联合收获机原地转向变速器设计

乔立涛

摘要：为提高联合收获机的机动性和工作效率，设计了由湿式摩擦片离合器传递反转动力的原地转向行走变速器并进行试验研究。结果表明:正、反转动力转换柔和传递可靠，理论转向半径为零;与传统单边制动转向机构相比，作相同角度转向时，转向行程比后者下降了50%，转向功耗比后者下降41.43%，并减轻了对田间地表的破坏。原地转向技术的应用，可减少田间作业空行程，提高机器机动性，从而提高了联合收获机的整机技术水平。

关键词：收获机；变速器；设计

伴随水稻产量提高和综合利用的需要，要求联合收获机增大喂入量并能收获多种作物。水稻联合收获机普遍采用橡胶履带式行走机构，为提高作业效率和机动性，减少作业中的空行程，要求行走变速箱具有优越的转向性能，小田块作业时尤为如此。实现原地转向是提高联合收获机转向性能的有效手段。现有履带式联合收获机变速箱均按单侧履带完全制动获得最小转向半径的方案设计。制动履带完全制动引起严重括土、破坏土壤且产生制动功耗。现有纵轴流联合收获机存在不能实现长秆作物与短作物收获工作状态快速转换、小半径转向易引起表层土壤破坏、非差速脱粒滚筒不适应高产作物脱粒收获以及未经防沾水振动筛面不适应含水率较高作物清选处理等不足。若能使两则履带一正一反运转，则可实现理论半径为零的原地转向，不但缩小转向半径，并且能克服制动履带因滑移拥土而增大阻力的缺点。

一、收获机结构和工作原理

为使驱动轮一正一反旋转实现机器原地转向，行走变速箱必须具备两路独立的动力。本设计在液压马达动力输入变速箱后将其分为A、B两路正、反转动力，A路正转动力由驱动齿轮经中央传动齿轮及右、左两侧牙嵌离合器齿轮向两侧传送正转动力;B路反转动力由与驱动齿轮位于同一轴上的右或左反转驱动齿轮驱动，经右或左换向齿轮、右或左反转离合器齿轮和右或左牙嵌离合器齿轮向右或左侧传送反转动力。当向右原地转向时，只需操纵右侧拨叉向右移，使右侧牙嵌离合器与中央传运齿轮分离后与右侧反转离合器结合，反转动力即由右牙嵌离合器齿轮经右传动齿轮使右驱动轮反向运转。牙嵌离合器啮合深度4mm，拨叉在液压操纵下可在机器运行状态中平顺分离与啮合。由于驱动齿轮和右反转驱动齿轮齿数相等，中央传动齿轮和右反转向离合器齿轮齿数相等，故可使左、右驱动轮转速相等，方向相反，实现机器向右原地转向。若仅使右牙嵌离合器与中央传动齿轮分离而不与右反转向离合器结合，即仅使用A路动力，则右侧履带靠惯性前行，速度下降，机器向右转大弯;若仅使用A路动力且左、右牙嵌离合器始终与中央传动齿轮结合，则左、右驱动轮转速相同，方向相同，机器可稳定直行。总之，使用A路动力时，机器直行或转大弯;同时使用A、B两路动力时，左、右驱动轮转动方向相反，转速相等还可操纵一侧拨叉使该履带作不同程度反转获得不同回转半径或作稳定原地转向，以上工况均由一操纵杆左、右倾斜操纵完成。反转离合器的设计是本设计的关键。

二、反转离合器基本参数

1、计算转矩。机器原地转向时，由发动机传来的B路动力扭矩由反转离合器在土壤附着条件允许条件下传递，反转离合器的计算转矩［1］为：

2、反转离合器摩擦片内、外半径

三、原地转向分析

1、履带速度和整机回转角速度。假设两侧土壤条件相同，履带运动时无滑转和滑移，则有

式中v1———左履带前进速度，m/s，v2———右履带后退速度，m/s，B———左、右履带中心距，m，ω———原地转向角速度，rad/s。

2、原地转向位移方程和运动仿真。履带式联合收获机原地转向时，两侧履带一正一反运转，履带上某履节A0B0从接触地面到离开地面，其上任一点相对于地面的运动即绝对运动，是该点相对于机架的相对运动和机架上与该点重合的点相对于地面的牵连运动(θ=ωt)的合成。以轨距B=1000mm，接地长度L=1350mm，x1=400mm，y1=675mm，ω=1rad/s，vi=0.5m/s，将这些参数代入建模并仿真，绕扣A0A1为A0点的运动轨迹，曲线B0B1为B0点的运动轨迹。

3、高低速滚筒结构设计。在原单一转速脱粒滚筒基础上，增设差速驱动装置与同径差速滚筒。同径差速杆齿脱粒分离装置由主、从动锥齿轮、差速杆齿脱粒滚筒、栅格凹板等组成，由三角带驱动，脱粒滚筒脱粒段总长度为1372mm，滚筒前段为低速滚筒，占脱粒滚筒脱粒段总长度的4/5即1050mm，后段为高速滚筒，占1/5即280mm[3]。若计入排草段，高速滚筒长度为430mm。工作时，作物由前段低速滚筒低速脱下易脱籽粒；后段高速滚筒脱下难脱籽粒，以降低脱粒不净造成损失。而且后段高速脱粒作业，加速籽粒分离，减少夹带损失。

4、原地转向特征分析

理论转弯半径为零且转向行程短。机体中心投影与回转中心的距离称为转向半径。原地转向时，回转中心与机体中心投影重合，因此理论转向半径为零。若以单侧履带中心线与回转中心的距离作为转向半径，常规转向机构以单侧履带制动来实现最小半径转向，其转向半径轨距为B，原地转向半径为0.5B。如轨距均为1m的联合收获机以最小转弯半径作180°转向时，原地转向机构履带行程为0.785m，常规转向机构履带行程为1.57m，是原地转向的2倍，因此原地转向可减少作业时的空行程，提高时间利用率并节约能耗。

转向时对土壤破坏减少。常规转向机构在湿田作单边制动转向时，被制动履带在田面上拖动、积泥，不但增大了转向阻力，且破坏了地表土壤，而原地转向时则不会出现此类情况。常规转向在湿田进行单边制动转向时，制动履带在田面上拖动、积泥，不但增大了转向阻力，且破坏了地表土壤；而采用单液压马达原地转向变速器，转向时则不会出现此类情况，A位为原地转向履带痕迹，B位为常规转向履带痕迹。

减小转向功耗。常规转向机构以一侧履带制动实现转向，消耗了制动功耗，而原地转向无制动，两侧履带正反转，从而实现转向。经计算，单边制动转向的功耗Nz=12.7kW，与原地转向功耗Nω=8.0kW相比，单边制动转向功耗增大约37.0%；并在割后稻茬地上，转向对比试验，与原地转向功耗Nω=7.99kW相比，单边制动转向的功耗增大了约58.57%。

结论

(1)利用摩擦片式离合器来传递反转动力，可使单侧履带反转，实现联合收获机原地转向。与当前广泛使用的稻麦联合收获机液压无级变速行走变速箱的技术衔接性好，有利于快速转换应用。

(2)原地转向的理论转向半径为零，田间作业机动性好，作相同角度转向时原地转向单侧履带的行程只有常规转向的50%，减少了空行程，提高了时间利用率;原地转向时两侧履带均处于行走状态，故不会破坏土壤表层。

(3)理论计算表明，使用质量和轨距相同的2台联合收获机，在相同挡位下，理论转向半径为零的原地转向的转向功耗为7.99kW，而理论转向半径为轨距B的单边制动转向的转向功耗为12.67kW，比原地转向的功耗增大58.57%。

参考文献：

［1］高辉松，朱思洪．联合收割机动力换挡变速箱和无极变速箱发展现状与趋势［J］．机械传动，2012，36(8):13．

［2］珍德，志磊．浅谈联合收割机变速箱和无极变速箱力换挡技术［J］．农机导购，2013(6):22．

［3］高行方．几种中小型履带自走式水稻联合收割机转向机构的性能介绍［J］．粮油加工与食品机械，2013(8):82．