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探究玉米收获机液压动力换挡系统

2020-03-17 252 上传者：管理员

摘要：玉米收获机在比较复杂甚至相当恶劣的工作环境作业，为了让收获机发挥最大的牵引力，让发动机可以一直处在高效的工作范围，提高经济性能，降低作业成本，就需在合适的挡位下工作，所以需要驾驶人员根据实际情况随时换挡，这就增加了驾驶人员的劳动强度。为了使这一问题得以解决，本文对玉米收获机液压动力换挡系统进行了研究，设计系统包括了液压泵站的设计和控制系统的开发的研究，经实验得出了该液压动力换挡系统的可行性，，在保证与传统换挡时间相同的情况下的同时，还减少了驾驶人员的操作次数并降低了驾驶人员的操作力，，所以使其劳动强度得到了大大地降低。

关键词：
动力换挡
控制系统
液压
玉米收获机
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玉米收获机在完成不同的作业任务时，驾驶员为了适应不同的作业任务需要频繁换挡，导致劳动强度增大、作业的生产效率降低，并且传动效率难以保证。为了解决以上问题，需要开发出具有智能化特征的动力变速系统，由控制系统完成挡位的变换即实现玉米收获机的动力换挡，以适应玉米收获机特殊的工作环境和提高玉米收获机的使用性能，这样就可以将驾驶员在繁琐的换挡中解放出来，专注于各种作业任务的操作，从而提高生产效率和经济效益。王晓华论述了动力换挡的四大优势：换挡过程不停机，作业效率高；换挡时间短，节省作业燃油消耗；换挡操纵轻便、操控环境舒适；传动系部件使用寿命长，经济性好。乔征研究了大功率装载机用动力换挡变速器，通过实验证明改动力换挡变速箱在Ⅱ挡时最高效率为77%，Ⅳ挡时最高效率为70.87%。夏光等提出了大马力拖拉机动力换挡的控制策略，即动力换挡恒转矩控制策略，可实现拖拉机在负载状态下换挡，且在换挡过程中始终保持较大的动力输出，使得拖拉机能够持续作业，保证了作业效率和作业质量。由于动力换挡具有操作轻便性及良好的经济性等优势，本文根据玉米收获机的作业特性，设计开发了适合于玉米收获机三挡变速箱的液压动力换挡系统，主要包括液压泵站等硬件系统的设计和控制系统的开发，并在试验台上对其进行了实验验证，所设计的液压动力换挡系统运行良好，换挡时间等可以满足实际需要。

1、液压泵站的设计

图1 液压泵站结构图

液压泵站主要包括电机、液压泵、电磁换向阀、液压管路以及液压缸等，液压泵上配备的三个电磁换向阀，控制液压缸活塞杆的伸缩，其结构如图1所示。另外为了控制输出的压力设计了一个输出压力可调的溢流阀，控制液压回路的系统压力，溢流阀电磁铁得电之后液压泵站才有高压输出，液压泵站正常工作。系统采用了三个液压缸，分别对应换挡拨叉、选挡拨叉和离合拨叉。设计的液压缸的行程稍大于换挡拨叉、选挡拨叉和离合拨叉中较大者，可以满足选换挡的需要。为了降低时间损耗，采用液压缸活塞杆直接推动选换挡拨叉以及离合拨叉，装置如图2所示。为了克服液压缸直线运动和拨叉曲线运动之间的干涉，在液压缸的固定端设置了吊环结构。

图2 液压缸的连接装置

2、控制系统的开发

为实现液压动力换挡，采用PLC为控制器，通过控制液压缸换向的方式实现变速器的动力换挡。玉米收获机变速箱内部机械结构决定了换向时需遵循以下原则：先拉紧离合拨叉，使离合器处于分离状态，然后再进行选换挡，换挡完成后，松开离合拨叉，使离合器处于接合状态，换挡完成。离合器处于分离状态时，换挡拨叉处于中位时，选挡拨叉才可以运动到相应的位置，因此在控制系统的开发中，设计了中位传感器；同时，选挡拨叉只有处于左、右极限位置时，换挡拨叉才能运动相应的位置进行换挡；使离合器接合之前，确保选挡拨叉处于左右极限位置，换挡拨叉可以处于左右极限位置对应的挡位处或处于中位即空挡；换挡结束之后才能松开离合拨叉，使离合器处于接合状态递扭矩；离合器的接合过程要缓慢，防止负载瞬间过大而憋死电机或发动机；整个换挡过程应在保证安全、平稳、可靠的前提下，尽量缩短换挡时间，提高换挡效率。根据要求设计液压换向控制程序，其流程图如图3所示，在控制流程图的基础上分配输入端子、输出端子与挡位之间的关系，进而编写PLC梯形图，实现对液压泵站的控制。拨动控制手柄，程序开始，判断是否挂空挡，挂空挡时离合器分离端得电，通过液压缸使离合器处于分离状态，换挡手柄找中位，换挡结束、卸荷；挂其他挡位时，离合器分离端得电，通过液压缸使离合器处于分离状态，换挡手柄找中位，电磁阀通过液压缸移动选挡手柄，电磁阀通过液压缸移动换挡手柄，离合器运动到接合状态，换挡完成。图3液压换向控制流程图

换向控制手柄为十字换向手柄，手柄每一个换挡位置对应一个变速器挡位，中间位置对应空挡，搭建PLC控制柜，如图4所示，主要包括继电器组、PLC控制组、电源组、导线组和换挡手柄等。

图4 PLC控制柜

3、试验验证

将设计的液压动力换挡系统安装于试验台上进行性能测试如图5所示，在试验台上运行良好，可以实现预期的换挡动作，与传统的换挡相比，每次换挡由原来的离合、选挡、换挡三次操作改为控制手柄的一次操作，并且样机的控制手柄操作力为15-20N，操作的简便性和轻便性都得到了大大的提高。传统的玉米收获机经验师傅的离合换挡时间为3-5s，本设计中的液压动力换挡时间为4s，换挡时间可以满足实际需要。

图5 液压控制换挡的实验装置

4、结论

针对传统玉米收获机换挡时存在的缺点，开发了一套适用于三挡变速箱和离合器的液压动力换挡系统，将以往需要驾驶员配合操作的换挡杆和离合器踏板用液压元器件取代，驾驶员只需要对操作台上的控制手柄给予相应的换挡指令输入，控制系统就能针对控制指令，按照预先设定的换挡流程，依次对液压系统的元件发送指令，使其代替驾驶员完成换挡操作。由原来的多个操作配合变为一个操作，操作的简便性提高了；由原来的100N左右的操作力变为15-20N的操作力，操作的轻便性也提高了；换挡时间为4s，可以满足换挡的需要。

参考文献:

[1]王晓华.动力换挡拖拉机的优势[J].农村牧区机械化,2007(52).

[2]乔征,卢凤臣,崔国敏,周立鹏.300kW装载机用动力换挡变速器[J].工程机械,2017(10).

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孔令建,杨玉娥,刘鲁宁, 等.玉米收获机液压动力换挡系统的研究[J].农村经济与科技,2019,30(12):266-267.

[基金项目]本文系山东省农机装备研发创新计划项目(编号2016YF002).