土壤循環(huán)消毒機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

黃偉華

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450002)

土壤循環(huán)消毒機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

黃偉華

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450002)

摘要土壤消毒在國(guó)內(nèi)是一種新興的、高效解決土壤疾病等問題的技術(shù)。為了解決重茬種植等原因造成的土壤病蟲害問題，根據(jù)綠色消毒工作的要求，進(jìn)行了土壤循環(huán)消毒機(jī)的液壓部分設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了整機(jī)液壓系統(tǒng)的原理圖，并對(duì)行進(jìn)液壓馬達(dá)、液壓泵、各種控制閥進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算及選型，設(shè)計(jì)結(jié)果可為土壤消毒設(shè)備提供參考。

關(guān)鍵詞土壤消毒；行進(jìn)液壓馬達(dá)；牽引力；液壓泵

由于高附加值農(nóng)作物重茬種植等原因造成的土壤疾病，會(huì)造成農(nóng)民收入減少甚至絕收，因此土壤消毒在國(guó)外已經(jīng)比較廣泛地使用，國(guó)內(nèi)也開始慢慢重視此方面的問題。目前土壤消毒技術(shù)中使用比較多的是化學(xué)消毒、蒸氣消毒、火焰消毒、太陽(yáng)能消毒等。這些方法中有的毒性大、污染環(huán)境，有的設(shè)備要求復(fù)雜，有的需要消毒時(shí)間過長(zhǎng)等[1]。很多消毒設(shè)備采用的是純機(jī)械工作，行走方式，但隨著人們對(duì)于舒適性以及機(jī)械性能的追求，液壓技術(shù)在消毒設(shè)備中的應(yīng)用也越來越廣泛，而且液壓設(shè)備對(duì)于農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境具有相當(dāng)?shù)倪m應(yīng)性。根據(jù)綠色消毒工作的需求筆者設(shè)計(jì)了熱空氣綠色循環(huán)消毒全液壓自走設(shè)備的液壓部分，采用遙控比例調(diào)速閥控制馬達(dá)的方法操縱設(shè)備，簡(jiǎn)化了液壓回路，降低了維修的難度。試驗(yàn)主要對(duì)土壤循環(huán)消毒機(jī)的液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行了設(shè)計(jì)論述，并對(duì)相關(guān)液壓元件進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算及選型。

1土壤循環(huán)消毒機(jī)液壓系統(tǒng)原理

消毒機(jī)液壓部分由旋耕和行走2個(gè)部分組成。旋耕部分的液壓系統(tǒng)由柴油機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)過液壓泵的作用，帶動(dòng)旋耕部分的液壓馬達(dá)工作，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向和調(diào)速，僅需使旋耕機(jī)按固定的速度旋轉(zhuǎn)即可[2]。

液壓執(zhí)行元件具有功率密度大、方便放置的特點(diǎn)，并且很容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，因此土壤循環(huán)消毒機(jī)采用由液壓元件實(shí)現(xiàn)的行走系統(tǒng)[3]。行走部分為履帶傳動(dòng)，在左右兩邊各設(shè)有一個(gè)液壓馬達(dá)和比例調(diào)速閥、換向閥、液壓泵及其他液壓輔助元件。這2個(gè)部分共同采用一個(gè)液壓泵，轉(zhuǎn)向裝置包含接收器和比例調(diào)速閥，信號(hào)由遙控裝置發(fā)出，當(dāng)接收器收到前進(jìn)的信號(hào)后，液壓泵會(huì)向2個(gè)液壓馬達(dá)提供相同的進(jìn)油量，2個(gè)馬達(dá)有了相同的轉(zhuǎn)速后便會(huì)帶動(dòng)履帶向前行駛；如果想讓機(jī)器進(jìn)行左右轉(zhuǎn)向時(shí)，遙控裝置會(huì)發(fā)出不同的信號(hào)，接收裝置根據(jù)收到信號(hào)的不同，會(huì)改變向2個(gè)液壓馬達(dá)提供的進(jìn)油量，之后馬達(dá)的轉(zhuǎn)速便會(huì)改變，履帶的轉(zhuǎn)速不同，機(jī)器自然會(huì)向轉(zhuǎn)速小的一方轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向的角度都可以由遙控裝置來控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器0～360°的自由行進(jìn)。整車的液壓系統(tǒng)原理圖見圖1。

注：1.過濾器；2.液壓泵；3.溢流閥；4.調(diào)速閥；5.三位四通電磁閥；6.行進(jìn)液壓馬達(dá)；7.三位四通手動(dòng)閥；8.旋耕液壓馬達(dá)。Note: 1.Filter; 2.Hydraulic pump; 3.Overflow valve; 4.Speed control valve; 5.Three-position four-way solenoid valve; 6.Marching hydraulic motor; 7.Three-position four-way manual valve; 8.Rotary hydraulic motor.圖1　土壤循環(huán)消毒機(jī)液壓系統(tǒng)原理Fig.1　Principal of hydraulic system of soil circulating disinfection machine

2液壓系統(tǒng)計(jì)算及元件選擇

2.1行進(jìn)液壓馬達(dá)由于機(jī)器采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，行進(jìn)時(shí)傳動(dòng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，根據(jù)土壤消毒機(jī)的實(shí)際作業(yè)環(huán)境，其整機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如下：整機(jī)質(zhì)量1 000 kg；車速3.60、0.06 km/h；驅(qū)動(dòng)輪半徑0.15 m；坡度角30°；輪邊減速器減速比5.75。

2.1.1土壤消毒機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力。履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力的計(jì)算：

T1=Tf+Ti=fG+sinαG

(1)

式中，T1為履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力;Tf為履帶行走機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)阻力;Ti為履帶行走機(jī)構(gòu)的坡道阻力;f為履帶行走機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.1，見表1;α為最大設(shè)計(jì)坡度角。由此計(jì)算出履帶行走機(jī)構(gòu)的牽引力為6 000 N。

表1不同土質(zhì)路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)f

Table 1Rolling resistance coefficient of road surface with different soil textures

路面土質(zhì)Soiltextureofroadsurface滾動(dòng)阻力系數(shù)fRollingresist-ancecoefficient路面土質(zhì)Soiltextureofroadsurface滾動(dòng)阻力系數(shù)fRollingresist-ancecoefficient混凝土Concrete0.05松散土地Looseland0.10凍結(jié)冰雪地Frozenland0.03～0.04泥濘地、沙地Slimyground,sandyland0.10～0.15堅(jiān)實(shí)土地Solidland0.07

2.1.2馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。根據(jù)確定的工作時(shí)期的牽引力，機(jī)器行進(jìn)時(shí)是有2個(gè)液壓馬達(dá)同時(shí)帶動(dòng)的，計(jì)算液壓馬達(dá)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

(2)

式中,n為馬達(dá)個(gè)數(shù),取n=2;r為驅(qū)動(dòng)輪半徑;ηm為馬達(dá)的機(jī)械效率，取ηm= 0.90;ηn為減速器及行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率，取ηn=0.90;i為減速器的減速比。由此計(jì)算出馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為96.62 N·m。

2.1.3馬達(dá)的排量。計(jì)算公式如下：

(3)

式中，V為馬達(dá)排量( mL/r);Δp表示為馬達(dá)的額定工作壓力，取2 MPa。由此計(jì)算出馬達(dá)的排量為30.30 mL/r。

2.1.4馬達(dá)最高輸出轉(zhuǎn)速。具體計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

式中,v是馬達(dá)行駛時(shí)候的最高速度。由公式(4)、(5)計(jì)算出馬達(dá)的最高輸出轉(zhuǎn)速為366.20 r/min。

2.1.5行進(jìn)液壓馬達(dá)的確定。經(jīng)計(jì)算液壓馬達(dá)的額定工作壓力、轉(zhuǎn)矩、排量、最高轉(zhuǎn)速等多個(gè)要求，最終確定了行進(jìn)系統(tǒng)的液壓馬達(dá)為MFB10型軸向柱塞馬達(dá)[5]。

2.2液壓泵的選擇

2.2.1液壓泵最大工作壓力的確定。液壓泵的最大工作壓力P為：

P=P1+∑ΔP

(6)

式中，P1為液壓馬達(dá)在工作階段所需的最大壓力； ∑ΔP表示從液壓泵到液壓馬達(dá)之間的壓力損失，一般取0.5 MPa，則可計(jì)算最大工作壓力P=P1+∑ΔP=2+0.5=2.5 MPa。

2.2.2液壓泵流量計(jì)算。液壓泵的最大流量qp為:

qp=K∑q

(7)

式中，∑q為各個(gè)液壓馬達(dá)需要的流量總和；K為泄露系數(shù)，一般取1.2。則最大流量可寫為：

(9)

式中，n為行進(jìn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速；V為行進(jìn)液壓馬達(dá)排量；ηm為行進(jìn)液壓馬達(dá)容積效率，取0.9;q2為旋耕馬達(dá)流量，取7.5 L/min。由此得出液壓泵的最大流量為36.2 L/min。

2.2.3液壓泵的選定。根據(jù)對(duì)液壓泵的工作壓力和流量的確定，經(jīng)過查詢?cè)O(shè)計(jì)手冊(cè)，最后選定了液壓泵的型號(hào)為CBQ-F563齒輪泵。

2.3液壓閥的選取在整體回路里面，除了泵、馬達(dá)外，還必須有其他的控制閥類。比如要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向動(dòng)作，就需要用調(diào)速閥改變進(jìn)入到液壓馬達(dá)的流量[4]。

液壓閥在選取的時(shí)候，根據(jù)計(jì)算得到的流量、壓力的參數(shù)，參照實(shí)際環(huán)境以及設(shè)備空間，從產(chǎn)品樣本等參考手冊(cè)中選取[5-6]。

依據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算可知，系統(tǒng)中所有閥的額定壓力定為2.5 MPa，而它們的額定流量根據(jù)通過的流量都定為38 L/min，并以此來選擇各種閥類[7]。

3結(jié)論

該研究根據(jù)適合在高附加值土地上可遙控全液壓自走式土壤循環(huán)消毒機(jī)的要求，設(shè)計(jì)了土壤循環(huán)消毒機(jī)的整體液壓方案并進(jìn)行了相關(guān)元件參數(shù)的計(jì)算及選型。對(duì)比國(guó)內(nèi)其他類型的土壤消毒設(shè)備，該設(shè)備具有綠色、環(huán)保、無(wú)污染、整機(jī)液壓回路設(shè)計(jì)新穎、操控簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)、效率高、性能可靠、維修難度低等特點(diǎn)。該土壤循環(huán)消毒機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可為國(guó)內(nèi)土壤消毒設(shè)備相關(guān)設(shè)計(jì)提供新的研究方向及參考依據(jù)，具有廣闊的推廣前景[8]。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹坳程，郭美霞，王秋霞，等.土壤消毒技術(shù)[C]//成卓敏.植物保護(hù)科技創(chuàng)新與發(fā)展:中國(guó)植物保護(hù)學(xué)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[2] 劉守祥，付明.小型旋耕機(jī)牽引機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版農(nóng)學(xué)卷),2008，5(3)：75-76.

[3] 張志起，崔中凱，劉繼元.4 YX-4 型全液壓自走式玉米收獲機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2015(12)：97-101.

[4] 韓志引,馬永青,郭風(fēng)泉.調(diào)速閥性能與應(yīng)用分析[J]．現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2014(2)：45-46.

[5] 張妮娜.現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車液壓控制系統(tǒng)的研制[D].大連：大連海事大學(xué)，2012.

[6] 段艷萍.基于i-deas平臺(tái)的機(jī)床液壓智能cad系統(tǒng)的關(guān)鍵問題研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[7] 朱生宏.專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．科技視界, 2013(36)：8-10.

[8] 劉楓，范志強(qiáng).玉米收獲機(jī)閉式靜液壓行走系統(tǒng)的研究[J].價(jià)值工程， 2011， 30(33):35．

Design and Research on Hydraulic System of Soil Circulating Disinfection Machine

HUANG Wei-hua

(School of Mechanical and Electronical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002)

AbstractSoil disinfection is a new and high efficient technology to solve the problems of soil diseases.To solve the soil diseases and pests caused by continuous cropping, we designed the hydraulic part of soil circulating disinfection machine according to the requirements of green disinfection work.The overall design principle diagram of hydraulic system was designed.Parameter calculation and selection of traveling hydraulic motor, hydraulic pump and various control valves were carried out.The design provides references for the equipment of soil disinfection.

Key wordsSoil disinfection; Traveling hydraulic motor; Traction; Hydraulic pump

基金項(xiàng)目河南省教育廳和財(cái)政廳合作項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(15B460006)。

作者簡(jiǎn)介黃偉華(1971- ),男，河南鄭州人，講師，碩士，從事液壓與氣動(dòng) 、優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究。

收稿日期2016-03-22

中圖分類號(hào)S 22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)11-268-02