馬鈴薯種植機(jī)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 洋，蒲連影，劉萌萌，燕昀航

(1.中機(jī)美諾科技股份有限公司，北京 100083； 2.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

0 引言

目前，市場上的馬鈴薯種植機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要是依靠地輪轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，通過鏈條與鏈輪將動(dòng)力傳遞至施肥部件及播種部件，驅(qū)動(dòng)施肥、播種部件工作，由于其完全依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差；對(duì)施肥量、株距有嚴(yán)格的要求?，F(xiàn)有馬鈴薯種植機(jī)的株距調(diào)節(jié)主要依靠改變鏈輪組合來改變機(jī)械傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)株距調(diào)節(jié)。受安裝位置尺寸的限制，馬鈴薯種植機(jī)株距調(diào)節(jié)只限于幾個(gè)固定參數(shù)。不同地區(qū)馬鈴薯種植農(nóng)藝要求不一樣，固定的株距調(diào)節(jié)參數(shù)無法滿足特定區(qū)域的種植要求；施肥機(jī)構(gòu)也是配置不同的鏈輪，通過改變鏈輪間的傳動(dòng)比來實(shí)現(xiàn)施肥量的調(diào)節(jié)，施肥量的調(diào)節(jié)也是限于某幾個(gè)固定值，無法實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)[1-3]。

基于上述情況，設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯種植機(jī)液壓控制系統(tǒng)，通過液壓馬達(dá)與施肥部件、播種部件的動(dòng)力輸入端連接，驅(qū)動(dòng)施肥、播種部件運(yùn)動(dòng)，確保在種植機(jī)不同的作業(yè)速度下，施肥量、株距始終保持用戶所需的設(shè)定值，從而保證播種和施肥的均勻度，實(shí)現(xiàn)施肥量、播種株距無級(jí)調(diào)節(jié)，滿足不同地區(qū)馬鈴薯種植農(nóng)藝要求。

1 系統(tǒng)分析

液壓系統(tǒng)由5部分組成，包括動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和液壓油。動(dòng)力元件是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力；執(zhí)行元件是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如液壓缸和液壓馬達(dá)；控制元件在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向，即各種液壓閥；輔助元件包括油箱、過濾器、散熱器、油管及管接頭、密封圈、壓力表和油位油溫計(jì)等；液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)[4-6]。

按照液壓油在液壓系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)方式來判斷，液壓系統(tǒng)可分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，如圖1所示。開式系統(tǒng)是指液壓泵從油箱吸油給液壓缸或液壓馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)其工作，經(jīng)過液壓缸或液壓馬達(dá)后的液壓油回到油箱；閉式系統(tǒng)是指液壓泵的進(jìn)油管直接與執(zhí)行元件的回油管相連，液壓油在系統(tǒng)的管路中自循環(huán)。兩者的區(qū)別在于系統(tǒng)內(nèi)的液壓油是否和空氣接觸，接觸的是開式，不接觸的是閉式。

1.變量泵 2.安全閥 3.單向閥 4.背壓閥 5.補(bǔ)油泵 6.液壓馬達(dá) 7.溢流閥圖1 開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)Fig.1 Open system and closed system

液壓基本回路是由相關(guān)液壓元件組成，能完成某一特定功能的基本油路。按其在液壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能可以分為4部分：壓力控制回路，控制油路的工作壓力；速度控制回路，控制執(zhí)行元件的速度；方向控制回路，控制執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方向的變換和鎖止；同步和順序控制回路，控制幾個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)動(dòng)作或先后順序的調(diào)整。

在液壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件的調(diào)速是基本回路的核心功能。調(diào)速回路中液壓缸的工作速度v和液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速n為

(1)

(2)

式中v——液壓缸工作速度，m/s

q——輸入流量，L/min

A——液壓缸有效工作面積，cm2

V——液壓馬達(dá)排量，mL/rad

由式(1)和式(2)可知，對(duì)于液壓缸，由于其有效工作面積A一般是不能改變的，所以速度調(diào)節(jié)只能靠改變輸入流量q來實(shí)現(xiàn)；對(duì)于液壓馬達(dá)，通過改變輸入流量q和排量V都可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。

以圖1為例，這是一種變量泵-液壓缸容積調(diào)速回路。改變變量泵的排量可以調(diào)節(jié)液壓缸的工作速度。變量泵輸出的流量是按液壓缸工作速度的要求，通過控制裝置調(diào)節(jié)，它總與液壓缸的負(fù)載相適應(yīng)。當(dāng)負(fù)載變大時(shí)，變量泵的內(nèi)泄增多，導(dǎo)致液壓缸工作速度降低，因此這種回路適用于負(fù)載變化范圍小的液壓系統(tǒng)中。馬鈴薯種植機(jī)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，液壓馬達(dá)和液壓缸的負(fù)載變化不大，符合上述特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)為開式回路。

以變量泵-液壓缸或定量馬達(dá)調(diào)速回路分析其靜態(tài)特性。

1.1 速度或轉(zhuǎn)速特性

當(dāng)不考慮回路的容積效率時(shí)，執(zhí)行元件的速度vm或轉(zhuǎn)速nm與變量泵的排量Vp的關(guān)系為

(3)

(4)

式中np——變量泵轉(zhuǎn)速，rad/s

A——液壓缸有效作用面積，cm2

Vm——液壓馬達(dá)排量，mL/rad

由式(3)和式(4)可知，馬達(dá)的排量Vm和液壓缸的有效工作面積A是不變的，當(dāng)變量泵的轉(zhuǎn)速np不變，則馬達(dá)的轉(zhuǎn)速nm或液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度vm與變量泵的排量Vp成正比，是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，如圖2中虛線所示。實(shí)際上回路的內(nèi)泄是不可避免的，在一定負(fù)載作用下，需要一定流量才能啟動(dòng)和帶動(dòng)負(fù)載。所以其實(shí)際的vm或nm與Vp的關(guān)系如圖2中實(shí)線所示。這種回路在低速下承載能力差，速度不穩(wěn)定。

圖2 變量泵-定量馬達(dá)或液壓缸回路特性曲線Fig.2 Variable pump-quantitative motor or hydraulic cylinder circuit characteristic curve

1.2 轉(zhuǎn)矩和功率特性

當(dāng)不考慮回路的損失時(shí)，液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩Tm或液壓缸的推力F為

(5)

F=A(Pp-p0)

(6)

式中Δp——液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓力差，MPa

ηmm——液壓馬達(dá)機(jī)械效率， %

Pp——變量泵輸出壓力，MPa

p0——吸油路壓力，MPa

由上式可知，當(dāng)泵的輸出壓力Pp和吸油路(也即馬達(dá)或缸的排油)壓力p0不變，馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩Tm或液壓缸的輸出推力F理論上是恒定的，與變量泵的排量Vp無關(guān)，只與液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓力差Δp有關(guān)。但實(shí)際上由于泄漏和機(jī)械摩擦等的影響，存在一個(gè)“死區(qū)”，如圖2所示。因此壓力和轉(zhuǎn)矩是逐步建立的，直到變量泵產(chǎn)生的流量多于內(nèi)泄流量時(shí)，才能有足夠的壓力和輸出轉(zhuǎn)矩。

調(diào)速回路中執(zhí)行元件的輸出功率

(7)

Pm=(Pp-p0)qp=(Pp-p0)npvp

(8)

由式(7)和式(8)可知，液壓馬達(dá)或液壓缸的輸出功率Pm隨變量泵的排量Vp的增減而線性地增減。其理論與實(shí)際的功率特性如圖2所示。

綜上所述，變量泵-液壓缸或定量馬達(dá)調(diào)速回路非常實(shí)用于負(fù)載變化不大、調(diào)速范圍較大的液壓系統(tǒng)中。

2 工作原理

馬鈴薯種植機(jī)液壓控制系統(tǒng)如圖3所示。

1.順序閥a 2.順序閥b 3.順序閥c 4.液控單向閥a 5.液控單向閥b 6.比例流量閥a 7.比例流量閥b 8.比例流量閥c 9.電磁換向閥a 10.電磁換向閥b 11.減壓閥 12.高壓過濾器 13.安全閥 14.卸荷閥 15.管式單向閥 16.風(fēng)冷散熱器 17.節(jié)流閥圖3 液壓控制系統(tǒng)Fig.3 Hydraulic control system

由拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)向馬鈴薯種植機(jī)液壓控制系統(tǒng)供油，液壓控制系統(tǒng)工作原理：液壓油路的進(jìn)油口通過節(jié)點(diǎn)a與高壓過濾器的液壓油入口連接，高壓過濾器的液壓油出口一端設(shè)節(jié)點(diǎn)b，減壓閥的液壓油入口端與節(jié)點(diǎn)b連接，減壓閥的液壓油出口端設(shè)置節(jié)點(diǎn)c，減壓閥的卸油口管路與液壓控制系統(tǒng)的液壓油回路上設(shè)置的節(jié)點(diǎn)f連接，減壓閥用于設(shè)定液壓馬達(dá)的最大工作壓力；比例流量閥a與順序閥a設(shè)置于液壓馬達(dá)M1之前，比例流量閥a的液壓油入口端與節(jié)點(diǎn)c連接，比例流量閥a的液壓油出口端與順序閥a的液壓油入口端連接，順序閥a的液壓油出口端與液壓馬達(dá)M1的液壓油入口端連接，比例流量閥a用于控制液壓馬達(dá)M1的轉(zhuǎn)速，順序閥a控制監(jiān)測比例流量閥a液壓油出口端的壓力大小，通過壓力大小來控制液壓馬達(dá)液壓M1油路的連通，從而保證液壓馬達(dá)M1的最低啟動(dòng)壓力，使得液壓馬達(dá)M1的啟動(dòng)及停止是平穩(wěn)的，液壓馬達(dá)M1的液壓油出口端與種植機(jī)液壓控制系統(tǒng)的液壓油回路上設(shè)置的節(jié)點(diǎn)f連接，液壓油返回拖拉機(jī)液壓油箱。系統(tǒng)對(duì)于液壓馬達(dá)M2和M3控制與M1相同，這里不再重復(fù)敘述。

節(jié)流閥的一端與節(jié)點(diǎn)b連接，另一端與電磁換向閥a的液壓油入口端節(jié)點(diǎn)l連接；電磁換向閥a上的節(jié)點(diǎn)i與液控單向閥a的液壓油入口端連接，節(jié)點(diǎn)j與液控單向閥a的控制油路連接，節(jié)點(diǎn)f與液壓油回路上設(shè)置的節(jié)點(diǎn)f為同一節(jié)點(diǎn)，液控單向閥a的液壓油出口端設(shè)有節(jié)點(diǎn)k和s，雙作用液壓油缸的液壓油接口分別與節(jié)點(diǎn)k和s連接，通過控制電磁換向閥a，可實(shí)現(xiàn)雙作用液壓油缸進(jìn)油管路與回油管路的切換；從而劃行器完成收放動(dòng)作。

液壓油回路上設(shè)置的節(jié)點(diǎn)f與風(fēng)冷散熱器液壓油入口端連接，風(fēng)冷散熱器的液壓油出口端與管式單向閥的液壓油入口端連接，管式單向閥的液壓油出口端與液壓油路的回油口連接，管式單向閥設(shè)置于液壓油路的回油口處。液壓油回路上安裝風(fēng)冷散熱器，對(duì)回油進(jìn)行降溫；管式單向閥用于當(dāng)種植機(jī)液壓控制系統(tǒng)與拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)接錯(cuò)時(shí)，將確保液壓油路無法開啟；風(fēng)冷散熱器、管式單向閥實(shí)現(xiàn)對(duì)種植機(jī)液壓控制系統(tǒng)的保護(hù)。

安全閥的液壓油入口端與節(jié)點(diǎn)b連接，安全閥的液壓油出口端與節(jié)點(diǎn)f連接，用于控制液壓控制系統(tǒng)的最大工作壓力。

卸荷閥的液壓油入口端與節(jié)點(diǎn)b連接，卸荷閥的液壓油出口端與節(jié)點(diǎn)f連接，液壓控制系統(tǒng)不工作時(shí)卸荷閥處于卸荷狀態(tài)；液壓控制系統(tǒng)開始工作，卸荷閥處于關(guān)閉狀態(tài)，使得系統(tǒng)壓力快速升高至工作狀態(tài)壓力。

3 設(shè)計(jì)方案

種植機(jī)在不同的作業(yè)速度下，要求施肥量、株距始終保持用戶所需的設(shè)定值，從而保證施肥及播種的均勻度，實(shí)現(xiàn)施肥量、播種株距無級(jí)調(diào)節(jié)[7-9]。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，通過設(shè)置轉(zhuǎn)速傳感器組來實(shí)時(shí)監(jiān)測播種主動(dòng)輪軸、攪龍施肥軸及地輪軸的轉(zhuǎn)速，按照線性關(guān)系，當(dāng)馬鈴薯種植機(jī)行進(jìn)速度變快時(shí)，通過加快播種主動(dòng)輪軸、攪龍施肥軸的轉(zhuǎn)速，來保證株距及施肥量的恒定；相反，降低其轉(zhuǎn)速。

馬鈴薯種植機(jī)液壓控制系統(tǒng)如圖4所示，主要包括過濾器、風(fēng)冷卻器、雙作用油缸、液壓馬達(dá)、可調(diào)節(jié)流閥及整體電磁閥塊；其中整體電磁閥塊功能復(fù)雜，集成了多種單一功能的閥體，包括減壓閥、順序閥、比例流量閥、安全閥、卸荷閥、液控單向閥和換向閥[10-12]。

1.拖拉機(jī)回油 2.管式單向閥 3.液壓油風(fēng)冷散熱器 4.右側(cè)劃行器油缸 5.左側(cè)劃行器油缸 6.可調(diào)節(jié)流閥 7.三通接頭 8.施肥液壓馬達(dá)M3 9.攪拌液壓馬達(dá)M2 10.播種液壓馬達(dá)M1 11.整體電磁閥塊 12.拖拉機(jī)進(jìn)油 13.高壓過濾器圖4 液壓控制系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of hydraulic control system

系統(tǒng)液壓馬達(dá)包括液壓馬達(dá)M1、液壓馬達(dá)M2、液壓馬達(dá)M3；液壓馬達(dá)M1與播種部件中的主動(dòng)輪軸一端連接，驅(qū)動(dòng)播種部件轉(zhuǎn)動(dòng)；液壓馬達(dá)M2與施肥部件中的螺旋攪拌軸一端連接，驅(qū)動(dòng)螺旋攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)；液壓馬達(dá)M3與施肥部件中的攪龍施肥軸一端連接，驅(qū)動(dòng)攪龍施肥盒轉(zhuǎn)動(dòng)；系統(tǒng)液壓油缸為兩個(gè)雙作用液壓油缸，分別控制左右劃行器的升降；系統(tǒng)整體電磁閥塊含有5路輸出，其中3路單向輸出，為液壓馬達(dá)供油；2路雙向輸出，為液壓油缸供油。

4 結(jié)束語

液壓控制系統(tǒng)是馬鈴薯種植機(jī)的關(guān)鍵部件之一，也是反映馬鈴薯種植機(jī)技術(shù)先進(jìn)性的重要方面。通過分析馬鈴薯種植機(jī)液壓控制系統(tǒng)的工作原理和方案設(shè)計(jì)，對(duì)提高現(xiàn)有馬鈴薯種植機(jī)的作業(yè)性能和效率有重要作用，為今后馬鈴薯種植機(jī)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。