9YYB12型智能青飼料打捆纏膜一體機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張成保，劉學(xué)峰，李青江，閔令強(qiáng)，任冬梅，高 強(qiáng)，梁榮慶，張德學(xué)

(1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院,濟(jì)南 250100；2.山東雙佳農(nóng)裝科技有限公司，濟(jì)南 250100)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展與農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步，青貯新技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，并逐步取代傳統(tǒng)窖儲(chǔ)青貯飼料方式。這種青貯新技術(shù)制作的青貯草包不僅可以滿足長(zhǎng)距離運(yùn)輸要求，且可以作為商品出售，解決了目前我國(guó)很多牧場(chǎng)與青貯飼料原料的種植地距離較遠(yuǎn)、青貯飼料缺乏，以及供應(yīng)不足的問(wèn)題。圖1所示的9YYB12型智能青飼料打捆纏膜一體機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“9YYB12型打捆纏膜一體機(jī)”)，就是采用上述青貯新技術(shù)，專門用于制作青貯飼料的一款高效率、全智能機(jī)型，是現(xiàn)代化飼料青貯產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵設(shè)備。

1.包膜裝置總成 2.打捆裝置總成 3.機(jī)架總成 4.送網(wǎng)裝置總成 5.輸送裝置總成 6.潤(rùn)滑系統(tǒng)總成 7.液壓系統(tǒng)總成 8.傳動(dòng)總成 9.前料倉(cāng)總成圖1 9YYB12型智能青飼料打捆纏膜一體機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of model 9YYB12 intelligent greenfeed banding wrapping AIO machine

整機(jī)由88.2kW或以上功率拖拉機(jī)牽引，可配合青貯收獲機(jī)進(jìn)行田間移動(dòng)作業(yè)，也可固定場(chǎng)地作業(yè)；采用半機(jī)械、半液壓傳動(dòng)方式，主要包括原料輸送喂入、打捆布網(wǎng)及裹包纏膜3大部分。工作時(shí)，拖拉機(jī)PTO動(dòng)力輸出口通過(guò)傳動(dòng)軸提供作業(yè)動(dòng)力，除打捆艙打捆鏈排、打捆艙輸送帶以及打捆網(wǎng)(膜)輥為機(jī)械傳動(dòng)之外，其余動(dòng)作和功能全部由液壓傳動(dòng)方式完成。本文探討了9YYB12型打捆纏膜一體機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，以及整機(jī)輸料撥料系統(tǒng)、打捆艙艙門啟閉系統(tǒng)、草捆輸送纏膜系統(tǒng)、漏料回收系統(tǒng)、草捆前后定位輥驅(qū)動(dòng)和切膜刀驅(qū)動(dòng)等液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

型號(hào)與名稱：9YYB12型打捆纏膜一體機(jī)

配套動(dòng)力/kW：80～100

打捆直徑/mm： 1 000～1 150

打捆長(zhǎng)度/mm： 1 000

網(wǎng)輥寬度/mm： 1 050～1 200

最大網(wǎng)長(zhǎng)/m： 2 000

輪胎型號(hào): 500/50-17

充氣壓力/bar： 1.75

控制電壓/V： 12

總長(zhǎng)度/mm： 8 780

總寬度/mm： 2 870

總高度/mm: 3 100

整機(jī)質(zhì)量/kg： 6 500

最大轉(zhuǎn)場(chǎng)速度/km·h-1： 40

PTO 動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速/r·min-1: 540

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)備充分吸收國(guó)外多種先進(jìn)機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)，整機(jī)液壓系統(tǒng)采用雙開式設(shè)計(jì)方案[1]，關(guān)鍵零部件選用原裝進(jìn)口件，以保證整機(jī)性能；標(biāo)準(zhǔn)配置選用YTO-X1204四輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)作為動(dòng)力源，功率強(qiáng)勁、耗油低、易啟動(dòng)，主機(jī)驅(qū)動(dòng)力大、通過(guò)性好，并具有穩(wěn)定的PTO動(dòng)力輸出；設(shè)備具有田間移動(dòng)和固定場(chǎng)地兩種作業(yè)形式，以固定場(chǎng)地作業(yè)形式為主。田間移動(dòng)作業(yè)時(shí)需由拖拉機(jī)主機(jī)牽引、青貯收獲機(jī)配合完成，要求主機(jī)輸出牽引功率的同時(shí)，還要提供PTO動(dòng)力輸出，因此要求拖拉機(jī)主機(jī)必須具有足夠的功率儲(chǔ)備和良好的田間通過(guò)能力。液壓系統(tǒng)是9YYB12型打捆纏膜一體機(jī)非常重要的一部分，它幾乎可以承擔(dān)和完成設(shè)備所需要的全部功能，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)設(shè)備在各個(gè)不同工況時(shí)的動(dòng)作要求，操作簡(jiǎn)便靈活，整個(gè)系統(tǒng)元件布局緊湊合理。

2.1 液壓元件組成及系統(tǒng)工作原理

9YYB12型打捆纏膜一體機(jī)液壓系統(tǒng)由青貯原料輸送系統(tǒng)、裹包纏膜系統(tǒng)和輔助液壓系統(tǒng)3部分組成，由拖拉機(jī)主機(jī)后PTO動(dòng)力輸出給整機(jī)液壓站提供動(dòng)力源，雙開式液壓系統(tǒng)，并配置獨(dú)立散熱裝置[2]，如圖2所示。

1.吸油精濾器 2.恒壓柱塞變量泵 3.先導(dǎo)二聯(lián)閥組 4.輸、撥料馬達(dá) 5.截止閥 6.艙門油缸 7.粗濾器 8.齒輪泵 9.油冷器 10.溢流閥C 11.壓油精濾器 12.壓力表 13.調(diào)速閥A 14.插裝閥 15.優(yōu)先閥 16.調(diào)速閥B 17.溢流閥D 18.手動(dòng)轉(zhuǎn)閥 19.輸送回收馬達(dá) 20.纏膜驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 21.電磁換向閥 22.溢流閥E 23.節(jié)流閥 24.液壓鎖 25.后輥油缸 26.前輥油缸 27.切膜刀油缸圖2 9YYB12型智能青飼料打捆纏膜一體機(jī)液壓系統(tǒng)Fig.2 Hydraulic system of model 9YYB12 intelligent greenfeed banding wrapping AIO machine

首先，PTO傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞到分動(dòng)箱，分動(dòng)箱的一側(cè)通過(guò)一級(jí)皮帶傳動(dòng)(智能張緊)和二級(jí)鏈輪傳動(dòng)將動(dòng)力分配給打捆艙鏈排，驅(qū)動(dòng)打捆艙鏈排進(jìn)行打捆作業(yè)，再通過(guò)末級(jí)皮帶傳動(dòng)(智能張緊)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)(膜)輥旋轉(zhuǎn)進(jìn)行布網(wǎng)(膜)作業(yè)及通過(guò)末級(jí)鏈輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)打捆艙輸送帶進(jìn)行喂入作業(yè)；分動(dòng)箱的另一側(cè)通過(guò)一級(jí)鏈輪傳動(dòng)和二級(jí)皮帶傳動(dòng)，經(jīng)過(guò)二級(jí)升速， 將動(dòng)力分配給整機(jī)液壓動(dòng)力元件。

田間移動(dòng)作業(yè)時(shí)，需要青貯收獲機(jī)協(xié)同配合，將收獲粉碎的青貯材料勻速拋送至設(shè)備料斗內(nèi)；固定場(chǎng)地作業(yè)時(shí)，由裝載機(jī)或輸送機(jī)將事先粉碎好的青貯原料輸送至設(shè)備料斗內(nèi)。本機(jī)青貯原料輸送系統(tǒng)的作用就是通過(guò)底部輸送鏈排和后端部的撥料輥將設(shè)備料斗中的青貯原料輸送至打捆艙喂入傳送帶，進(jìn)行二級(jí)輸送并喂入打捆艙；撥料輥與輸送鏈排聯(lián)動(dòng)，堵塞時(shí)還可反向旋轉(zhuǎn)，提高了原料輸送效率。

打捆艙是設(shè)備的一個(gè)高壓封閉空間，輸送喂入到打捆艙的青貯原料，通過(guò)艙內(nèi)打捆鏈排的往復(fù)旋轉(zhuǎn)擠壓運(yùn)動(dòng)，將松散的青貯原料壓縮，排除內(nèi)部空氣和部分水分；隨著青貯原料的不斷喂入，草捆逐漸成型，密實(shí)度逐步增加，當(dāng)草捆尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，打捆作業(yè)結(jié)束，青貯原料停止喂入。接下來(lái)將進(jìn)行網(wǎng)(膜)捆綁作業(yè)，達(dá)到預(yù)設(shè)捆綁圈數(shù)，艙門打開，釋放草捆，并將草捆輸送至裹包纏膜位置。裹包纏膜系統(tǒng)的主要功能是將輸送到裹包纏膜位置的草捆進(jìn)行裹包纏膜作業(yè)，同時(shí)根據(jù)用戶要求，可以調(diào)整纏膜重疊率、改變纏膜速度及設(shè)定纏膜圈數(shù)。

液壓輔助系統(tǒng)的主要作用是完成設(shè)備作業(yè)過(guò)程中必不可少的輔助動(dòng)作，主要包括打捆艙艙門開閉、漏料回收水平鉸龍、漏料回收垂直鉸龍、草捆輸送底部鏈排、裹包纏膜前后定位輥，以及膜片切斷、夾持等。

筆者根據(jù)多年從事液壓系統(tǒng)研究的工作實(shí)踐，結(jié)合本國(guó)國(guó)情和產(chǎn)品具體情況，采用了粗吸油過(guò)濾、精吸油過(guò)濾和壓油過(guò)濾相結(jié)合的過(guò)濾方式[3]。液壓系統(tǒng)中安裝有吸油粗濾器、壓油精濾器和吸油精濾器，以確保系統(tǒng)對(duì)液壓油的清潔度要求[4]。油冷器安裝在系統(tǒng)低壓油路中，用于對(duì)參與工作的油液在返回油箱前進(jìn)行集中冷卻散熱。該油冷器由真空釬焊式芯體、厚壁槽型鋁腔室、槽型鋼板等構(gòu)成，采用鋁合金板翅式結(jié)構(gòu)，內(nèi)通道耐壓試驗(yàn)壓力0.98MPa，散熱面積大，波紋節(jié)距均勻合理，并帶有旁通閥，特殊情況下，當(dāng)油冷器堵塞時(shí)控制回油背壓上限保證油路安全。其工作可靠，散熱效率高，特別適合本設(shè)備安裝空間小，但要求有較大散熱量的情況。恒壓柱塞變量泵及定量齒輪泵接受來(lái)自拖拉機(jī)主機(jī)PTO傳動(dòng)軸、分動(dòng)箱的動(dòng)力，通過(guò)一級(jí)鏈輪升速，由二級(jí)皮帶聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，作為動(dòng)力元件，為整機(jī)液壓系統(tǒng)提供高壓油源。

青貯原料輸送系統(tǒng)主要由恒壓柱塞變量泵、電液先導(dǎo)閥組輸料馬達(dá)控制閥片3.5及輸送撥料馬達(dá)等液壓元件組成。恒壓柱塞變量泵作為青貯原料輸送系統(tǒng)的動(dòng)力元件，通過(guò)電液先導(dǎo)閥組閥片3.5控制驅(qū)動(dòng)輸料撥料馬達(dá)雙向旋轉(zhuǎn)。輸料撥料馬達(dá)通過(guò)一級(jí)鏈輪傳動(dòng)，經(jīng)降速增扭，將動(dòng)力分配給料斗底部輸送鏈排，驅(qū)動(dòng)底部輸送鏈排進(jìn)行青貯原料輸送作業(yè)；再通過(guò)二級(jí)鏈輪傳動(dòng)，經(jīng)升速，將動(dòng)力分配給末級(jí)鏈輪群，同時(shí)驅(qū)動(dòng)上下?lián)芰陷佭M(jìn)行輔助輸送撥料作業(yè)。

裹包纏膜系統(tǒng)主要由齒輪定量泵、電磁控制閥組21.1～21.4、纏膜回轉(zhuǎn)馬達(dá)、前輥油缸、后輥油缸、切膜刀油缸以及溢流閥C、調(diào)速閥A、優(yōu)先閥、疊加溢流閥，以及疊加液壓鎖等液壓元件組成。齒輪定量泵與裹包纏膜馬達(dá)組成開式油路，通過(guò)電磁閥21.1、插裝閥和優(yōu)先閥控制纏膜回轉(zhuǎn)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度；電磁閥21.2、疊加溢流閥22.1和22.2、節(jié)流閥23.1、雙向液壓鎖24.1控制左前輥油缸25.1及右前輥油缸25.2的啟閉動(dòng)作。其中，電磁閥21.2用于控制油缸的動(dòng)作方向，疊加溢流閥22.1和22.2分別用于限定兩個(gè)方向的載荷，節(jié)流閥23.1用于控制前輥油缸小腔為高壓腔時(shí)的動(dòng)作速度，雙向液壓鎖24.1用于前輥油缸的位置鎖定。電磁閥21.3、疊加溢流閥22.3和22.4、節(jié)流閥23.2、雙向液壓鎖24.2控制左后輥油缸26.1以及右后輥油缸26.2的啟閉動(dòng)作。其中，電磁閥21.3用于控制油缸的動(dòng)作方向，疊加溢流閥22.3和22.4分別用于限定兩個(gè)方向的載荷，節(jié)流閥23.2用于控制后輥油缸小腔為高壓腔時(shí)的動(dòng)作速度，雙向液壓鎖24.2用于后輥油缸的位置鎖定。電磁閥21.4、疊加溢流閥22.5和22.6、節(jié)流閥23.3和23.4控制左右切膜刀油缸的切膜動(dòng)作。其中，電磁閥21.4用于控制切膜刀油缸的運(yùn)動(dòng)方向，疊加溢流閥22.5和22.6分別用于限定兩個(gè)方向的載荷，節(jié)流閥23.3和23.4分別用于控制兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度。另外，調(diào)速閥用于控制裹包纏膜系統(tǒng)總流量，溢流閥用于限定裹包纏膜系統(tǒng)最高工作壓力。

輔助液壓系統(tǒng)理論上對(duì)本機(jī)而言并不是具有某一單一功能的獨(dú)立系統(tǒng)，本文指的是包含在整機(jī)主液壓系統(tǒng)中的輔助動(dòng)作，主要包括打捆艙艙門開閉、漏料回收鉸龍、草捆輸送及成品卸載等。其中，打捆艙艙門開閉動(dòng)作由電液先導(dǎo)閥組控制閥片3.6、艙門油缸和截止閥控制執(zhí)行；漏料回收鉸龍動(dòng)作由電磁閥21.1、調(diào)速閥B、溢流閥D、手動(dòng)轉(zhuǎn)閥及輸送回收馬達(dá)控制執(zhí)行；草捆輸送及成品卸載動(dòng)作由馬達(dá)19.1通過(guò)鏈輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)草捆底部鏈排運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的關(guān)鍵問(wèn)題分析

按項(xiàng)目要求，結(jié)合本機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依據(jù)緊湊型設(shè)計(jì)原則，筆者類比了荷蘭AGRONIC和日本TAKAKITA等世界著名農(nóng)機(jī)品牌的設(shè)備性能，經(jīng)優(yōu)化和論證，確定整機(jī)采用雙開式油路系統(tǒng)，在安裝空間有限的情況下，兼顧系統(tǒng)散熱性能和油液清潔度要求的同時(shí)，有效減小了液壓油箱的體積。由于存在青貯原材料含水率較高、粉碎不均勻及成份多樣性等情況，設(shè)備作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)輸送堵塞或卡止現(xiàn)象。為此，將青貯原料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)成節(jié)能模式，亦即，當(dāng)?shù)撞枯斔玩溑哦氯ㄖ?，系統(tǒng)壓力升高至恒壓柱塞變量泵的PC設(shè)定值時(shí)，恒壓柱塞變量泵的斜盤開始回?cái)[[5]，輸出流量逐漸減少，如果底部輸送鏈排堵塞卡止沒(méi)有解除，恒壓柱塞變量泵的斜盤就會(huì)繼續(xù)回?cái)[，直至流量變?yōu)榱爿敵觯赃_(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的目的。值得注意的是，恒壓柱塞變量泵的PC設(shè)定值必須低于本系統(tǒng)主溢流閥3.1的設(shè)定值，否則無(wú)法起到節(jié)能作用。另外，溢流閥3.3用于提供初時(shí)先導(dǎo)壓力，此壓力值的設(shè)定不宜太高，原則上能克服閥片3.5或3.6彈簧力[6]，推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)即可；但減壓閥3.2的設(shè)定值原則上要略高于溢流閥3.3，從而確保電磁先導(dǎo)閥組的正常工作。

3 現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試

為驗(yàn)證9YYB12型智能青飼料打捆纏膜一體機(jī)液壓系統(tǒng)的功能性、可靠性及工作穩(wěn)定性，以粉碎的青貯玉米秸稈為原材料，對(duì)整機(jī)液壓系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)條件為固定場(chǎng)地作業(yè)，試驗(yàn)地點(diǎn)位于山東省德州農(nóng)慧農(nóng)牧業(yè)專業(yè)合作聯(lián)合社院內(nèi)，玉米秸稈原材料含水率60%，配套動(dòng)力為東方紅1204拖拉機(jī)，功率為88.2kW，PTO轉(zhuǎn)速為540r/min，工作電壓12V，使用液壓油牌號(hào)為L(zhǎng)-HM46長(zhǎng)城牌抗磨液壓油，系統(tǒng)流量30L/min，油液固體污染等級(jí)不高于NAS10級(jí)。在工作過(guò)程中，整機(jī)液壓系統(tǒng)功能完備、可靠性較高、性能較為穩(wěn)定，打捆裹包作業(yè)效率約為30包/h，漏料回收率≤2.7%。整機(jī)液壓系統(tǒng)主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示。其實(shí)際測(cè)試結(jié)果均在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)，并符合《GB/T3766-2001液壓系統(tǒng)通用技術(shù)條件》的相關(guān)要求。

表1 整機(jī)液壓系統(tǒng)試驗(yàn)性能結(jié)果Table 1 The test performance result of whole hydraulic system

4 結(jié)論

9YYB12型打捆纏膜一體機(jī)由88.2kW拖拉機(jī)牽引，田間移動(dòng)作業(yè)或固定場(chǎng)地作業(yè)，功率匹配合理，智能化程度高，集機(jī)、電、液于一體，故障預(yù)警系統(tǒng)完備，具有手動(dòng)操作和全自動(dòng)作業(yè)兩種工作模式，使用可靠，維護(hù)方便，造型美觀。該設(shè)備工作效率高，平均每2min完成一個(gè)青貯飼料草包生產(chǎn)；打捆密實(shí)度高，能最大程度減少飼料內(nèi)部殘存的空氣，有效抑制青貯微生物霉菌的活動(dòng)，有效降低青貯飼料中的呼吸強(qiáng)度和干物質(zhì)損失，大大提高了青貯飼料的品質(zhì)。其創(chuàng)新點(diǎn)是 ：①無(wú)需主機(jī)提供液壓油源，自身配置液壓動(dòng)力元件和獨(dú)立散熱系統(tǒng)；②將打捆機(jī)構(gòu)與包膜裝置協(xié)同集成在1臺(tái)設(shè)備上，使打捆、纏膜作業(yè)一氣呵成。該機(jī)型性能先進(jìn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，整機(jī)主要技術(shù)性能居國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品領(lǐng)先水平，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類設(shè)備的先進(jìn)水平，可替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，是現(xiàn)代青貯飼料作業(yè)中不可缺少的專用設(shè)備。