S15《车辆与行走机械的静液压驱动》| 自走式收获机械的静液压驱动技术

[ 第三章 ]

车辆与行走机械应用静液压驱动技术的发展历程

之性能与布局相得益彰的自走式

收获机械静液压驱动技术

如果说谷物联合收割机的功能和形态特点体现了采用静液压驱动装置的必要性，那么这种机械作业时的功率分配状态则为应用静液压驱动提供了较多的可行性。

本期继续王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书第三章的研读之旅，一起来了解静液压驱动技术在车辆和行走机械中的应用发展历程之：自走式收获机械的静液压驱动技术。

与行走机械中采用静液压驱动的始作俑者拖拉机在这一技术的应用过程中长期以来举步维艰的局面不同，静液压驱动技术在另一类农业机械上却几乎从一开始就获得了成功并被迅速推广，这就是以谷物联合收割机为代表的各种自走式收获机械。它们之所以能成为最早成功应用并普及静液压驱动装置的行走机械之一，源自其形态和功能上的特质因素所形成的必要性和可行性。

它们的收割台布置在最前方，是全机宽度最大的部位。驾驶室位于收割台的后上方，使驾驶员能很好地直接观察收割台的工作情况。为了减少作业中飞扬的秸秆碎屑和尘埃对于冷却系统的堵塞，发动机位置都较高，目前甚至更倾向于将其与所收获的籽粒储仓一起安装在机身的最上部。联合收割机机身的中间部位需要留出足够大的空间作为所收获物料的通道，并按照脱粒、清选和分离等工序的工艺要求适当配置相关的各种工作部件。这样的布局使得整机的重心偏前，加之考虑到行进间减少收割台的偏移与起伏以提高作业质量的需要，其行走机装置都把装有较大的轮胎的驱动桥设置在机身前部与机身刚性连接，而轮胎较小的转向桥则位于后部，依靠转向桥梁架绕中心轴销的横向摆动来适应地形的变化。

当一台联合收割机的收割台工作宽度确定以后，它在田间的行走速度就成为一个主要的控制参数。例如，与其生产率和作业质量息息相关的量纲为kg/s的“喂入量”，就是行走速度和被收获作物单位切割面积内产量的函数。然而联合收割机的速度不能像汽车那样用发动机转速来调节，因为既然称之为“联合”收割机，就意味着除了驱动行走装置以外，它的发动机还要同时驱动许多处理作物的工作部件，诸如切割用的刀组和拨禾轮、脱粒用的滚筒、分离用的逐篙器、清选用的筛子和风扇等。此外还有用于衔接各工作部件的作业流程之间的众多的螺旋式、链斗式输送装置。这些工作部件的转速都经过了对应于最佳的生产率、最小的损失、最好的籽粒洁净度等等目标函数的优化设计。而受成本和布局空间的限制，现有机型中的大多数工作部件的转速在作业过程中不能任意调整，而且彼此之间的转速关联十分密切。加之使发动机经常维持在经济性、动力性均比较有利的转速下的要求，这些因素使得作业过程中发动机的转速已经被工作装置所“绑定”，不能再用它来来调节行走速度。而通过控制行驶方向随时改变收割幅宽的方法调节喂入量同样不可行，因为这将使田间作物已收割和待收割部分的边界变得参差不齐、凌乱破碎，机组的行进轨迹中平添了许多无谓的偏移和曲折，将严重影响作业质量和生产率。受到这些因素的制约，人们需要为自走式收获机械的行走装置专门设置一套独立的调速系统，而且这种调速应该能够在不切断发动机动力的条件下连续进行。实际上，很早以来几乎所有自走式联合收割机的行走装置中就都包含了可在行进间无级变速的传动环节。以前主要采用成本低廉但尺寸比较庞大的楔形带式（即皮带式）无级变速器。但在收获机械向大型化发展的进程中，一方面单根楔形无级变速传动带功率容量不敷使用，另一方面，在当今许多新型联合收割机都装备了自动检测喂入量、脱净率、夹带率和籽粒损伤率等作业质量参数的传感器，并需要用其反馈信息来控制行走速度的大趋势下，皮带无级变速器的响应时间也无法满足闭环自动控制的要求。加之联合收割机的形态使得其发动机不得不远离驱动轮高位布置要求，都促使大中型的自走式收割机越来越多地以静液压驱动的无级变速装置取代楔形带式无级变速器。

如果说谷物联合收割机的功能和形态特点体现了采用静液压驱动装置的必要性，那么这种机械作业时的功率分配状态则为应用静液压驱动提供了较多的可行性。联合收割机属于低速自走机械，其行走驱动装置主要供推进本机行驶之用，一般没有外部牵引负荷；除了特殊的坡地用机械外，田间作业地域都比较平坦，转场道路的坡度也不大。据统计，在田间作业时，它的发动机功率大部分用于驱动切割、脱粒、清选和分离等工作部件，行走装置功率消耗一般在发动机总装机功率的三分之一以下，所需要的动力因数一般不超过0.4-0.5，其载荷谱与拖拉机截然不同，拖拉机发动机的大部分功率供行走装置用于克服牵引阻力。这一特点使得行走传动装置在整机成本构成中比重不大，只需配用规格较小的静液压驱动元件，静液压驱动装置较为昂贵的缺点对于整机价格的影响不很突出，而其稳态效率较低的缺点对于整机油耗的影响也不很明显。如此在购置成本和使用成本两方面的负面影响的“淡化”，显著地减少了用户接受这样的新技术装备的实际负担和心理障碍。

虽然这种机械的机身空间需要作为被收获物料工艺通道的形态特点久已存在，传统结构的传动装置也本来就布置在机身的两侧，采用了新型的静液压驱动装置后总的传动布置似乎并没有发生本质性变化。但与前述的功率分配问题相对应的是，采用静液压驱动装置后，发动机的布置可以专注于优化工作部件的传动。此前为协调机身两侧的传动链曾不得不设置的横贯全车身的中间轴，甚至需要采用专门定制的曲轴前后端双输出轴的专用发动机的困难都不复存在，发动机也有可能布置在作业环境更为清洁的位置。尤其是对于那些需要为提高在低湿松软田间的通过性和操纵性而采用四轮驱动的行走装置的机型来说，无论它们的主驱动轮是用液压马达驱动，还是仍然沿用传统的皮带无级变速器驱动的，静液压驱动都是解决从高居于机身之上的发动机向远在后端的转向驱动轮传输动力问题的最好选择。静液压驱动装置的柔性布局特点不仅十分适应原本机械传动的联合收割机传统的形态要求，而且还为它们带来了更多的发展空间。

值得注意的是，近年来在先进的联合收割机型上，一些重要的工作部件如脱粒滚筒、中央输送器等也在尝试使用液压传动取代原有的皮带或链条传动。不仅能借助液压传动的无级变速更精确地控制收获和脱离作业的运转参数，而且还能够通过工作部件的反转得以迅速排除秸秆堵塞等故障。这些方面的技术进步所体现的效益，自然也会对其行走装置静液压驱动技术的进一步推广产生有利的影响。不过根据以往的经验，对于消耗功率较大的脱粒滚筒之类的主要工作部件来说，采用静液压驱动的必要性并不大，而成本和传动效率等方面的负面影响却更为显著，似乎并非是最优化的选择。

从20世纪70年代开始，自走式谷物联合收割机开始采用液压驱动并迅速获得推广。现在世界著名的Claas 、Case 、New Holland 和Massey Ferguson 等品牌的喂入量6 kg/s以上的大型谷物联合收割机，已经几乎百分之百地采用液压装置驱动行走轮或半履带行走装置，或者至少是可以选装静液压驱动装置。在我国东北和新疆等地大面积连片经营的农业垦区中，可以看到许多这样的现代化的进口大型收获机械在作业（图3-21a）。

自走式水稻联合收割机（图3-21b）也是静液压驱动装置的重要用户。除了以上分析的那些因素以外，较低的行走速度和不大的行走功率使它们得以使用生产批量较大、因之相当廉价的中、轻系列的液压泵和马达，其中很大比例是整体式静液压变速箱和驱动桥。

中国农机院曾在20世纪60年代中期研制过两台静液压驱动的小型谷物自走联合收割机，收割台割幅2.5m，行走驱动采用低速方案，装有该院试制工厂自制的斜盘型变量液压泵和曲轴连杆型低速车轮液压马达，液压马达的排量约1L/r，最高压力28-32MPa。这是中国静液压驱动自走式联合收割机的开山之作。国际上静液压驱动的联合收割机大致是60年代初出现的，应该说中国人在这方面的起步并不很晚。这两台样机作过一些田间试验，从中积累摸索到了一些经验和教训，但终究因受当时整个国家的技术基础的限制和“文革”形势的干扰，与同时代国内一些早期的静液压驱动拖拉机和其他车辆机械一样，静液压元件本身就未能过关，相关的整机研制工作当然也难以走得更远。

1973-1976年间，中国农机院和四平东风农机厂合作开展了一项“联合收割机低湿地防陷防滑装置的研究”的课题，在其中的一个子项目“联合收割机后导向轮液压驱动”的研究工作中，为一台前桥采用机械传动的中型联合收割机改装了一套静液压驱动的转向驱动桥，为此目的，研制了结构简洁紧凑，综合性能和自由轮功能良好的ZQML系列轴向柱塞多作用车轮液压马达（图3-22a），试验了包括恒压系统在内的几种能使由液压驱动的后轮（辅助驱动轮）与机械驱动的前桥主驱动轮同步运转的回路系统和控制方式。这一研究证明了使用静液压驱动技术实现联合收割机全轮驱动的可行性和以此提高机械在低湿地上的通过性的有效性，并对转向驱动桥的具体结构，以及机械传动的前桥与静液压驱动的后桥之间的同步控制系统进行了有益的探讨和实践。此课题的成果获得了1978年的全国科技大会奖。