4KZ-300型自走式方捆機(jī)浮動(dòng)割臺(tái)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郝良軍

（新疆新研牧神科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830026）

關(guān) 鍵 字：方捆機(jī)；浮動(dòng)割臺(tái)；電液控制；設(shè)計(jì)

0 前言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，根據(jù)我國(guó)國(guó)土資源部的最近統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，我國(guó)耕地面積在1.2～1.27億hm2（18～19億畝）之間。過去農(nóng)作物秸稈沒有理想的處理辦法，經(jīng)常被大面積的焚燒，焚燒后的草木灰呈堿性，加速了土地的鹽堿化，降低農(nóng)作物的生長(zhǎng)條件?！拔覈?guó)政府應(yīng)加大對(duì)秸稈回收綜合利用政策扶持”議案在兩會(huì)上提出以來(lái)，在國(guó)家的回收再利用的思想導(dǎo)向下，農(nóng)作物秸稈開始進(jìn)入回收利用軌道，越來(lái)越多的利用方法不斷的被開發(fā)出來(lái)，比如用小麥秸稈制作刨花板[1]、制作成動(dòng)物過冬的黃貯飼料、沼氣生產(chǎn)、藝術(shù)農(nóng)產(chǎn)品等。

牧神4KZ-300系列自走式方捆機(jī)是市場(chǎng)上秸稈打捆的國(guó)產(chǎn)主流機(jī)型之一，改進(jìn)型效率高，回收率高，能適應(yīng)小麥、大麥、水稻、棉花等多種農(nóng)作物秸稈的回收，前期產(chǎn)品故障率高、草捆中雜質(zhì)較多，分析其原因是由于割臺(tái)貼近地面收割的特點(diǎn)，田地的不平整地面或巖石塊等在高速旋轉(zhuǎn)的割臺(tái)甩刀的作用下被打碎后隨農(nóng)作物秸稈同時(shí)被收入壓縮室，造成草捆內(nèi)含雜率高的同時(shí)還會(huì)使負(fù)荷、沖擊過大而導(dǎo)致整機(jī)故障率提高，為了解決機(jī)械沖擊和雜質(zhì)問題，早期機(jī)型設(shè)計(jì)了以液壓油缸為動(dòng)力的地面仿形輪，以解決過障礙物的沖擊，但由于整機(jī)作業(yè)速度較快，割臺(tái)較重，地面仿形輪效果不理想。因此設(shè)計(jì)開發(fā)了一種利用傳感器技術(shù)與液壓蓄能器技術(shù)相結(jié)合的浮動(dòng)割臺(tái)方案，此方案在蓄能器的作用下使割臺(tái)浮于土地表面，當(dāng)遇到突出地面的障礙物后能快速響應(yīng)，減少了草捆中的塵土和整機(jī)所受沖擊，使整機(jī)故障率得到有效控制。

1 設(shè)計(jì)原理與結(jié)構(gòu)

4KZ-300型自走式方捆機(jī)采用92 kW內(nèi)燃機(jī)作為主動(dòng)力，割臺(tái)升降機(jī)構(gòu)主要由液壓換向閥和割臺(tái)升降油缸組成，割臺(tái)離地高度首先由傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)控制液壓換向閥，通過操作液壓油缸來(lái)調(diào)整割臺(tái)的工作高度，然后依靠割臺(tái)兩邊的仿形輪機(jī)構(gòu)來(lái)限制和控制割臺(tái)距離地面的高度。這種方法由于割臺(tái)沉重和液壓油路的自鎖性使地面仿形效果不理想、需要人工輔助仿形從而增加了駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度。本改進(jìn)方案基于仿形輪基礎(chǔ)上進(jìn)行，利用液壓蓄能器的蓄能作用來(lái)完成。蓄能器的作用主要是在割臺(tái)升高或降低時(shí)減少液壓油對(duì)液壓系統(tǒng)和其他機(jī)械系統(tǒng)的沖擊，本設(shè)計(jì)方案則利用電磁閥有目的的打開或關(guān)閉蓄能器，從而更有效的利用蓄能器的蓄能作用。

1.1 工作原理及流程

當(dāng)割臺(tái)舉升或停止時(shí)，蓄能器處于常通狀態(tài)，此時(shí)蓄能器的內(nèi)部壓力大于或等于割臺(tái)舉升所需壓力，割臺(tái)依靠多路換向閥的自鎖和蓄能器的內(nèi)部壓力支撐，道路行走時(shí)割臺(tái)由于慣性產(chǎn)生的壓力波動(dòng)則被蓄能器吸收而減緩液壓油對(duì)液壓部件的沖擊。當(dāng)割臺(tái)降低時(shí)，蓄能器電磁閥通電，電磁閥關(guān)閉蓄能器出入口，使蓄能器內(nèi)部壓力保持一定壓力值，割臺(tái)到達(dá)作業(yè)位置后，等操控系統(tǒng)回位后則蓄能器電磁閥斷電，電磁閥打開蓄能器出入口，此時(shí)蓄能器管路和割臺(tái)支撐油缸連通，蓄能器內(nèi)部壓力直接作用在割臺(tái)支撐油缸上，由于蓄能器壓力值達(dá)到支撐割臺(tái)重量所需的壓力值，割臺(tái)對(duì)地面的正壓力較低，如果支撐油缸支點(diǎn)和蓄能器內(nèi)充氣壓力設(shè)計(jì)合理，割臺(tái)對(duì)地面的壓力幾乎為零，這種狀態(tài)下，割臺(tái)在受到向上的力量就會(huì)被輕易抬起，因此在遇到障礙物時(shí)系統(tǒng)就能迅速完成自動(dòng)提升割臺(tái)的動(dòng)作，從而完成浮動(dòng)割臺(tái)的需求。工作框架流程圖如圖1所示。

圖1 浮動(dòng)割臺(tái)工作流程

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.1 機(jī)械多路換向閥控制系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由割臺(tái)升降操作桿、接近開關(guān)觸發(fā)板、接近開關(guān)、接近開關(guān)安裝板、多路閥連接桿及機(jī)械多路換向閥組成。主要工作原理如下：

割臺(tái)降低：如圖2所示，當(dāng)割臺(tái)升降操作桿1向前下方推動(dòng)時(shí)，與其鉸接的多路閥連接桿6推動(dòng)機(jī)械多路換向閥7的換向機(jī)構(gòu)動(dòng)作使割臺(tái)降低的液壓油路接通，割臺(tái)下降，同時(shí)接近開關(guān)觸發(fā)板2隨著割臺(tái)升降操作桿1的動(dòng)作沿著操作桿旋轉(zhuǎn)軸3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，接近開關(guān)觸發(fā)板2進(jìn)入接近開關(guān)4的感應(yīng)區(qū)域，接近開關(guān)4輸出驅(qū)動(dòng)電磁閥繼電器14動(dòng)作從而接通蓄能器電磁閥12，切斷蓄能器和割臺(tái)舉升油缸的液壓油回路，使蓄能器此時(shí)處于保壓狀態(tài)。

割臺(tái)升高或停止：如圖2所示，割臺(tái)升高時(shí)割臺(tái)升降操作桿1向后上方拉動(dòng)時(shí)，與其鉸接的多路閥連接桿6推動(dòng)機(jī)械多路換向閥7的換向機(jī)構(gòu)動(dòng)作使割臺(tái)舉升的液壓油路接通，割臺(tái)升高，同時(shí)接近開關(guān)觸發(fā)板2隨著割臺(tái)升降操作桿1的動(dòng)作沿著操作桿旋轉(zhuǎn)軸3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，接近開關(guān)觸發(fā)板2遠(yuǎn)離接近開關(guān)4的感應(yīng)區(qū)域，接近開關(guān)4無(wú)輸出，蓄能器電磁閥12不工作，蓄能器與割臺(tái)舉升油缸的液壓油回路處于常通狀態(tài)，整機(jī)液壓系統(tǒng)提供給割臺(tái)升高時(shí)的液壓能使蓄能器處于增壓和保壓的蓄能狀態(tài)。當(dāng)無(wú)操作時(shí)接近開關(guān)觸發(fā)板2處于接近開關(guān)4感應(yīng)區(qū)域的臨界點(diǎn)偏下（防止收割機(jī)震動(dòng)所產(chǎn)生的接近開關(guān)4的震蕩），此時(shí)蓄能器處于“工作狀態(tài)”。

圖2 機(jī)械多路換向閥控制系統(tǒng)

1.2.2 電磁多路閥控制系統(tǒng)

系統(tǒng)主要由電磁多路換向閥，蓄能器、時(shí)間繼電器、操控開關(guān)、蓄能器電磁閥組成。液壓回路的工作原理與采用機(jī)械多路換向閥相同，電控系統(tǒng)工作原理圖如圖3所示，當(dāng)割臺(tái)降開關(guān)5接通后，蓄能器電磁閥3動(dòng)作關(guān)閉蓄能器與割臺(tái)舉升油缸的油路回路，同時(shí)延時(shí)繼電器1開始工作，0.5 s后延時(shí)繼電器動(dòng)作，電磁多路換向閥對(duì)應(yīng)的降低電磁閥2通電，割臺(tái)下降油路接通，割臺(tái)下降。當(dāng)割臺(tái)降開關(guān)5釋放后，延時(shí)繼電器2立即動(dòng)作，蓄能器與割臺(tái)舉升油缸油路接通，電磁多路換向閥2斷開降低油路并鎖止，此時(shí)蓄能器內(nèi)部壓力作用于割臺(tái)舉升油缸上，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)割臺(tái)功能。

1.2.3 報(bào)警指示系統(tǒng)

報(bào)警指示如圖2所示，當(dāng)蓄能器壓力值達(dá)到壓力開關(guān)10設(shè)定的動(dòng)作閥值時(shí)，壓力開關(guān)10閉合，狀態(tài)指示燈11點(diǎn)亮指示當(dāng)前浮動(dòng)割臺(tái)功能正常。

圖3 電磁多路換向閥電控系統(tǒng)

2 試驗(yàn)與應(yīng)用

本系統(tǒng)開發(fā)初期的試驗(yàn)過程，采取給蓄能器充氣，達(dá)到不同壓力時(shí)割臺(tái)的浮動(dòng)能力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為當(dāng)給所用蓄能器充氣壓力達(dá)到5 MPa時(shí)，割臺(tái)具有了浮動(dòng)能力，浮動(dòng)范圍在100～150 mm，當(dāng)進(jìn)入浮動(dòng)狀態(tài)時(shí)，對(duì)于1 200 kg的割臺(tái)2個(gè)成年人很輕松就能抬高割臺(tái)100 mm，繼續(xù)抬高時(shí)由于蓄能器能量釋放后對(duì)割臺(tái)的支撐力快速下降，需要4個(gè)成年人勉強(qiáng)能再抬高50 mm，如果繼續(xù)則人力不可為。對(duì)于100 mm的浮動(dòng)距離在田間工作時(shí)是基本可以滿足要求。試驗(yàn)中當(dāng)充氣壓力超過5.5 Mpa時(shí)，割臺(tái)浮動(dòng)能達(dá)到150～200 mm，但是撤去浮動(dòng)力后割臺(tái)不能回到有效位置。表1列出了針對(duì)4KZ-300型割臺(tái)的測(cè)試數(shù)據(jù)（割臺(tái)重量12 000 N）。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)表可以看出當(dāng)充氣壓力達(dá)到6 MPa時(shí)，割臺(tái)不能有效回位，這種狀況是不符合工作需要的。另外對(duì)應(yīng)不同重量的割臺(tái)所需要壓力值也不同，需要實(shí)際試驗(yàn)后得到。后續(xù)投入市場(chǎng)的機(jī)型采用該設(shè)計(jì)，通過對(duì)用戶及服務(wù)人員的調(diào)查反饋，效果良好，產(chǎn)品故障率明顯降低，草捆潔凈度得到有效提高。

表1 4KZ-300型割臺(tái)的測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

農(nóng)機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的開發(fā)，主要目的一是為了降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；二是為了更好的保持較高的作業(yè)效率；三是為了改善機(jī)械結(jié)構(gòu)的受力特性從而保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)過載，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)耐用性；四是利用大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行精細(xì)化作業(yè)。本文所述是一種簡(jiǎn)單、高效、低成本的割臺(tái)浮動(dòng)方案，對(duì)未來(lái)其他不同的農(nóng)業(yè)機(jī)械有著重要的參考價(jià)值。另外國(guó)內(nèi)很多學(xué)者提出了基于單片機(jī)技術(shù)及傳感器技術(shù)相結(jié)合的割臺(tái)高度自動(dòng)控制系統(tǒng)[2]，也能使用在4KZ-300自走式方捆機(jī)上，但是比較而言本文所述方案更簡(jiǎn)單、有效、廉價(jià)。