草捆撿拾機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)大型草場的壓實(shí)草捆需要短途運(yùn)輸?shù)男枰?，設(shè)計(jì)一種基于草捆撿拾機(jī)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。介紹液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，通過計(jì)算確定相應(yīng)部件的主要參數(shù)，基于工作環(huán)境的特點(diǎn)進(jìn)行元件選型，為實(shí)現(xiàn)壓實(shí)草捆機(jī)械化運(yùn)輸和裝卸提供支持。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng);草捆撿拾機(jī);設(shè)計(jì);液壓缸;液壓泵

中圖分類號(hào)：S225.91+9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2021）06-0043-03

草捆撿拾機(jī)是各種牧草采摘機(jī)械中必不可少的裝置，而液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是整機(jī)的核心部件。針對(duì)當(dāng)前大型草場的草捆需要短途運(yùn)輸?shù)男枰?，設(shè)計(jì)一種基于草捆撿拾機(jī)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。介紹液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和主要元件，通過計(jì)算確定相應(yīng)部件的主要技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)工作環(huán)境的特點(diǎn)進(jìn)行元件選型，為實(shí)現(xiàn)壓實(shí)草捆短距離運(yùn)輸和裝卸機(jī)械化提供技術(shù)支持。

1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

草捆撿拾機(jī)主要用于圓草捆回收，主要由車架主體、牽引架、撿拾架、液壓系統(tǒng)和退包架組成。牽引架的作用是連接拖拉機(jī)，依靠拖拉機(jī)牽引移動(dòng)。拖拉機(jī)牽引撿拾車行進(jìn)過程中，撿拾臂放至最低點(diǎn)，將圓草捆推托起。拖拉機(jī)啟動(dòng)撿拾臂油缸油路，將撿拾臂升起后，圓草捆自動(dòng)落入車架上。車架主體主要承載圓草捆，最大裝載量9捆（以直徑1 200 mm，長1 400 mm圓草捆，單捆質(zhì)量520 kg為例）。第一排裝滿圓草捆后，拖拉機(jī)啟動(dòng)液壓泵，退包支架將第一排圓草捆推至尾部。

與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)設(shè)備相比，液壓系統(tǒng)具有設(shè)備安裝方便﹑質(zhì)量輕、體積小、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過載保護(hù)。草捆式撿拾機(jī)通過液壓系統(tǒng)控制撿拾手臂升降，利用液壓馬達(dá)牽引鏈條運(yùn)動(dòng)，控制擋草板豎起或放下，車架升高后可實(shí)現(xiàn)卸草。液壓系統(tǒng)的主要元件及其作用見表1。

2 液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

液壓系統(tǒng)主要包括油箱、齒輪泵、組合閥、電磁換向閥、撿拾器馬達(dá)、電磁通斷閥和溢流閥，詳見圖1。油箱出入口、齒輪泵、組合閥、電磁換向閥、撿拾器馬達(dá)、電磁通斷、油箱入口依次串聯(lián)起來。由節(jié)流閥和壓力補(bǔ)償閥形成組合閥，來代替現(xiàn)有液壓系統(tǒng)中的優(yōu)先節(jié)流閥，大大降低液壓系統(tǒng)的壓力損失和油箱發(fā)熱功率，進(jìn)而明顯提高撿拾機(jī)的工作效率。

3 液壓系統(tǒng)的主要部件設(shè)計(jì)與選型

3.1 液壓泵

撿拾機(jī)的揀拾臂在抬升運(yùn)行中承受的負(fù)載很大，運(yùn)行速度相對(duì)較低。而下降過程中的負(fù)載相對(duì)較小，運(yùn)行速度較快。從節(jié)約能量及降低發(fā)熱成本考慮，液壓泵可選擇單泵供油或變量泵供油。綜合考慮，選用一種帶有壓力回饋的限制式變化葉片泵。

不考慮包退架自身質(zhì)量，主要計(jì)算退包支架將圓草捆推至尾部所需要的力。單捆草捆質(zhì)量為520 kg，3捆總質(zhì)量為1 560 kg。通過計(jì)算確定設(shè)計(jì)的液壓泵技術(shù)參數(shù)為：額定壓力14 MPa，轉(zhuǎn)速1 825 r/min，排量26.93 mL/r，轉(zhuǎn)矩48.14 N·m，功率9.2 kW。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，選擇cm-f型的齒輪式液壓傳動(dòng)大泵，其額定工作電機(jī)為14 MPa，最大工作電機(jī)轉(zhuǎn)速17.5 MPa，額定電機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min，最高工作電機(jī)2 400 r/min。

3.2 控制部件

自動(dòng)調(diào)速控制回路具有工作效率高、發(fā)熱小及加速剛性好等優(yōu)勢。將自動(dòng)調(diào)速控制閥直接安裝于回油路，能夠承受較大的負(fù)切削。電磁閥快慢速換接傳動(dòng)回路結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)調(diào)整簡單方便，安裝也相對(duì)容易，但運(yùn)行速度和傳動(dòng)換接時(shí)的平穩(wěn)性較差。為提高自動(dòng)換接控制系統(tǒng)的工作運(yùn)行性和平穩(wěn)性，改用自動(dòng)行程切換控制閥進(jìn)行切換速率控制，且方便調(diào)整換接控制回路。

使用三位四通道電磁閥器元件實(shí)現(xiàn)電動(dòng)拾撿臂的短路控制時(shí)，為有效預(yù)防短路或失電，采用一種防止短路或者失電夾緊的短路控制工作模式。在壓力回路中安裝壓力減壓閥，便于調(diào)節(jié)手臂所被夾緊時(shí)的壓力增幅，并確保夾緊時(shí)壓力穩(wěn)定。

3.3 撿拾臂液壓缸

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定在各工作階段中，內(nèi)部系統(tǒng)所能承受到的外部運(yùn)動(dòng)負(fù)載見表2。

通過參考相關(guān)資料，選擇一個(gè)液壓氣缸的工作壓力為3 MPa，由相關(guān)計(jì)算公式確定最大負(fù)載能力f為20 500 N，查閱相關(guān)資料選取p2為0.5 MPa，ηcm為0.95，同時(shí)考慮到撿拾臂抬升和下降的移動(dòng)速度不同，取d/D為0.7。將數(shù)據(jù)代入相關(guān)公式得到D=9.9×10-2 m。直徑塞距d取100 mm，活塞桿塞距d=70 mm。

按照回油設(shè)計(jì)原則，進(jìn)給夾緊液壓缸的回油工作夾緊動(dòng)力設(shè)定為2.5 MPa，工作動(dòng)力值設(shè)定為0.95，則根據(jù)公式可得D=8.96×10-2 m。再參考液壓缸和活塞桿尺的度值，確定2個(gè)夾緊式液壓缸小徑大徑的值d和D分別是100 mm和70 mm。每一個(gè)工況下的階段內(nèi)液壓氣缸所使用需要的流動(dòng)速度：q抬起為19.2 L/min，Q下降為20.0 L/min，Q夾緊為9.42 L/min。抬升時(shí)所需電動(dòng)機(jī)功率為0.45 kW，由此確定選用y-y90s4型高壓電動(dòng)機(jī)。

4 結(jié)語

為草捆撿拾機(jī)設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)基本性能參數(shù)為：牽引拖拉機(jī)功率≥80 kW;工作速度15 km/h;空車質(zhì)量≤2 000 kg;壓力≤20 MPa;裝載量≤5 000 kg。液壓控制系統(tǒng)整體布局簡潔、可操作性好、可靠性高，可以滿足牧場連續(xù)撿拾集垛自動(dòng)化生產(chǎn)要求。由于生產(chǎn)使用中的環(huán)境較為復(fù)雜，在以后的工作中還需要不斷完善和改進(jìn)機(jī)具設(shè)計(jì)。

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Design of Hydraulic System of Pickup Bale Loader

CHEN Hengfeng

（School of Mechanical Engineering Yangzhou Vocational University， Yangzhou Jiangsu 225000， China）

Abstract： Aiming at the need of short distance transportation of compacted bale of large grassland， a hydraulic transmission system based on pickup bale loader was designed. This paper introduced the design ideas of the hydraulic transmission system， determined the main parameters of the corresponding components through calculation， and selected the components based on the characteristics of the working environment， in order to provide support for the realization of mechanized transportation and loading and unloading of compacted straw bales.

Key words： hydraulic system; pickup bale loader; design; hydraulic cylinder; hydraulic pump

收稿日期：2021-06-25

作者簡介：陳恒峰（1988—），男，碩士，助教，工程師，從事機(jī)械制造和液壓傳動(dòng)控制技術(shù)方面的研究。