分布式泵集中控制液壓系統(tǒng)設(shè)計

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 楊淑華 王偉 崔保健 王澤河

分布式泵集中控制液壓系統(tǒng)設(shè)計

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 楊淑華 王偉 崔保健 王澤河

機(jī)械收割水草是治理水草最理想的方式之一，利用水草收割船進(jìn)行水草收割作業(yè)，能夠減輕水草收割人員的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。針對水草收割裝置的動作要求，對其液壓系統(tǒng)進(jìn)行了合理的分析，并在此基礎(chǔ)上對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分布式液壓泵集中控制方案設(shè)計。試驗結(jié)果表明：整套液壓系統(tǒng)能夠滿足水草收割船的行進(jìn)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)彎靈活、割刀的往復(fù)運(yùn)動、割臺升降和角度調(diào)整，以及除水輥淋水等功能要求，同時具有可靠性、經(jīng)濟(jì)性和適用性的特點。

水草收割船；全液壓控制；分布式液壓泵集中布置；液壓系統(tǒng)設(shè)計

引言

進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，白洋淀周邊環(huán)境發(fā)生了改變，生活污水、工業(yè)廢水以及農(nóng)業(yè)使用的大量農(nóng)藥、化肥等進(jìn)入白洋淀水域，引起了水草過度繁殖，影響水生動物的正常生長。水草腐爛后高錳酸鹽指數(shù)增高，嚴(yán)重影響水質(zhì)。另外，水草經(jīng)深加工可以做飼料喂養(yǎng)麻鴨，將其變廢為寶。

機(jī)械收割水草是治理水草最理想的方式之一。設(shè)計開發(fā)出一種動力充足,操作靈活,適應(yīng)白洋淀大小不等、形狀各異的淀泊水域,并能去除水草大部分水分的水草收割船顯得尤為迫切。

1 確定水草收割船總體方案

根據(jù)白洋淀水域分布特點，水草收割船水草應(yīng)具有如下主要特點：⑴船體穩(wěn)定可靠。因為是在水中作業(yè)，船體必須保證不能傾覆。⑵靈活轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑小。⑶割深可調(diào)，應(yīng)具有割深調(diào)節(jié)裝置。⑷帶淋水裝置，結(jié)構(gòu)應(yīng)簡潔、靈活、易操作，可除去水草中夾帶的大部分水分。

根據(jù)船體穩(wěn)定可靠的要求選取船體結(jié)構(gòu)為雙駁船的船體，船體具有兩個相互平行的單體船（稱為片體），其上部用強(qiáng)力構(gòu)架聯(lián)成一個整體的船，船體操作空間大，可以提供充裕的機(jī)械安裝空間和儲草空間；興波小，降低了行進(jìn)阻力和減小船波；水線面的橫向慣性力矩大，因此復(fù)原力矩很大，穩(wěn)性極好；雙體船吃水淺，易操作，可實現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)。另外，雙駁船船體結(jié)構(gòu)內(nèi)部容積空間大，可利用這部分空間作為存儲液壓油的油箱。在船體行進(jìn)過程中，船體與水大面積接觸，可及時冷卻液壓油，省去液壓系統(tǒng)的冷卻裝置，節(jié)約了制作成本。

船體驅(qū)動方式采用明輪，通過兩個可正反轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)驅(qū)動明輪正反轉(zhuǎn)。明輪正轉(zhuǎn)水草收割船前進(jìn)，反轉(zhuǎn)倒退，一個正轉(zhuǎn)一個反轉(zhuǎn)船體轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)彎靈活。

割臺前端采用的切割裝置由往復(fù)式切割器與擺動機(jī)構(gòu)成，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動切割器實現(xiàn)往復(fù)切割運(yùn)動，由兩個液壓缸串聯(lián)組成同步液壓缸控制割臺整體的升降，達(dá)到調(diào)節(jié)鏈板輸送帶傾斜角度的目的。

水草輸送裝置由鏈輪、輸送鏈條、鏈板組成的鏈板輸送帶，由液壓馬達(dá)控制鏈輪旋轉(zhuǎn)，將水草輸送到除水裝置入料口。

除水裝置由兩個圓輥及間隙調(diào)整裝置組成，兩個液壓馬達(dá)分別為除水裝置的圓輥提供動力，使圓輥實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，可除去水草中大部分游離態(tài)水分。

水草船總體結(jié)構(gòu)方案圖如圖1所示。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

水草收割船在水面作業(yè)，為減輕操作工人的勞動強(qiáng)度，所有工作機(jī)構(gòu)的動力裝置均由液壓裝置提供動力。

2.1 動力源的選擇

根據(jù)實驗測定，收割水草做功200-300N·m/m2。考慮水草密度，取做功功率為300N·m/m2，計算得:切割器總功率為4.55kw。[1]

動力源選取柴油發(fā)動機(jī)，柴油發(fā)動機(jī)的特點是轉(zhuǎn)速低，供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，燃油經(jīng)濟(jì)性好，產(chǎn)生功率大，噪音較大。水草收割船工作過程中功率消耗較大，水上作業(yè)對噪音沒有特殊要求，轉(zhuǎn)速要求也不高。因此，從長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)角度來看，選擇柴油發(fā)動機(jī)較為合適。

根據(jù)切割器功率，參考同類產(chǎn)品，選擇型號為ZH4100G，功率為40千瓦每12小時，轉(zhuǎn)速為2000r/min的柴油發(fā)動機(jī)。

2.2 能源裝置的選擇

液壓泵是液壓系統(tǒng)的能源裝置，向整個液壓系統(tǒng)提供壓力油，能將柴油發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能。為了避免各部件工作過程中，大容量液壓泵集中供油多路液壓系統(tǒng)相互干擾的問題，采用四個液壓泵分散布置方案，由各泵分別驅(qū)動相應(yīng)執(zhí)行元件。

齒輪泵具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、體積小、重量輕、自吸性能好、對油液污染不敏感、工作可靠等優(yōu)點[2]。液壓泵型號為CB-60，泵的分布情況如圖2所示。

圖2 泵的分布情況

泵1、4為驅(qū)動明輪的兩液壓馬達(dá)提供壓力油，泵2為驅(qū)動擺桿的馬達(dá)和調(diào)整鏈板輸送帶的兩個液壓缸提供壓力油。泵3為驅(qū)動兩個除水輥及鏈板輸送帶的鏈輪的液壓馬達(dá)提供壓力油。

2.3 液壓控制回路設(shè)計

2.3.1 液壓馬達(dá)調(diào)速回路

水草收割船在工作過程中需要根據(jù)地形和水草的密度隨時調(diào)整明輪的行進(jìn)速度和切割器的切割速度，這就要求液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速能實時調(diào)整。采用單向調(diào)速閥，其控制精度高，剛性好。相比較而言，節(jié)流閥速度剛性差，適用于液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)整量要求不高的場合。調(diào)速閥和節(jié)流閥的q與Δp間的關(guān)系曲線如圖3所示。調(diào)速閥因有減壓閥和節(jié)流閥兩個液阻串聯(lián)，所以它在正常工作時，至少要有0.4～0.5MPa的壓差。從圖中不難看出當(dāng)壓差達(dá)到一定數(shù)值之后調(diào)速閥的流量基本保持穩(wěn)定。所以馬達(dá)控制油路通過與其串聯(lián)的調(diào)速閥的流量恒定不變來保證馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，不受負(fù)載變化的影響[3]。

圖3 調(diào)速閥和節(jié)流閥的流量特性曲線

2.3.2 同步液壓回路

割臺高度調(diào)節(jié)和鏈板輸送帶的傾斜角度的調(diào)整在水草收割過程中，動作較少，只在不同水域及收割前后進(jìn)行，為了節(jié)約設(shè)計制作成本，采用了兩個并聯(lián)在一起的液壓缸來實現(xiàn)，通過兩個活塞缸的加工精度和密封性來保證兩缸動作的同步。

2.3.3 采用M型中位機(jī)能的換向閥卸荷回路

考慮到水草收割船在水上作業(yè)，環(huán)境潮濕，手動換向閥具有操作簡單、動作可靠、對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點，所以在設(shè)計中選用手動三位四通換向滑閥來控制油液的流向。利用換向閥的M型中位機(jī)能，組成卸荷回路可保證在工作裝置不動作時，使泵處于卸荷狀態(tài)，減少泵的能量消耗，從而達(dá)到節(jié)能的作用。

為了操作方便，將手動換向閥集中安裝在駕駛員的操作位置。如圖4所示。

圖4 手動換向閥布置

2.3.4 采用溢流閥調(diào)壓回路

調(diào)壓回路用來調(diào)定液壓系統(tǒng)的最高工作壓力，或使執(zhí)行元件在工作過程的不同階段能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同的壓力變換。當(dāng)溢流閥始終處于溢流狀態(tài)，就能保證溢流閥進(jìn)口的壓力基本不變，將溢流閥并接在液壓泵出油口，就能達(dá)到調(diào)定液壓泵出口壓力基本保持不變的目的。在本次液壓系統(tǒng)設(shè)計中，四個液壓泵采用分布式布置，分別為驅(qū)動明輪、切割裝置、鏈板輸送裝置、除水裝置的馬達(dá)和液壓缸提供液壓油，各處因?qū)崿F(xiàn)功能不同，使其供油壓力不同，在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，分別布置四個溢流閥與各泵出油口并聯(lián)，以便于調(diào)節(jié)各個液壓泵出油口的壓力。

2.4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)上述要求，設(shè)計液壓系統(tǒng)原理圖，如圖5所示。

圖中：1為液壓油箱，由船體結(jié)構(gòu)內(nèi)部容積空間作為存儲液壓油的油箱。在船體行進(jìn)過程中，船體與水大面積接觸，可及時冷卻液壓油，省去液壓系統(tǒng)的冷卻裝置，節(jié)約制作成本。

2 為液壓油過濾器，根據(jù)液壓傳動系統(tǒng)要求，選擇能濾去雜物直徑為10——100μm的普通過濾器。

液壓泵3A、3D單獨驅(qū)動液壓馬達(dá)7、19。液壓馬達(dá)7、19的轉(zhuǎn)動帶動左、右明輪轉(zhuǎn)動，換向閥5、17分別控制左、右明輪的正、反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)船體的轉(zhuǎn)彎、掉頭等動作；

液壓泵3B驅(qū)動液壓馬達(dá)8、液壓缸11、12，通過流量閥9控制油液的流動速度，從而控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制擺桿的擺動速度，手動閥10控制馬達(dá)8的工作狀態(tài)，因為切割方向不需要調(diào)整，故手動閥選為二位二通的手動閥；液壓泵3B同時為兩個同步液壓缸11、12用來調(diào)整鏈板輸送帶的傾斜角度，控制割臺升降，其行程壓力等技術(shù)參數(shù)根據(jù)鏈板輸送帶傾角范圍和重量決定。

液壓泵3C驅(qū)動液壓馬達(dá)20、22、24，液壓馬達(dá)20驅(qū)動鏈板輸送帶的鏈輪轉(zhuǎn)動；液壓馬達(dá)22、24分別為除水裝置的圓輥提供動力，使圓輥實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動；液壓馬達(dá)8驅(qū)動切割器，實現(xiàn)切割器的往復(fù)運(yùn)動。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖

3 水草收割試驗

水草收割船經(jīng)多次方案論證，水草收割船試制成功，如圖6所示，安裝調(diào)試后，經(jīng)過兩年多的用戶試用，用戶反應(yīng)良好。

該水草船最大割深為1.5m，割幅可達(dá)1.2m，航速為4.3-5.8km/h，水草收割殘留率<2.53%，生產(chǎn)率可達(dá)0.24-0.36hm2/h，作業(yè)速度為2-3km/h。

該成果經(jīng)實際應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益顯著，關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到同類研究國際先進(jìn)水平。

圖6 水草收割船收割水草試驗

4 結(jié)論

教育部科技查新報告及同行內(nèi)專家鑒定結(jié)果表明：本課題研發(fā)的水草收割船采用全液壓控制技術(shù)，操作簡單，轉(zhuǎn)向靈活，控制可靠。本課題采用獨特的分布式四泵集中驅(qū)動方案，解決了大容量液壓泵集中供油多路液壓系統(tǒng)相互干擾的問題，為大型液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供了新的思路。

［1］范金玲.水草收割船切割裝置參數(shù)化建模及有限元分析.保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文，2012.

［2］王積偉，章宏甲，黃誼.液壓與氣壓傳動[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］陳子健，王振濤，趙華.液壓系統(tǒng)節(jié)流調(diào)速回路分析與應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2010（4）：58-60.

［4］葛玉柱，胡軍科.液壓系統(tǒng)限速與鎖緊回路分析[J].機(jī)床與液壓，2010（6）：49-51.

［5］劉忠.液壓傳動與控制實用技術(shù).北京：北京大學(xué)出版社，2009.8

楊淑華，1975年出生，河北唐山人，碩士，工程師，主研方向為機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。

國家水體污染控制與治理科技重大專項《白洋淀水生植物資源化利用技術(shù)與工程示范》（課題編號：2008ZX07209-008-005）