折疊式免耕玉米播種機液壓系統設計

趙　靜，許慶斌，魯力群，耿端陽

(山東理工大學 a.農業工程與食品科學學院;b.交通與車輛工程學院，山東 淄博　255049)

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折疊式免耕玉米播種機液壓系統設計

趙靜a，許慶斌b，魯力群b，耿端陽a

(山東理工大學 a.農業工程與食品科學學院;b.交通與車輛工程學院，山東 淄博255049)

摘要：針對折疊式玉米播種機對機架和劃行器的工作性能要求，分析了機架和劃行器的折疊與平放的工作過程，設計了玉米播種機的機架與劃行器的液壓控制系統。通過對液壓控制系統的分析，確定了系統的最大壓力和流量，并對液壓系統的執行機構折疊液壓缸進行了設計計算，同時對液壓系統的控制元件進行了選型。試驗表明：設計的液壓系統結構緊湊、工作平穩可靠，能夠滿足玉米播種機的使用要求。

關鍵詞：玉米播種機；折疊系統；液壓控制

0引言

我國的玉米種植面積廣，2013年玉米種植面積達3 569hm2，機播水平達到80%以上。在山東省，主要的種植制度是一年兩熟輪作制度，有少部分地區采用兩年三熟輪作制度，特點是“三夏”“三秋”換茬時間短，需要搶收搶種，因此折疊式玉米播種機就是為了提高播種效率而研制的。該播種機的特點是播種時通過拖拉機的液壓懸掛系統下降并展開，進行工作。當工作完畢后，需要將玉米播種單元收起折疊，再通過拖拉機的液壓懸掛系統進行升起，便于運輸和行走。液壓系統對播種機播種單元的折疊性能及工作性能的好壞有很大影響，本文根據播種機單元折疊和展開的要求，設計了液壓系統原理圖，并進行設計計算和選型。播種實地試驗表明：其性能良好，能夠滿足要求。

1液壓系統組成及工作原理

1.1劃行器及折疊機構液壓控制功能要求

劃行器是播種機上必不可少的的導向裝置，主要用途是使機械直線行駛，保證準確的行距及不重播、不漏播[1]。劃行器一般由劃印圓盤、起落機構及動力傳送裝置等組成[2]，如圖1所示。劃行器的調節有一個范圍，也就是它的臂長可以調節，劃行器液壓缸伸出時，劃行器折疊，液壓缸縮回時劃行器展開放平。根據整機設計要求，玉米播種機在正常工作時，機架連同其上的播種單元平放，使播種機平穩作業；當播種機在地頭轉彎和不作業運輸過程中，兩邊活動機架折疊起來(見圖2)，以方便轉向和無作業運輸。為此，在兩邊活動機架上各設置一個液壓油缸，以滿足機架放平和折疊。

圖1　2BYM-12玉米播種機播種單元及劃行器

圖2　玉米播種單元的折疊與平放示意圖

活動機架與劃行器的控制需要滿足下列條件：

1)折疊過程平穩無沖擊，且折疊完畢在轉彎或運輸過程中能可靠鎖緊；

2)在液壓缸伸出時，機架或劃行器展開平穩，無沖擊、振動??；

3)放平后折疊部分處于自由狀態。

1.2播種單元液壓控制系統工作原理

為完成播種機劃行器及活動機架的功能要求，設計的液壓控制系統如圖3所示。

整個液壓系統油源由播種機牽引拖拉機提供，折疊控制單元由1個中位機能為Y型的手動三位四通方向閥控制。當方向閥處于左位時，液壓油通過兩個液控單向閥進入左右折疊油缸的有桿腔，油缸縮回，左右活動機架開始收起折疊；折疊起升的速度由設置在折疊油缸回油路上的調速閥進行調節，當活動機架需要停留在某一位置或折疊到位后，方向控制閥處于中位，這時左右油缸高壓油依靠液控單向閥可靠地鎖定在油缸的有桿腔，從而使活動機架處于某一位置；將方向閥置于右位，液壓油直接進入左右液壓油缸的無桿腔，并同時打開液控單向閥，油缸伸出，活動機架放下，這時回油路上的調速閥作為背壓閥使用，可使折疊機架能夠平穩放下。需要指出的是，播種機如果長期不使用，不應依靠液控單向閥長期鎖定，應設置機械鎖定裝置使機架鎖定牢靠或使機架平放。播種機劃行器液壓控制系統通過操縱兩個中位機能為O型的換向閥來控制左右劃行器油缸。當方向控制閥處于左位時劃行器油缸伸出，劃行器處于工作狀態；當方向控制閥處于右位時，劃行器油缸縮回，劃行器處于非工作狀態。若劃行器方向控制閥處于中位時，劃行器可停留在設定的某一位置，這時依靠方向控制閥的中位機能來封住油缸的進回油通道。

使用液壓控制系統來控制活動折疊機架及劃行器，體積小、質量輕，借助管道和接頭把液壓元件連接起來，可以方便靈活地布置傳動機構，使機器結構簡化且液壓裝置運動比較平穩，響應速度快、慣性小、換向沖擊小，便于實現頻繁動作[3]。

1.Y型手動換向閥　2,3.O型手動換向閥　4,5.雙向液壓鎖　6.左折疊油缸　7.右折疊油缸　8.左劃行器　9.右劃行器　10.調速背壓閥

2液壓系統的設計與計算

2.1液壓系統工作壓力確定

為了滿足播種機對液壓控制系統的要求，需要對液壓系統的流量及壓力進行設計計算，以便對液壓元件進行選型和匹配。液壓缸在做往復直線運動時，要克服工作負載、導軌摩擦負載、慣性負載、重力負載、背壓負載和密封負載。工作負載取決于液壓設備工作的性質，背壓負載是指液壓執行元件回油腔背壓所造成的阻力。工作壓力P和最大流量Qmax是液壓傳動系統中兩個最主要的參數，是計算液壓傳動系統和選擇液壓執行元件、控制元件、輔助元件和動力機規格和型號的重要依據。液壓傳動系統工作壓力選定是否合適，直接關系到所設計的整機是否經濟合理。若系統工作壓力選得過低，則整機的結構尺寸和質量就會增加；若系統工作壓力選的過高，雖然整機的結構尺寸和質量會減少，比較經濟，但系統會對液壓元件的強度、制造精度和液壓傳動系統的使用和維護要求提高。一般液壓傳動系統的工作壓力可以根據執行元件負載圖中的最大負載選取，也可根據整機設備類型選取。本文根據設備類型選擇，一般農業機械中液壓系統的工作壓力為中壓10～16MPa，本機選取系統的最大壓力為16MPa。

2.2液壓系統執行元件設計

播種機液壓執行元件主要是確定折疊油缸和劃行器油缸，即確定出兩種工作油缸的缸徑和桿徑。

根據播種機整機設計要求，單個折疊油缸需要克服的最大播種單元質量為7 209kg，則油缸受到的負載為F=mg=70 650N。

當使放平的活動機架折疊時，這時液壓缸進油，則液壓缸的有效工作面積為

(1)

其中，D為液壓缸內徑(m)；F為負載(N)；p為系統壓力(Pa)；d為活塞桿直徑(m),當折疊油缸活塞桿縮回時，活塞桿受拉力，取d=0.4D,將選定的壓力p、負載F值代入式(1)中，得到D=0.081m=81mm，圓整到標準值取缸徑D為80mm,桿徑d取32mm。使用同樣的方法可以計算確定劃行器油缸缸徑為40mm,桿徑22mm。

2.3液壓系統執行流量的確定

根據整機設計要求，折疊油缸活塞桿的行程為S=1 470mm，放下或升起活動機架所需要的時間為t為20s。則可以確定出執行元件的流量(以無桿腔確定)為

(2)

其中，Q為液壓缸最大流量(m3/s)；S為液壓缸行程(m)；t為單行程所需要的時間(s)。將缸徑D，液壓缸行程S及單行程所需時間t代入式(2)中，可求出流量Q=0.000 492m3/s=30L/min。

2.4液壓系統控制元件確定

折疊式播種機液壓系統控制元件的確定主要是根據系統壓力及所能流過的額定流量，并適當考慮安全性進行選型和匹配，本機選配的主要控制元件型號和主參數如表1所示(以北京華德生產的產品型號為例)。

3試驗結果

2012年6月中旬，分別在慶云頤元農機制造有限公司內核慶云縣東辛店鎮萬頃劉村示范基地對 12行播種機進行了試驗[4-5]。通過對機架折疊和劃行器的折疊與平放進行試驗，表明所設計的液壓控制系統能夠滿足播種機的使用要求。

表1　2BM播種機液壓系統控制元件選型

4結論

1) 整機能夠在大量玉米秸稈覆蓋狀態下，免耕播種小麥，種子覆土深度在4～6cm，播種質量完全滿足免耕施肥播種的農藝要求。根據2BM-12播種機對機架和劃行器的折疊與平放的要求，通過計算與選型，設計了其液壓控制系統。

2)通過校核與試驗，表明所設計的液壓控制系統折疊與展開平穩，無沖擊并且工作可靠，滿足播種機的要求。

參考文獻：

[1]武井田.對劃印器計算公式的探討[J].黑龍江八一農墾大學學報，1981(2)：38-42.

[2]華英雪，趙滿全，黃炎，等.免耕播種機劃行器的設計研究[J].農機化研究，2014，36(8)：107-110.

[3]馬恩，李素敏.液壓與氣壓傳動[M]. 北京：高等教育出版社，2013.

[4]楊自棟，劉寧寧，耿端陽，等.2BYM-12型折疊式動力防堵免耕播種機設計與試驗[J].農業機械學報，2013(增刊)：46-50.

[5]楊自棟，杜瑞成，馬明建，等.2BMFY-4型玉米免耕播種機研制與試驗[J].農機化研究，2014，36(1)：155-160.

Abstract ID:1003-188X(2016)01-0123-EA

Design of the Hydraulic System for Folding No-till Maize Planter

Zhao Jinga， Xu Qingbinb， Lu Liqunb， Geng Duanyanga

(a. School of Agricultural Engineering and Food Science; b. School of Transportation and vehicle Engineering, ShanDong University of Technology，Zibo 255049，China)

Abstract：The work process of frame and marker attachment was analyzed and the principle diagram of the hydraulic control system was drawn according to requirement of frame and marker attachment for maize planter. The hydraulic control system of frame and marker attachment was designed for maize planter through analysis. The maximum pressure and flow of system was determined. The structure parameters of folding hydraulic cylinder was calculated and control elements of the hydraulic system were selected. The experiments shows that the designed hydraulic system has compact structure, reliable performance and can meet the requirements of the maize planter.

Key words：maize planter；folding system；hydraulic control system

文章編號：1003-188X(2016)01-0123-03

中圖分類號：S223.2+3

文獻標識碼：A

作者簡介：趙靜(1979-),女，江蘇沛縣人，副教授，工學博士，(E-mail) zbceozj@163.com。

基金項目：山東省科技發展計劃項目(2014GNC112004)

收稿日期：2015-01-08