折叠式免耕玉米播种机液压系统设计

赵　静，许庆斌，鲁力群，耿端阳

(山东理工大学 a.农业工程与食品科学学院;b.交通与车辆工程学院，山东 淄博　255049)



折叠式免耕玉米播种机液压系统设计

赵静a，许庆斌b，鲁力群b，耿端阳a

(山东理工大学 a.农业工程与食品科学学院;b.交通与车辆工程学院，山东 淄博255049)

摘要：针对折叠式玉米播种机对机架和划行器的工作性能要求，分析了机架和划行器的折叠与平放的工作过程，设计了玉米播种机的机架与划行器的液压控制系统。通过对液压控制系统的分析，确定了系统的最大压力和流量，并对液压系统的执行机构折叠液压缸进行了设计计算，同时对液压系统的控制元件进行了选型。试验表明：设计的液压系统结构紧凑、工作平稳可靠，能够满足玉米播种机的使用要求。

关键词：玉米播种机；折叠系统；液压控制

0引言

我国的玉米种植面积广，2013年玉米种植面积达3 569hm2，机播水平达到80%以上。在山东省，主要的种植制度是一年两熟轮作制度，有少部分地区采用两年三熟轮作制度，特点是“三夏”“三秋”换茬时间短，需要抢收抢种，因此折叠式玉米播种机就是为了提高播种效率而研制的。该播种机的特点是播种时通过拖拉机的液压悬挂系统下降并展开，进行工作。当工作完毕后，需要将玉米播种单元收起折叠，再通过拖拉机的液压悬挂系统进行升起，便于运输和行走。液压系统对播种机播种单元的折叠性能及工作性能的好坏有很大影响，本文根据播种机单元折叠和展开的要求，设计了液压系统原理图，并进行设计计算和选型。播种实地试验表明：其性能良好，能够满足要求。

1液压系统组成及工作原理

1.1划行器及折叠机构液压控制功能要求

划行器是播种机上必不可少的的导向装置，主要用途是使机械直线行驶，保证准确的行距及不重播、不漏播[1]。划行器一般由划印圆盘、起落机构及动力传送装置等组成[2]，如图1所示。划行器的调节有一个范围，也就是它的臂长可以调节，划行器液压缸伸出时，划行器折叠，液压缸缩回时划行器展开放平。根据整机设计要求，玉米播种机在正常工作时，机架连同其上的播种单元平放，使播种机平稳作业；当播种机在地头转弯和不作业运输过程中，两边活动机架折叠起来(见图2)，以方便转向和无作业运输。为此，在两边活动机架上各设置一个液压油缸，以满足机架放平和折叠。

图1　2BYM-12玉米播种机播种单元及划行器

图2　玉米播种单元的折叠与平放示意图

活动机架与划行器的控制需要满足下列条件：

1)折叠过程平稳无冲击，且折叠完毕在转弯或运输过程中能可靠锁紧；

2)在液压缸伸出时，机架或划行器展开平稳，无冲击、振动小；

3)放平后折叠部分处于自由状态。

1.2播种单元液压控制系统工作原理

为完成播种机划行器及活动机架的功能要求，设计的液压控制系统如图3所示。

整个液压系统油源由播种机牵引拖拉机提供，折叠控制单元由1个中位机能为Y型的手动三位四通方向阀控制。当方向阀处于左位时，液压油通过两个液控单向阀进入左右折叠油缸的有杆腔，油缸缩回，左右活动机架开始收起折叠；折叠起升的速度由设置在折叠油缸回油路上的调速阀进行调节，当活动机架需要停留在某一位置或折叠到位后，方向控制阀处于中位，这时左右油缸高压油依靠液控单向阀可靠地锁定在油缸的有杆腔，从而使活动机架处于某一位置；将方向阀置于右位，液压油直接进入左右液压油缸的无杆腔，并同时打开液控单向阀，油缸伸出，活动机架放下，这时回油路上的调速阀作为背压阀使用，可使折叠机架能够平稳放下。需要指出的是，播种机如果长期不使用，不应依靠液控单向阀长期锁定，应设置机械锁定装置使机架锁定牢靠或使机架平放。播种机划行器液压控制系统通过操纵两个中位机能为O型的换向阀来控制左右划行器油缸。当方向控制阀处于左位时划行器油缸伸出，划行器处于工作状态；当方向控制阀处于右位时，划行器油缸缩回，划行器处于非工作状态。若划行器方向控制阀处于中位时，划行器可停留在设定的某一位置，这时依靠方向控制阀的中位机能来封住油缸的进回油通道。

使用液压控制系统来控制活动折叠机架及划行器，体积小、质量轻，借助管道和接头把液压元件连接起来，可以方便灵活地布置传动机构，使机器结构简化且液压装置运动比较平稳，响应速度快、惯性小、换向冲击小，便于实现频繁动作[3]。

1.Y型手动换向阀　2,3.O型手动换向阀　4,5.双向液压锁　6.左折叠油缸　7.右折叠油缸　8.左划行器　9.右划行器　10.调速背压阀

2液压系统的设计与计算

2.1液压系统工作压力确定

为了满足播种机对液压控制系统的要求，需要对液压系统的流量及压力进行设计计算，以便对液压元件进行选型和匹配。液压缸在做往复直线运动时，要克服工作负载、导轨摩擦负载、惯性负载、重力负载、背压负载和密封负载。工作负载取决于液压设备工作的性质，背压负载是指液压执行元件回油腔背压所造成的阻力。工作压力P和最大流量Qmax是液压传动系统中两个最主要的参数，是计算液压传动系统和选择液压执行元件、控制元件、辅助元件和动力机规格和型号的重要依据。液压传动系统工作压力选定是否合适，直接关系到所设计的整机是否经济合理。若系统工作压力选得过低，则整机的结构尺寸和质量就会增加；若系统工作压力选的过高，虽然整机的结构尺寸和质量会减少，比较经济，但系统会对液压元件的强度、制造精度和液压传动系统的使用和维护要求提高。一般液压传动系统的工作压力可以根据执行元件负载图中的最大负载选取，也可根据整机设备类型选取。本文根据设备类型选择，一般农业机械中液压系统的工作压力为中压10～16MPa，本机选取系统的最大压力为16MPa。

2.2液压系统执行元件设计

播种机液压执行元件主要是确定折叠油缸和划行器油缸，即确定出两种工作油缸的缸径和杆径。

根据播种机整机设计要求，单个折叠油缸需要克服的最大播种单元质量为7 209kg，则油缸受到的负载为F=mg=70 650N。

当使放平的活动机架折叠时，这时液压缸进油，则液压缸的有效工作面积为

(1)

其中，D为液压缸内径(m)；F为负载(N)；p为系统压力(Pa)；d为活塞杆直径(m),当折叠油缸活塞杆缩回时，活塞杆受拉力，取d=0.4D,将选定的压力p、负载F值代入式(1)中，得到D=0.081m=81mm，圆整到标准值取缸径D为80mm,杆径d取32mm。使用同样的方法可以计算确定划行器油缸缸径为40mm,杆径22mm。

2.3液压系统执行流量的确定

根据整机设计要求，折叠油缸活塞杆的行程为S=1 470mm，放下或升起活动机架所需要的时间为t为20s。则可以确定出执行元件的流量(以无杆腔确定)为

(2)

其中，Q为液压缸最大流量(m3/s)；S为液压缸行程(m)；t为单行程所需要的时间(s)。将缸径D，液压缸行程S及单行程所需时间t代入式(2)中，可求出流量Q=0.000 492m3/s=30L/min。

2.4液压系统控制元件确定

折叠式播种机液压系统控制元件的确定主要是根据系统压力及所能流过的额定流量，并适当考虑安全性进行选型和匹配，本机选配的主要控制元件型号和主参数如表1所示(以北京华德生产的产品型号为例)。

3试验结果

2012年6月中旬，分别在庆云颐元农机制造有限公司内核庆云县东辛店镇万顷刘村示范基地对 12行播种机进行了试验[4-5]。通过对机架折叠和划行器的折叠与平放进行试验，表明所设计的液压控制系统能够满足播种机的使用要求。

表1　2BM播种机液压系统控制元件选型

4结论

1) 整机能够在大量玉米秸秆覆盖状态下，免耕播种小麦，种子覆土深度在4～6cm，播种质量完全满足免耕施肥播种的农艺要求。根据2BM-12播种机对机架和划行器的折叠与平放的要求，通过计算与选型，设计了其液压控制系统。

2)通过校核与试验，表明所设计的液压控制系统折叠与展开平稳，无冲击并且工作可靠，满足播种机的要求。

参考文献：

[1]武井田.对划印器计算公式的探讨[J].黑龙江八一农垦大学学报，1981(2)：38-42.

[2]华英雪，赵满全，黄炎，等.免耕播种机划行器的设计研究[J].农机化研究，2014，36(8)：107-110.

[3]马恩，李素敏.液压与气压传动[M]. 北京：高等教育出版社，2013.

[4]杨自栋，刘宁宁，耿端阳，等.2BYM-12型折叠式动力防堵免耕播种机设计与试验[J].农业机械学报，2013(增刊)：46-50.

[5]杨自栋，杜瑞成，马明建，等.2BMFY-4型玉米免耕播种机研制与试验[J].农机化研究，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

文章编号：1003-188X(2016)01-0123-03

中图分类号：S223.2+3

文献标识码：A

作者简介：赵静(1979-),女，江苏沛县人，副教授，工学博士，(E-mail) zbceozj@163.com。

基金项目：山东省科技发展计划项目(2014GNC112004)

收稿日期：2015-01-08