馬鈴薯種植機液壓控制系統設計

李 洋，蒲連影，劉萌萌，燕昀航

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

0 引言

目前，市場上的馬鈴薯種植機傳動系統主要是依靠地輪轉動提供動力，通過鏈條與鏈輪將動力傳遞至施肥部件及播種部件，驅動施肥、播種部件工作，由于其完全依靠機械結構實現動力傳遞，結構復雜，可靠性差；對施肥量、株距有嚴格的要求。現有馬鈴薯種植機的株距調節主要依靠改變鏈輪組合來改變機械傳動比，實現株距調節。受安裝位置尺寸的限制，馬鈴薯種植機株距調節只限于幾個固定參數。不同地區馬鈴薯種植農藝要求不一樣，固定的株距調節參數無法滿足特定區域的種植要求；施肥機構也是配置不同的鏈輪，通過改變鏈輪間的傳動比來實現施肥量的調節，施肥量的調節也是限于某幾個固定值，無法實現無級調節[1-3]。

基于上述情況，設計了一種馬鈴薯種植機液壓控制系統，通過液壓馬達與施肥部件、播種部件的動力輸入端連接，驅動施肥、播種部件運動，確保在種植機不同的作業速度下，施肥量、株距始終保持用戶所需的設定值，從而保證播種和施肥的均勻度，實現施肥量、播種株距無級調節，滿足不同地區馬鈴薯種植農藝要求。

1 系統分析

液壓系統由5部分組成，包括動力元件、執行元件、控制元件、輔助元件和液壓油。動力元件是將機械能轉換成液體的壓力能，向整個液壓系統提供動力；執行元件是將液體的壓力能轉換為機械能，驅動負載作直線往復運動或回轉運動，如液壓缸和液壓馬達；控制元件在液壓系統中控制和調節液體的壓力、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等；液壓油是液壓系統中傳遞能量的工作介質[4-6]。

按照液壓油在液壓系統內的循環方式來判斷，液壓系統可分為開式系統和閉式系統，如圖1所示。開式系統是指液壓泵從油箱吸油給液壓缸或液壓馬達來驅動其工作，經過液壓缸或液壓馬達后的液壓油回到油箱；閉式系統是指液壓泵的進油管直接與執行元件的回油管相連，液壓油在系統的管路中自循環。兩者的區別在于系統內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.補油泵 6.液壓馬達 7.溢流閥圖1 開式系統和閉式系統Fig.1 Open system and closed system

液壓基本回路是由相關液壓元件組成，能完成某一特定功能的基本油路。按其在液壓系統中實現的功能可以分為4部分：壓力控制回路，控制油路的工作壓力；速度控制回路，控制執行元件的速度；方向控制回路，控制執行元件運動方向的變換和鎖止；同步和順序控制回路，控制幾個執行元件同時動作或先后順序的調整。

在液壓系統中實現對執行元件的調速是基本回路的核心功能。調速回路中液壓缸的工作速度v和液壓馬達的轉速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——液壓馬達排量，mL/rad

由式(1)和式(2)可知，對于液壓缸，由于其有效工作面積A一般是不能改變的，所以速度調節只能靠改變輸入流量q來實現；對于液壓馬達，通過改變輸入流量q和排量V都可以實現調速功能。

以圖1為例，這是一種變量泵-液壓缸容積調速回路。改變變量泵的排量可以調節液壓缸的工作速度。變量泵輸出的流量是按液壓缸工作速度的要求，通過控制裝置調節，它總與液壓缸的負載相適應。當負載變大時，變量泵的內泄增多，導致液壓缸工作速度降低，因此這種回路適用于負載變化范圍小的液壓系統中。馬鈴薯種植機液壓系統工作時，液壓馬達和液壓缸的負載變化不大，符合上述特點，因此設計為開式回路。

以變量泵-液壓缸或定量馬達調速回路分析其靜態特性。

1.1 速度或轉速特性

當不考慮回路的容積效率時，執行元件的速度vm或轉速nm與變量泵的排量Vp的關系為

(3)

(4)

式中np——變量泵轉速，rad/s

A——液壓缸有效作用面積，cm2

Vm——液壓馬達排量，mL/rad

由式(3)和式(4)可知，馬達的排量Vm和液壓缸的有效工作面積A是不變的，當變量泵的轉速np不變，則馬達的轉速nm或液壓缸的運動速度vm與變量泵的排量Vp成正比，是一條通過坐標原點的直線，如圖2中虛線所示。實際上回路的內泄是不可避免的，在一定負載作用下，需要一定流量才能啟動和帶動負載。所以其實際的vm或nm與Vp的關系如圖2中實線所示。這種回路在低速下承載能力差，速度不穩定。

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

1.2 轉矩和功率特性

當不考慮回路的損失時，液壓馬達的輸出轉矩Tm或液壓缸的推力F為

(5)

F=A(Pp-p0)

(6)

式中Δp——液壓馬達進出口壓力差，MPa

ηmm——液壓馬達機械效率， %

Pp——變量泵輸出壓力，MPa

p0——吸油路壓力，MPa

由上式可知，當泵的輸出壓力Pp和吸油路(也即馬達或缸的排油)壓力p0不變，馬達的輸出轉矩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，只與液壓馬達進出口壓力差Δp有關。但實際上由于泄漏和機械摩擦等的影響，存在一個“死區”，如圖2所示。因此壓力和轉矩是逐步建立的，直到變量泵產生的流量多于內泄流量時，才能有足夠的壓力和輸出轉矩。

調速回路中執行元件的輸出功率

(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-液壓缸或定量馬達調速回路非常實用于負載變化不大、調速范圍較大的液壓系統中。

2 工作原理

馬鈴薯種植機液壓控制系統如圖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.風冷散熱器 17.節流閥圖3 液壓控制系統Fig.3 Hydraulic control system

由拖拉機液壓系統向馬鈴薯種植機液壓控制系統供油，液壓控制系統工作原理：液壓油路的進油口通過節點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節點b，減壓閥的液壓油入口端與節點b連接，減壓閥的液壓油出口端設置節點c，減壓閥的卸油口管路與液壓控制系統的液壓油回路上設置的節點f連接，減壓閥用于設定液壓馬達的最大工作壓力；比例流量閥a與順序閥a設置于液壓馬達M1之前，比例流量閥a的液壓油入口端與節點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M1的液壓油入口端連接，比例流量閥a用于控制液壓馬達M1的轉速，順序閥a控制監測比例流量閥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液壓M1油路的連通，從而保證液壓馬達M1的最低啟動壓力，使得液壓馬達M1的啟動及停止是平穩的，液壓馬達M1的液壓油出口端與種植機液壓控制系統的液壓油回路上設置的節點f連接，液壓油返回拖拉機液壓油箱。系統對于液壓馬達M2和M3控制與M1相同，這里不再重復敘述。

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

液壓油回路上設置的節點f與風冷散熱器液壓油入口端連接，風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，管式單向閥設置于液壓油路的回油口處。液壓油回路上安裝風冷散熱器，對回油進行降溫；管式單向閥用于當種植機液壓控制系統與拖拉機液壓系統接錯時，將確保液壓油路無法開啟；風冷散熱器、管式單向閥實現對種植機液壓控制系統的保護。

安全閥的液壓油入口端與節點b連接，安全閥的液壓油出口端與節點f連接，用于控制液壓控制系統的最大工作壓力。

卸荷閥的液壓油入口端與節點b連接，卸荷閥的液壓油出口端與節點f連接，液壓控制系統不工作時卸荷閥處于卸荷狀態；液壓控制系統開始工作，卸荷閥處于關閉狀態，使得系統壓力快速升高至工作狀態壓力。

3 設計方案

種植機在不同的作業速度下，要求施肥量、株距始終保持用戶所需的設定值，從而保證施肥及播種的均勻度，實現施肥量、播種株距無級調節[7-9]。為了實現這個目的，通過設置轉速傳感器組來實時監測播種主動輪軸、攪龍施肥軸及地輪軸的轉速，按照線性關系，當馬鈴薯種植機行進速度變快時，通過加快播種主動輪軸、攪龍施肥軸的轉速，來保證株距及施肥量的恒定；相反，降低其轉速。

馬鈴薯種植機液壓控制系統如圖4所示，主要包括過濾器、風冷卻器、雙作用油缸、液壓馬達、可調節流閥及整體電磁閥塊；其中整體電磁閥塊功能復雜，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.拖拉機回油 2.管式單向閥 3.液壓油風冷散熱器 4.右側劃行器油缸 5.左側劃行器油缸 6.可調節流閥 7.三通接頭 8.施肥液壓馬達M3 9.攪拌液壓馬達M2 10.播種液壓馬達M1 11.整體電磁閥塊 12.拖拉機進油 13.高壓過濾器圖4 液壓控制系統示意Fig.4 Schematic diagram of hydraulic control system

系統液壓馬達包括液壓馬達M1、液壓馬達M2、液壓馬達M3；液壓馬達M1與播種部件中的主動輪軸一端連接，驅動播種部件轉動；液壓馬達M2與施肥部件中的螺旋攪拌軸一端連接，驅動螺旋攪拌軸轉動；液壓馬達M3與施肥部件中的攪龍施肥軸一端連接，驅動攪龍施肥盒轉動；系統液壓油缸為兩個雙作用液壓油缸，分別控制左右劃行器的升降；系統整體電磁閥塊含有5路輸出，其中3路單向輸出，為液壓馬達供油；2路雙向輸出，為液壓油缸供油。

4 結束語

液壓控制系統是馬鈴薯種植機的關鍵部件之一，也是反映馬鈴薯種植機技術先進性的重要方面。通過分析馬鈴薯種植機液壓控制系統的工作原理和方案設計，對提高現有馬鈴薯種植機的作業性能和效率有重要作用，為今后馬鈴薯種植機液壓控制系統設計提供依據。