土壤循環消毒機液壓系統設計研究

黃偉華

(河南農業大學機電工程學院，河南鄭州 450002)

土壤循環消毒機液壓系統設計研究

黃偉華

(河南農業大學機電工程學院，河南鄭州 450002)

摘要土壤消毒在國內是一種新興的、高效解決土壤疾病等問題的技術。為了解決重茬種植等原因造成的土壤病蟲害問題，根據綠色消毒工作的要求，進行了土壤循環消毒機的液壓部分設計。試驗設計了整機液壓系統的原理圖，并對行進液壓馬達、液壓泵、各種控制閥進行了參數計算及選型，設計結果可為土壤消毒設備提供參考。

關鍵詞土壤消毒；行進液壓馬達；牽引力；液壓泵

由于高附加值農作物重茬種植等原因造成的土壤疾病，會造成農民收入減少甚至絕收，因此土壤消毒在國外已經比較廣泛地使用，國內也開始慢慢重視此方面的問題。目前土壤消毒技術中使用比較多的是化學消毒、蒸氣消毒、火焰消毒、太陽能消毒等。這些方法中有的毒性大、污染環境，有的設備要求復雜，有的需要消毒時間過長等[1]。很多消毒設備采用的是純機械工作，行走方式，但隨著人們對于舒適性以及機械性能的追求，液壓技術在消毒設備中的應用也越來越廣泛，而且液壓設備對于農業作業環境具有相當的適應性。根據綠色消毒工作的需求筆者設計了熱空氣綠色循環消毒全液壓自走設備的液壓部分，采用遙控比例調速閥控制馬達的方法操縱設備，簡化了液壓回路，降低了維修的難度。試驗主要對土壤循環消毒機的液壓系統原理進行了設計論述，并對相關液壓元件進行了參數計算及選型。

1土壤循環消毒機液壓系統原理

消毒機液壓部分由旋耕和行走2個部分組成。旋耕部分的液壓系統由柴油機提供動力，經過液壓泵的作用，帶動旋耕部分的液壓馬達工作，不需要進行轉向和調速，僅需使旋耕機按固定的速度旋轉即可[2]。

液壓執行元件具有功率密度大、方便放置的特點，并且很容易實現無級調速，因此土壤循環消毒機采用由液壓元件實現的行走系統[3]。行走部分為履帶傳動，在左右兩邊各設有一個液壓馬達和比例調速閥、換向閥、液壓泵及其他液壓輔助元件。這2個部分共同采用一個液壓泵，轉向裝置包含接收器和比例調速閥，信號由遙控裝置發出，當接收器收到前進的信號后，液壓泵會向2個液壓馬達提供相同的進油量，2個馬達有了相同的轉速后便會帶動履帶向前行駛；如果想讓機器進行左右轉向時，遙控裝置會發出不同的信號，接收裝置根據收到信號的不同，會改變向2個液壓馬達提供的進油量，之后馬達的轉速便會改變，履帶的轉速不同，機器自然會向轉速小的一方轉向。轉向的角度都可以由遙控裝置來控制，實現了機器0～360°的自由行進。整車的液壓系統原理圖見圖1。

注：1.過濾器；2.液壓泵；3.溢流閥；4.調速閥；5.三位四通電磁閥；6.行進液壓馬達；7.三位四通手動閥；8.旋耕液壓馬達。Note: 1.Filter; 2.Hydraulic pump; 3.Overflow valve; 4.Speed control valve; 5.Three-position four-way solenoid valve; 6.Marching hydraulic motor; 7.Three-position four-way manual valve; 8.Rotary hydraulic motor.圖1　土壤循環消毒機液壓系統原理Fig.1　Principal of hydraulic system of soil circulating disinfection machine

2液壓系統計算及元件選擇

2.1行進液壓馬達由于機器采用履帶式行走機構，行進時傳動采用液壓驅動，根據土壤消毒機的實際作業環境，其整機結構相關參數如下：整機質量1 000 kg；車速3.60、0.06 km/h；驅動輪半徑0.15 m；坡度角30°；輪邊減速器減速比5.75。

2.1.1土壤消毒機履帶行走機構的牽引力。履帶行走機構的牽引力的計算：

T1=Tf+Ti=fG+sinαG

(1)

式中，T1為履帶行走機構的牽引力;Tf為履帶行走機構的滾動阻力;Ti為履帶行走機構的坡道阻力;f為履帶行走機構的滾動阻力系數，取0.1，見表1;α為最大設計坡度角。由此計算出履帶行走機構的牽引力為6 000 N。

表1不同土質路面的滾動阻力系數f

Table 1Rolling resistance coefficient of road surface with different soil textures

路面土質Soiltextureofroadsurface滾動阻力系數fRollingresist-ancecoefficient路面土質Soiltextureofroadsurface滾動阻力系數fRollingresist-ancecoefficient混凝土Concrete0.05松散土地Looseland0.10凍結冰雪地Frozenland0.03～0.04泥濘地、沙地Slimyground,sandyland0.10～0.15堅實土地Solidland0.07

2.1.2馬達負載轉矩。根據確定的工作時期的牽引力，機器行進時是有2個液壓馬達同時帶動的，計算液壓馬達的負載轉矩為：

(2)

式中,n為馬達個數,取n=2;r為驅動輪半徑;ηm為馬達的機械效率，取ηm= 0.90;ηn為減速器及行走機構的機械效率，取ηn=0.90;i為減速器的減速比。由此計算出馬達負載轉矩為96.62 N·m。

2.1.3馬達的排量。計算公式如下：

(3)

式中，V為馬達排量( mL/r);Δp表示為馬達的額定工作壓力，取2 MPa。由此計算出馬達的排量為30.30 mL/r。

2.1.4馬達最高輸出轉速。具體計算公式如下：

(4)

(5)

式中,v是馬達行駛時候的最高速度。由公式(4)、(5)計算出馬達的最高輸出轉速為366.20 r/min。

2.1.5行進液壓馬達的確定。經計算液壓馬達的額定工作壓力、轉矩、排量、最高轉速等多個要求，最終確定了行進系統的液壓馬達為MFB10型軸向柱塞馬達[5]。

2.2液壓泵的選擇

2.2.1液壓泵最大工作壓力的確定。液壓泵的最大工作壓力P為：

P=P1+∑ΔP

(6)

式中，P1為液壓馬達在工作階段所需的最大壓力； ∑ΔP表示從液壓泵到液壓馬達之間的壓力損失，一般取0.5 MPa，則可計算最大工作壓力P=P1+∑ΔP=2+0.5=2.5 MPa。

2.2.2液壓泵流量計算。液壓泵的最大流量qp為:

qp=K∑q

(7)

式中，∑q為各個液壓馬達需要的流量總和；K為泄露系數，一般取1.2。則最大流量可寫為：

(9)

式中，n為行進液壓馬達轉速；V為行進液壓馬達排量；ηm為行進液壓馬達容積效率，取0.9;q2為旋耕馬達流量，取7.5 L/min。由此得出液壓泵的最大流量為36.2 L/min。

2.2.3液壓泵的選定。根據對液壓泵的工作壓力和流量的確定，經過查詢設計手冊，最后選定了液壓泵的型號為CBQ-F563齒輪泵。

2.3液壓閥的選取在整體回路里面，除了泵、馬達外，還必須有其他的控制閥類。比如要實現轉向動作，就需要用調速閥改變進入到液壓馬達的流量[4]。

液壓閥在選取的時候，根據計算得到的流量、壓力的參數，參照實際環境以及設備空間，從產品樣本等參考手冊中選取[5-6]。

依據設計時計算可知，系統中所有閥的額定壓力定為2.5 MPa，而它們的額定流量根據通過的流量都定為38 L/min，并以此來選擇各種閥類[7]。

3結論

該研究根據適合在高附加值土地上可遙控全液壓自走式土壤循環消毒機的要求，設計了土壤循環消毒機的整體液壓方案并進行了相關元件參數的計算及選型。對比國內其他類型的土壤消毒設備，該設備具有綠色、環保、無污染、整機液壓回路設計新穎、操控簡單、工作平穩、效率高、性能可靠、維修難度低等特點。該土壤循環消毒機液壓系統的設計可為國內土壤消毒設備相關設計提供新的研究方向及參考依據，具有廣闊的推廣前景[8]。

參考文獻

[1] 曹坳程，郭美霞，王秋霞，等.土壤消毒技術[C]//成卓敏.植物保護科技創新與發展:中國植物保護學會2008年學術年會論文集．北京：中國農業科學技術出版社，2008.

[2] 劉守祥，付明.小型旋耕機牽引機構和驅動系統的設計[J]．長江大學學報(自然科學版農學卷),2008，5(3)：75-76.

[3] 張志起，崔中凱，劉繼元.4 YX-4 型全液壓自走式玉米收獲機液壓系統設計[J]．農機化研究，2015(12)：97-101.

[4] 韓志引,馬永青,郭風泉.調速閥性能與應用分析[J]．現代制造技術與裝備，2014(2)：45-46.

[5] 張妮娜.現場混裝炸藥車液壓控制系統的研制[D].大連：大連海事大學，2012.

[6] 段艷萍.基于i-deas平臺的機床液壓智能cad系統的關鍵問題研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[7] 朱生宏.專用銑床液壓系統設計[J]．科技視界, 2013(36)：8-10.

[8] 劉楓，范志強.玉米收獲機閉式靜液壓行走系統的研究[J].價值工程， 2011， 30(33):35．

Design and Research on Hydraulic System of Soil Circulating Disinfection Machine

HUANG Wei-hua

(School of Mechanical and Electronical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002)

AbstractSoil disinfection is a new and high efficient technology to solve the problems of soil diseases.To solve the soil diseases and pests caused by continuous cropping, we designed the hydraulic part of soil circulating disinfection machine according to the requirements of green disinfection work.The overall design principle diagram of hydraulic system was designed.Parameter calculation and selection of traveling hydraulic motor, hydraulic pump and various control valves were carried out.The design provides references for the equipment of soil disinfection.

Key wordsSoil disinfection; Traveling hydraulic motor; Traction; Hydraulic pump

基金項目河南省教育廳和財政廳合作項目：河南省高等學校重點科研項目應用研究計劃項目(15B460006)。

作者簡介黃偉華(1971- ),男，河南鄭州人，講師，碩士，從事液壓與氣動 、優化設計等研究。

收稿日期2016-03-22

中圖分類號S 22

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-268-02