马铃薯种植机液压控制系统设计

李 洋，蒲连影，刘萌萌，燕昀航

(1.中机美诺科技股份有限公司，北京 100083； 2.大连海事大学轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

0 引言

目前，市场上的马铃薯种植机传动系统主要是依靠地轮转动提供动力，通过链条与链轮将动力传递至施肥部件及播种部件，驱动施肥、播种部件工作，由于其完全依靠机械结构实现动力传递，结构复杂，可靠性差；对施肥量、株距有严格的要求。现有马铃薯种植机的株距调节主要依靠改变链轮组合来改变机械传动比，实现株距调节。受安装位置尺寸的限制，马铃薯种植机株距调节只限于几个固定参数。不同地区马铃薯种植农艺要求不一样，固定的株距调节参数无法满足特定区域的种植要求；施肥机构也是配置不同的链轮，通过改变链轮间的传动比来实现施肥量的调节，施肥量的调节也是限于某几个固定值，无法实现无级调节[1-3]。

基于上述情况，设计了一种马铃薯种植机液压控制系统，通过液压马达与施肥部件、播种部件的动力输入端连接，驱动施肥、播种部件运动，确保在种植机不同的作业速度下，施肥量、株距始终保持用户所需的设定值，从而保证播种和施肥的均匀度，实现施肥量、播种株距无级调节，满足不同地区马铃薯种植农艺要求。

1 系统分析

液压系统由5部分组成，包括动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。动力元件是将机械能转换成液体的压力能，向整个液压系统提供动力；执行元件是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动，如液压缸和液压马达；控制元件在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向，即各种液压阀；辅助元件包括油箱、过滤器、散热器、油管及管接头、密封圈、压力表和油位油温计等；液压油是液压系统中传递能量的工作介质[4-6]。

按照液压油在液压系统内的循环方式来判断，液压系统可分为开式系统和闭式系统，如图1所示。开式系统是指液压泵从油箱吸油给液压缸或液压马达来驱动其工作，经过液压缸或液压马达后的液压油回到油箱；闭式系统是指液压泵的进油管直接与执行元件的回油管相连，液压油在系统的管路中自循环。两者的区别在于系统内的液压油是否和空气接触，接触的是开式，不接触的是闭式。

1.变量泵 2.安全阀 3.单向阀 4.背压阀 5.补油泵 6.液压马达 7.溢流阀图1 开式系统和闭式系统Fig.1 Open system and closed system

液压基本回路是由相关液压元件组成，能完成某一特定功能的基本油路。按其在液压系统中实现的功能可以分为4部分：压力控制回路，控制油路的工作压力；速度控制回路，控制执行元件的速度；方向控制回路，控制执行元件运动方向的变换和锁止；同步和顺序控制回路，控制几个执行元件同时动作或先后顺序的调整。

在液压系统中实现对执行元件的调速是基本回路的核心功能。调速回路中液压缸的工作速度v和液压马达的转速n为

(1)

(2)

式中v——液压缸工作速度，m/s

q——输入流量，L/min

A——液压缸有效工作面积，cm2

V——液压马达排量，mL/rad

由式(1)和式(2)可知，对于液压缸，由于其有效工作面积A一般是不能改变的，所以速度调节只能靠改变输入流量q来实现；对于液压马达，通过改变输入流量q和排量V都可以实现调速功能。

以图1为例，这是一种变量泵-液压缸容积调速回路。改变变量泵的排量可以调节液压缸的工作速度。变量泵输出的流量是按液压缸工作速度的要求，通过控制装置调节，它总与液压缸的负载相适应。当负载变大时，变量泵的内泄增多，导致液压缸工作速度降低，因此这种回路适用于负载变化范围小的液压系统中。马铃薯种植机液压系统工作时，液压马达和液压缸的负载变化不大，符合上述特点，因此设计为开式回路。

以变量泵-液压缸或定量马达调速回路分析其静态特性。

1.1 速度或转速特性

当不考虑回路的容积效率时，执行元件的速度vm或转速nm与变量泵的排量Vp的关系为

(3)

(4)

式中np——变量泵转速，rad/s

A——液压缸有效作用面积，cm2

Vm——液压马达排量，mL/rad

由式(3)和式(4)可知，马达的排量Vm和液压缸的有效工作面积A是不变的，当变量泵的转速np不变，则马达的转速nm或液压缸的运动速度vm与变量泵的排量Vp成正比，是一条通过坐标原点的直线，如图2中虚线所示。实际上回路的内泄是不可避免的，在一定负载作用下，需要一定流量才能启动和带动负载。所以其实际的vm或nm与Vp的关系如图2中实线所示。这种回路在低速下承载能力差，速度不稳定。

图2 变量泵-定量马达或液压缸回路特性曲线Fig.2 Variable pump-quantitative motor or hydraulic cylinder circuit characteristic curve

1.2 转矩和功率特性

当不考虑回路的损失时，液压马达的输出转矩Tm或液压缸的推力F为

(5)

F=A(Pp-p0)

(6)

式中Δp——液压马达进出口压力差，MPa

ηmm——液压马达机械效率， %

Pp——变量泵输出压力，MPa

p0——吸油路压力，MPa

由上式可知，当泵的输出压力Pp和吸油路(也即马达或缸的排油)压力p0不变，马达的输出转矩Tm或液压缸的输出推力F理论上是恒定的，与变量泵的排量Vp无关，只与液压马达进出口压力差Δp有关。但实际上由于泄漏和机械摩擦等的影响，存在一个“死区”，如图2所示。因此压力和转矩是逐步建立的，直到变量泵产生的流量多于内泄流量时，才能有足够的压力和输出转矩。

调速回路中执行元件的输出功率

(7)

Pm=(Pp-p0)qp=(Pp-p0)npvp

(8)

由式(7)和式(8)可知，液压马达或液压缸的输出功率Pm随变量泵的排量Vp的增减而线性地增减。其理论与实际的功率特性如图2所示。

综上所述，变量泵-液压缸或定量马达调速回路非常实用于负载变化不大、调速范围较大的液压系统中。

2 工作原理

马铃薯种植机液压控制系统如图3所示。

1.顺序阀a 2.顺序阀b 3.顺序阀c 4.液控单向阀a 5.液控单向阀b 6.比例流量阀a 7.比例流量阀b 8.比例流量阀c 9.电磁换向阀a 10.电磁换向阀b 11.减压阀 12.高压过滤器 13.安全阀 14.卸荷阀 15.管式单向阀 16.风冷散热器 17.节流阀图3 液压控制系统Fig.3 Hydraulic control system

由拖拉机液压系统向马铃薯种植机液压控制系统供油，液压控制系统工作原理：液压油路的进油口通过节点a与高压过滤器的液压油入口连接，高压过滤器的液压油出口一端设节点b，减压阀的液压油入口端与节点b连接，减压阀的液压油出口端设置节点c，减压阀的卸油口管路与液压控制系统的液压油回路上设置的节点f连接，减压阀用于设定液压马达的最大工作压力；比例流量阀a与顺序阀a设置于液压马达M1之前，比例流量阀a的液压油入口端与节点c连接，比例流量阀a的液压油出口端与顺序阀a的液压油入口端连接，顺序阀a的液压油出口端与液压马达M1的液压油入口端连接，比例流量阀a用于控制液压马达M1的转速，顺序阀a控制监测比例流量阀a液压油出口端的压力大小，通过压力大小来控制液压马达液压M1油路的连通，从而保证液压马达M1的最低启动压力，使得液压马达M1的启动及停止是平稳的，液压马达M1的液压油出口端与种植机液压控制系统的液压油回路上设置的节点f连接，液压油返回拖拉机液压油箱。系统对于液压马达M2和M3控制与M1相同，这里不再重复叙述。

节流阀的一端与节点b连接，另一端与电磁换向阀a的液压油入口端节点l连接；电磁换向阀a上的节点i与液控单向阀a的液压油入口端连接，节点j与液控单向阀a的控制油路连接，节点f与液压油回路上设置的节点f为同一节点，液控单向阀a的液压油出口端设有节点k和s，双作用液压油缸的液压油接口分别与节点k和s连接，通过控制电磁换向阀a，可实现双作用液压油缸进油管路与回油管路的切换；从而划行器完成收放动作。

液压油回路上设置的节点f与风冷散热器液压油入口端连接，风冷散热器的液压油出口端与管式单向阀的液压油入口端连接，管式单向阀的液压油出口端与液压油路的回油口连接，管式单向阀设置于液压油路的回油口处。液压油回路上安装风冷散热器，对回油进行降温；管式单向阀用于当种植机液压控制系统与拖拉机液压系统接错时，将确保液压油路无法开启；风冷散热器、管式单向阀实现对种植机液压控制系统的保护。

安全阀的液压油入口端与节点b连接，安全阀的液压油出口端与节点f连接，用于控制液压控制系统的最大工作压力。

卸荷阀的液压油入口端与节点b连接，卸荷阀的液压油出口端与节点f连接，液压控制系统不工作时卸荷阀处于卸荷状态；液压控制系统开始工作，卸荷阀处于关闭状态，使得系统压力快速升高至工作状态压力。

3 设计方案

种植机在不同的作业速度下，要求施肥量、株距始终保持用户所需的设定值，从而保证施肥及播种的均匀度，实现施肥量、播种株距无级调节[7-9]。为了实现这个目的，通过设置转速传感器组来实时监测播种主动轮轴、搅龙施肥轴及地轮轴的转速，按照线性关系，当马铃薯种植机行进速度变快时，通过加快播种主动轮轴、搅龙施肥轴的转速，来保证株距及施肥量的恒定；相反，降低其转速。

马铃薯种植机液压控制系统如图4所示，主要包括过滤器、风冷却器、双作用油缸、液压马达、可调节流阀及整体电磁阀块；其中整体电磁阀块功能复杂，集成了多种单一功能的阀体，包括减压阀、顺序阀、比例流量阀、安全阀、卸荷阀、液控单向阀和换向阀[10-12]。

1.拖拉机回油 2.管式单向阀 3.液压油风冷散热器 4.右侧划行器油缸 5.左侧划行器油缸 6.可调节流阀 7.三通接头 8.施肥液压马达M3 9.搅拌液压马达M2 10.播种液压马达M1 11.整体电磁阀块 12.拖拉机进油 13.高压过滤器图4 液压控制系统示意Fig.4 Schematic diagram of hydraulic control system

系统液压马达包括液压马达M1、液压马达M2、液压马达M3；液压马达M1与播种部件中的主动轮轴一端连接，驱动播种部件转动；液压马达M2与施肥部件中的螺旋搅拌轴一端连接，驱动螺旋搅拌轴转动；液压马达M3与施肥部件中的搅龙施肥轴一端连接，驱动搅龙施肥盒转动；系统液压油缸为两个双作用液压油缸，分别控制左右划行器的升降；系统整体电磁阀块含有5路输出，其中3路单向输出，为液压马达供油；2路双向输出，为液压油缸供油。

4 结束语

液压控制系统是马铃薯种植机的关键部件之一，也是反映马铃薯种植机技术先进性的重要方面。通过分析马铃薯种植机液压控制系统的工作原理和方案设计，对提高现有马铃薯种植机的作业性能和效率有重要作用，为今后马铃薯种植机液压控制系统设计提供依据。