農業行走機械轉向力對比與試驗分析

雷迪迪，胡玉鵬，王翔

（1.中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410000；2.鐵建重工新疆有限公司）

0 引言

農業行走機械的轉向機構的性能影響著農業機械轉向[1]，全液壓轉向機構在農業行走機械領域的推廣應用提升了農業機械的智能化率和生產率。農業機械在收獲時如果全液壓轉向機構的轉向力矩不足，在田間的轉彎性能就會受限，導致轉向半徑增大，影響農業行走機械的轉向。因此，開展轉向力計算對比及試驗分析等研究以及分析轉向油缸的壓力變化可為農機轉向橋的設計提供參考。

1 轉向機構原理

橫置液壓缸式轉向機構（圖1）的結構參數包括主銷距M，液壓偏置距E，轉向節臂長R，連桿長L0和液壓桿長D，通過橫置液壓缸的左右運動來推動拉桿，帶動轉向節臂繞主銷旋轉進而帶動輪胎的旋轉，并通過內轉向與外轉角的不同來實現轉向（圖2），液壓缸的推力需要克服地面對輪胎的轉向力矩。

圖1 橫置液壓缸式轉向機構示意

圖2 阿克曼轉向原理圖

根據阿克曼（Ackerman）轉向理論[2]，內輪、外輪轉向需要滿足以下關系：

式中α—外轉角，°；β—內轉角，°；M—轉向力矩，N·m；L—前后輪軸距，m。

根據研究及分析[3-8]，轉向機構各零件的尺寸參數確定后，液壓缸的推力和拉力僅與地面對輪胎的轉向力矩、內轉角和外轉角有關。

2 轉向力矩計算

2.1 雷索夫推薦公式

2.2 塔布萊克推薦公式

式中ξ—有效摩阻系數，根據a/b值選取（圖3）；G1—車橋載荷，N；a—主銷偏置距；b—輪胎寬度，mm。

圖3 a/b 值選取

圖4 4QZ-6000 青貯機廠內原地轉彎試驗

2.3 農機轉向經驗公式

式中G—車橋載荷，N；e—主銷偏置距，mm；b—輪胎寬度，mm；μ—輪胎與地面間的滑動摩擦系數，取0.7。

2.4 汽車轉向公式

式中μ—輪胎與地面間的滑動摩擦系數，取0.7；G1—車橋載荷，N；e—主銷偏置距，mm；P—輪胎氣壓，kPa。

3 轉向油缸計算

轉向油缸[9]所需推力為：

式中M—轉向阻力距（根據不同經驗公式計算選取），N/m；r—液壓缸作用在轉向節上最小力臂，m。

轉向油缸力為：

式中D—轉向油缸缸徑，mm；d—轉向油缸桿徑，mm；P—轉向油缸壓力，MPa。

通過轉向油缸所需推力與轉向油缸力的計算對比，轉向油缸力需大于轉向油缸所需推力轉向橋才能轉向。

4 對比分析

根據4QZ-6000 型6 m 青貯機所用轉向橋進行計算，其主要參數如下：

橋荷重量（t）9.5

有效摩擦系數0.22

主銷偏置距（mm）170

油缸工作壓力（MPa）16

輪胎與地面間滑動摩擦系數0.7

輪胎自由半徑（mm）783

輪胎寬度（mm）550

缸徑（mm）88

輪胎的滾動摩擦系數0.02

輪胎靜力半徑（mm）732

輪胎氣壓（kPa）320

桿徑（mm）42

根據雷索夫推薦公式、塔布萊克推薦公式、農機轉向經驗公式和汽車轉向經驗公式4 種公式的計算，轉向阻力的平均值為58 032N，根據農機轉向經驗公式計算出轉向阻力最大為66 387N，超出平均值14.4%；根據塔布萊克推薦公式計算出轉向阻力最小為51 499N，低于平均值11.3%（表1）。轉向阻力最大值、最小值與平均值誤差范圍均在15%以內，表示4 種不同經驗公式計算的轉向阻力誤差較小。

表1 不同經驗公式計算對比表

5 試驗

在瀝青路面、水泥路面上和廠區內對4QZ-6000青貯機進行原地轉彎試驗，分別調整發動機至低、中、高轉速并匹配不同轉向速度進行試驗，試驗數據如表2。

表2 瀝青路面、水泥路面及廠內不同轉向速度下的轉向油缸壓力對比表

6 結論

通過在瀝青路面、水泥路面及廠內工況下進行對比試驗和轉向油缸壓力測試，對比表2數據可知：

（1）相同發動機轉速下，轉向速度快時轉向壓力也將增大，最大壓力升高。

（2）隨著發動機轉速提高，轉向油缸進油腔最大壓力也在提高，分別約為：18.0MPa、20.0MPa 和22.0MPa。

（3）發動機轉速為900r/min時轉向油缸兩端壓差約為17.2～18.0MPa；發動機轉速為1600r/min時轉向油缸兩端壓差約為19.2～20.2MPar；發動機轉速為2 100 r/min 時轉向油缸兩端壓差約為20.6～21.0MPa。

（4）工作壓力為16.0MPa，目前最大壓力為22.3 MPa，比16.0MPa高38%。

7 總結

根據雷索夫推薦公式、塔布萊克推薦公式、農機轉向經驗公式和汽車轉向經驗公式4 種公式的計算，塔布萊克推薦公式、雷索夫推薦公式、農機轉向經驗公式、汽車轉向經驗公式計算數值遞增，塔布萊克推薦公式和雷索夫推薦公式計算數值相差很小。為了保證轉向性能，可取最大值來計算轉向油缸所需的最大轉向阻力，此外相同發動機轉速下轉向速度對其影響顯著，隨著發動機轉速提高，轉向油缸進油腔最大壓力隨之提高，為了提高轉向性能，轉向油缸最大壓力需為工作壓力的1.4 倍以上，該結論可為農機轉向橋的設計提供參考。