Field experiment data
参数指标 试验分组 1 2 3 4 5 6 主泵流量/
（mL•r−1）60+60 60+60 60+60 60+60 60+60 60+60 辅助泵流量/
（mL•r−1）36 36 36 36 36 36 马达流量/
（mL•r−1）39.5×4 25×4 39.5×4 39.5×4 39.5×4 39.5×4 整车质量/kg 7 500 2 400 7 500 7 500 7 500 7 500 柴油机传动转速/
（r•min−1）1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 1 500 连续工作时间/min 60 60 60 60 60 60 爬坡角度/（°） 5 5 10 15 15 15 路面高低差/cm 5～10 5～10 5～10 5～10 10～20 25～30 系统温度/℃ 62 60 64 64 66 68 工作行驶速度/
（km•h−1）5.1 8.1 5.1 5.1 5.1 5.1 系统压力/MPa 10.3 5.4 11.0 12.5 14.6 17.8
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