一種避障割草機液壓系統的設計

李長偉

（常州漢森機械股份有限公司，江蘇常州 213000）

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避障割草機是一種適用于果園、帶護欄公路等含有障礙物區域的割草作業機器。該機器通過機械或液壓方式控制割草頭偏轉或平移來實現避讓障礙物的功能。但市面上的避障割草機存在以下幾個問題：①機械避讓的割草機是通過讓障礙物來擠推割草頭來實現避讓的，這種避讓方式在果園進行作業時容易造成果樹的損傷；②部分液壓控制的避障割草機其避讓速度無法與機具的行進速度匹配，導致割草頭容易磕碰障礙物，對障礙物或機器造成損傷。

本項目針對這樣的問題開發了一種新的避障割草機，該項目屬于掛接式屬具，通過拖拉機或其他移動設備（以下統稱為移動設備）的掛接并且為該避障割草機提供動力來帶動其工作。該項目采用液壓控制割草頭避讓，通過對液壓系統進行優化設計，增加了該項目的適用范圍，并且簡化系統、提升產品的可靠性，同時也解決了避讓速度與行駛速度的匹配問題（圖1）。

圖1 避障割草機基本結構

1 設計要求

該項目采用移動設備的液壓輸出作為動力，動作元件包括液壓馬達和偏轉油缸。由于各種移動設備的液壓輸出流量不一致，所以要求能夠恒定進入系統的流量，以保證所有動作元件始終保持在設計要求的速度下工作；液壓輸出的進油和回油方向會由于人為的誤操作而出現反向的情況，因此該系統需要對這一情況起到保護作用，防止由于機手誤操作而導致系統元件損壞；液壓馬達通過皮帶來驅動四個割草刀盤工作，要求在工作時刻保持轉速穩定；偏轉油缸用來控制割草頭偏轉，實現避讓動作，要求響應及時，動作連貫無卡頓；同時對應不同的作業時速，也要求割草頭偏轉的速度可以和作業時速相匹配，降低操作手操縱難度。

2 系統方案設計

該系統采用移動設備上的一組液壓輸出作為動力輸入，在輸入端采用調速閥來保證進入系統內部的流量控制在設計流量范圍內，同時系統入口的單向閥可以防止機手誤操作而導致液壓油從系統回油口進入，對系統和液壓元件造成損壞。液壓馬達和偏轉回路采用串聯連接，優先保證液壓馬達的供油，偏轉回路的換向閥采用兩位換向閥，在不操縱換向閥時，液壓油通過換向閥進入偏轉油缸大腔，使得割草頭始終保持在正常工作狀態，當障礙物觸發換向閥換向時，液壓油通過換向閥進入偏轉油缸的小腔，油缸縮短，從而帶動連接在油缸一端的割草頭進行回轉避讓。為了實現避讓速度與行駛速度的匹配，在偏轉回路中增加調速閥，通過調節進入偏轉油缸的流量來得到合適的避讓速度。當偏轉油缸動作結束后，液壓油會通過換向閥內部的溢流閥流出經散熱器回到移動設備中（圖2）。

圖2 液壓原理圖

3 設計計算

3.1 設計計算輸入

避障割草機工作時速2 km/h，割草刀盤切割轉速3500 rpm，共有4個割草刀盤，每個刀盤工作直徑D=35 cm，每個刀盤的切割阻力f≈2 kg，馬達至刀盤的傳動比1：2。通過結構設計得到油缸行程S=280 mm，要求偏轉油缸伸長時間在≤2.5 s，縮回時間，割草頭部分重量70 kg，偏轉結構采用軸承連接，偏轉阻力矩很小，可忽略不計。該項目適配20～50 Hp移動設備，移動設備的液壓輸出壓力在17 MPa左右，流量25～35 L/min，這里取最小流量Q=25 L/min作為該項目系統的額定流量。

3.2 計算過程

3.2.1 馬達參數設計計算

3.2.2 油缸計算

考慮割草頭在地上拖行時偏轉油缸需要有足夠的推力將割草頭固定在工作位置，通過結構計算油缸大腔的作用力F≥4000 N，這里取4000 N。由于割草頭重量較輕，割草頭避讓時所需的油缸作用力很小，忽略不計。通過對油缸結構穩定性分析，這里取油缸缸徑D=40 mm，桿徑d=25 mm。

油缸工作所需的壓力：

再考慮油缸所需的啟動壓力≤0.5 Mpa，綜合考慮油缸所需的工作壓力≥3.68 MPa。

油缸大腔（油缸伸出）所需流量：

油缸小腔（油缸縮回）所需流量：

綜上，偏轉系統的流量需求取9 L/min，則偏轉回路中的調速閥調定流量9 L/min。

3.3 驗算系統性能

3.3.1 驗算系統壓力損失

由于系統管路較短、彎頭較少，所以管路的沿程壓力損失和局部壓力損失忽略不計。

額定流量下有關閥的局部壓力損失：調速閥0.7 MPa，換向閥0.3 MPa

3.3.2 驗算系統溫升

1）系統的發熱功率。該系統的執行元件包括液壓馬達和換向閥以及溢流閥，其中馬達效率取均值85%，移動設備液壓輸出最大壓力17 MPa，除去系統損失1.104 MPa，油缸動作所需3.68 MPa，馬達最大工作壓差12.216 MPa，馬達工作流量Q=25 L/min。

2）冷卻能力驗算。由于系統沒有油箱，需要配備散熱器，現選擇型號AH0607T散熱器，散熱面積1 m2，散熱功率1.05 kW。

該散熱器滿足要求。

4 液壓元件選擇

通過上述計算分析，各液壓元件技術參數見表1。

表1 各液壓元件技術參數

5 結語

本系統通過從移動設備上直接取液壓動力，省去了液壓泵及油箱部分，簡化了系統結構，進口端的單向閥可以保證系統工作安全，調速閥則能讓系統內的工作元件始終在設計的速度下工作。采用串聯方式同時控制馬達以及偏轉油缸工作，在保證馬達平穩工作的情況下，也能為偏轉回路提供穩定的液壓動力。再通過調節偏轉回路中的調速閥，讓偏轉油缸的動作和割草機的工作時速相匹配，提升整機工作的流暢性。在系統末端的增加散熱器，可以將系統溫度始終控制在許可的工作溫度下，為整機長時間工作提供了保障。