番茄收获机齿轮泵传动设计与试验

郝朝会 杨学军 周军平 张志杉

（1.中国农业机械化科学研究院，北京 100083；2.山东新华医疗器械股份有限公司，山东 淄博 255086）

新疆地区得天独厚的天然和地理条件，适宜于加工型番茄的大面积种植。近些年，在政府和市场的引导下，加工型番茄的种植得到了长足发展。由于种植面积增加和人力采收成本高、采收时间长等限制，使得人工采收已经满足不了加工型番茄的收获，而加工型番茄机械化收获具有采收效率高、时间短、成本低等优势，得到了新疆市场的认可。

现在新疆地区的加工型番茄收获机主要以国外进口为主，而中国的番茄收获机还不能很好地满足市场的要求，但进口机器适应性不佳、维修成本高、价格昂贵，限制了新疆地区加工型番茄机械化收获的良性发展，因此加工型番茄收获机的国内化亟需解决［1－3］。

为满足新疆地区加工型番茄机械化收获的国内化需求，笔者所在单位研制的4FZ－2型番茄收获机，采用全液压驱动，行走系统为闭式控制柱塞发动机，其余发动机和油缸均为开式系统，其中振动分离发动机、整机油缸、转向、刹车、换挡等由一组三联齿轮泵提供油压，三联齿轮泵的动力来自柴油发动机风扇端主轴，为双联V带传动，但由于V带加工精度差、预紧力以及长时间运动变形等原因，容易打滑失效，并且三联齿轮泵转轴容易磨损失效，造成整机可靠性较差。同步带传动是通过带齿和齿轮的啮合传动动力和运动的，具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。因此，本研究拟在前期研究［4－6］的基础上，改进三联齿轮泵传动装置为同步带传动，并加轴承座过度装置，以便有效保护三联泵转子，旨在解决番茄收获机齿轮泵传动过程中传动失效的问题，提高其传动的可靠性和稳定性。

1 总体方案设计

4FZ－2型番茄收获机配备玉柴柴油发动机YC6B160ZT20，基于安装空间及动力配置考虑，三联齿轮泵传动装置安装在发动机风扇端主轴，三联齿轮泵通过螺栓固定在带导槽的轴承固定座上，转子通过花键联接到从动轮轴，并装在轴承上，见图1。

图1 三联齿轮泵方案简图Figure 1 The scheme diagram of three－linkage gear pump

三联齿轮泵在运动过程中，随着管道内油压增大，带轮拉力增大，当管道内油压达到溢流压力时，带轮拉力趋于稳定。同步带传动是通过带和带轮的啮合传递运动和动力，无相对滑动，能够保证恒定的传动比，且传动效率高，预紧力小。圆弧齿同步带较梯型齿同步带啮合更平稳，降低了震动和噪声，同时减小了齿根处应力集中，提高了同步带寿命，而且载荷分布均匀，承载能力大［7］。因此，本试验传动机构选用圆弧齿形同步带传动。

三联齿轮泵主要性能参数见表1。

三联齿轮泵传动技术要求：

（1）传动平稳、可靠，震动和噪声小，不干涉。

（2）便于拆装，易维护，整机的油缸和发动机正常运转。

表1 三联齿轮泵主要性能参数Table 1 Main performance parameters of three－linkage gear pump

2 关键零部件设计

2.1 同步带轮设计

4FZ－2型番茄收获机配备的柴油发动机额定转速为2 200r/min，因安装位置限制，带轮节径d≤105mm。为更好地匹配整机性能，初定传动比i为1∶1。简化计算，设计功率按式（1）计算：

式中：

Pd——设计功率，kW；

KA——工况系数；

P——额定功率，kW。

查工况系数KA选型表［8］得KA＝1.5；因3个泵不同时工作，根据实际工作情况，选P＝10kW。得：

Pd＝15kW

查《机械设计手册》［8］中“圆弧齿同步带选型图”，满足发动机和三联泵参数要求，初定同步带选型8M或14M。且带轮节径d≤105mm，故可选8M40齿或14M23齿，考虑多边形效应，且8M最小齿数为36齿，14M最小齿数为28齿，故选：8M40齿同步带轮。

根据实际安装空间限制，以及张紧方式，初定中心距可调，调节范围为：240mm≤a0≤270mm。

带宽bs按式（2）计算：

式中：

bs0——选定型号的基准宽度，mm；

KL——圆弧齿带长系数；

KZ——小带轮啮合齿数系数；

P0——基准额定功率，kW。

查设计计算表［8］可得：bs0＝20mm，KL＝0.9，KZ＝1，P0＝7.15kW。得：

bs≥42.02mm

限于安装位置狭小，宽度太大会出现干涉，所以8M40齿同步带轮不可行，则选14M23齿同步带轮，但14M最小齿数为28齿，23齿的相关参数机械手册未给出，只能凭经验设计。带轮齿数越小，同步轮的多边效应越明显，同步带传动的稳定性也相对越差，但同步带最小齿数不是绝对的，只要齿形合理，传动就能相对平稳。查GB/T 13487—2002《一般传动用同步带》中表1可知圆弧齿同步带单位带宽抗强度14M是8M的1.33倍，以此推算，同时考虑安装位置限制等，选14M23齿同步带轮带宽bs＝30mm。

综上，主动同步带轮和从动同步带轮选型为：槽型：14M；齿数Z：23齿；带宽bs：30mm；齿节径d：102.50mm。

2.2 三联齿轮泵固定装置设计

发动机在运转过程中会产生振动，其自身也会有纵向和横向振动，如果将三联齿轮泵固定装置安装在发动机支架上，在传动过程中会对同步带产生冲击负荷［9］，从而使同步带折曲失效，影响整机可靠性。因此，三联齿轮泵的安装要固定在发动机机体上，减小因发动机振动而带来的冲击负荷。

三联齿轮泵固定装置通过4个M12螺栓固定在发动机上，形如悬臂梁结构，带有导轨，为减小因负载变化而产生的冲击负荷使固定支架发生振动引起的皮带折曲失效，设计底板厚度为20mm，同时加筋处理，见图2。

2.3 三联齿轮泵轴承座设计

图2 三联齿轮泵固定装置Figure 2 The fixing device of three－linkage gear pump

三联齿轮泵双联V带传动中双联V带直接固定在三联齿轮泵转轴上，由于V带压轴力作用，使得三联齿轮泵转轴受到径向力，长时间运动，转轴会发生变形，油封失效，最终三联齿轮泵磨损坏掉，为避免三联齿轮泵磨损失效，设计了带导槽的轴承座，使压轴力作用在过渡轴上，从而避免对三联齿轮泵转轴的损伤；并考虑实际安装空间和运动情况，设计以润滑脂为润滑方式，定期打油。三联齿轮泵轴承座见图3。

图3 三联齿轮泵轴承座Figure 3 The bearing seat of three－linkage gear pump

2.4 张紧机构设计

同步带在传动过程中，为保证可靠性，必须要进行适当地张紧，使皮带具有一定的初拉力。张紧力的选取，至关重要，张紧力过小会使同步带在运转中因啮合不良而发生跳齿现象，在跳齿的瞬间，可能因拉力过大而使带断裂或带齿断裂，同步带传递运动的精度降低，带的振动噪音变大；张紧力过大则会导致皮带表层压力过大，带和带轮之间的摩擦力增大，造成皮带发热量大，当橡胶皮带工作在85℃以上较长一段时间后，橡胶成分会变硬，由于运转弯曲导致背部开裂，致使皮带大面积区域磨损，皮带齿部剪切或断裂，使带的寿命降低，传动噪音增大，皮带由于齿部剪切也会导致拉伸性断裂。同时轴和轴承上的载荷增大，加剧轴承的发热和使轴承寿命降低。因此，适宜的张紧力是保证同步带传动正常工作的重要条件［10，11］。

同步带紧边张力F1、松边张力F2和张紧力F0分别为：

式中：

F——同步带所受力，N；

Pd——设计功率，kW；

V——带速，m/s。

由式（3）可得，F1＝1 589N，F2＝318N。

式中：

F0——同步带所受张紧力，N；

F1——同步带紧边张力，N；

F2——同步带松边张力，N；

由式（4）可得，F0＝953.5N。

因安装三联齿轮泵处空间狭小，单独安装张紧轮较困难，且不易维护，可靠性差，考虑用2个M12螺栓张紧，螺母锁定，见图4。

图4 三联齿轮泵张紧装置Figure 4 The tension device of three－linkage gear pump

3 试验与结果

3.1 试验基本条件

（1）试验地点：现代农装科技股份有限公司保定分公司车间进行。

（2）试验时间：2014年12月。

（3）柴油发动机参数：品牌：玉柴；型号：YC6B160ZT20；气缸数：6个；排量：6.871L；额定功率：118kW；额定转速：2 200r/min；最大扭矩：590N·m。

3.2 试验结果

三联齿轮泵传动装置空载试验，试验3次，每次30min，试验结果见表2。

表2 三联齿轮泵试验结果Table 2 Experimental results of three－linkage gear pump

由表2可知，发动机在不同转速时，三联齿轮泵运转正常，整机油缸动作和功能动作正常，验证了三联齿轮泵结构设计的合理性。

4 结论

（1）设计了三联齿轮泵同步带传动装置，选用14M23齿同步带轮，30mm宽度同步带，1∶1传动，传动精确、可靠，避免了V带打滑和三联齿轮泵转轴磨损等失效情况，完全满足4FZ－2型番茄收获机三联齿轮泵传动要求。

（2）进行整机空载试验，试验结果表明整机油缸、发动机运行正常，刹车驻车等安全可靠。

（3）同步带运转平稳，温度正常，纵向振动较小，结构设计合理。但三联齿轮泵传动装置仅做了整机空载试验，还需进行田间试验，进一步调试，使其满足西红柿收获的工况和性能要求。

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