何賢劍
(浙江海宏液壓科技股份有限公司,浙江 臨海 317000)
農(nóng)業(yè)機械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標志,作物收獲機械化是農(nóng)業(yè)機械化的重要環(huán)節(jié)。水稻作為我國最主要的糧食作物之一,種植面積約占糧食種植面積的1/3,產(chǎn)量接近糧食總產(chǎn)量的1/2。優(yōu)質(zhì)、高效的水稻機械化收割對提高農(nóng)業(yè)機械化水平、加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程及確保我國糧食安全有著極其重要的意義。
21世紀以來,隨著國家加大對農(nóng)業(yè)機械的補貼力度,國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械發(fā)展開始突飛猛進,水稻收割機也從單純的仿制到能獨立自主的開發(fā),實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍;同時,含雜率和破損率等數(shù)據(jù)大幅度降低,有效保障了糧食的產(chǎn)量。但無論是橫軸流發(fā)展到縱軸流亦或是復(fù)合脫粒型式的結(jié)構(gòu),還是半喂入到全喂入型式的發(fā)展,均是機械結(jié)構(gòu)的改變,國內(nèi)水稻收割機液壓系統(tǒng)發(fā)展依舊停滯不前,對收割效率、操作舒適性和整體可靠性方面產(chǎn)生很大的影響。因此,有必要對國內(nèi)的水稻收割機液壓系統(tǒng)進行升級改造,使其符合時代發(fā)展的需要[1-2]。
本文針對某款傳統(tǒng)水稻收割機液壓系統(tǒng)原理進行分析,提出存在的關(guān)鍵性問題,進行針對性的升級改造,并在臺架試驗臺上進行試驗驗證。結(jié)果表明:改造后的系統(tǒng)具有效率高、操控性好、可靠性高和故障率低等優(yōu)點[3-6]。
某款傳統(tǒng)水稻收割機液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。原理如下:各執(zhí)行機構(gòu)不動作時,從齒輪泵1出來的工作油液經(jīng)3、8、13和16再回油箱卸荷。當操縱任意閥桿(3、8、13和16)動作時,執(zhí)行機構(gòu)5、10、11、17、18會執(zhí)行相應(yīng)的動作來滿足系統(tǒng)的要求。圖1中:2為系統(tǒng)主溢流閥,起安全保護作用;7為卸糧5和撥禾輪10油缸的溢流閥,對這兩個執(zhí)行機構(gòu)進行安全保護;14為割臺油缸11的溢流閥,對割臺油缸進行安全保護;15為轉(zhuǎn)向制動閥17和18的溢流閥,對轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行保護;4、9、12為液壓鎖,當執(zhí)行機構(gòu)不動作時,控制執(zhí)行機構(gòu)沉降量。
1.齒輪泵 2、7、14、15.安全閥 3.卸糧控制閥 4、9、12.液壓鎖 5.高位卸糧油缸 6.油箱 8.撥禾輪控制閥 10.撥禾輪油缸 11.割臺油缸 13.割臺控制閥 16.轉(zhuǎn)向控制閥 17、18.左右轉(zhuǎn)向制動閥圖1 某款傳統(tǒng)水稻收割機液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1 A traditional rice harvester hydraulic system principle diagram
傳統(tǒng)水稻收割機液壓系統(tǒng)主要存在以下幾個問題:
1)轉(zhuǎn)向與其他動作(如割臺、撥禾輪、卸糧)無法有效聯(lián)合操作,影響效率;
2)撥禾輪轉(zhuǎn)速固定,當收割不同作物時(小麥、水稻、油菜等),喂入量不易控制,影響收割效果;
3)高位炮筒旋轉(zhuǎn)采用直流電機控制,電機防水防塵能力有限,故障率居高不下。
針對傳統(tǒng)水稻收割機系統(tǒng)中存在的幾個問題,對其進行升級改造,改造后液壓系統(tǒng)如圖2 所示[7]。
1.油箱 2.雙聯(lián)齒輪泵 3、5、7、27.安全閥 4.分流閥 6、9、13.固定節(jié)流孔 8、11、14.三位四通M型電磁換向閥 10、12、22.液壓鎖 15.撥禾輪油缸 16.高位卸糧油缸 17.高位炮筒旋轉(zhuǎn)馬達 18.轉(zhuǎn)向控制閥 19、20.轉(zhuǎn)向制動閥 21.割臺油缸 23.割臺控制閥 24.可變節(jié)流孔 25.撥禾輪旋轉(zhuǎn)馬達 26.定差溢流閥圖2 改造后液壓系統(tǒng)原理圖Fig.2 The Principle diagram of hydraulic system after transformation
新系統(tǒng)由4個閥組成:A電控閥組、B機械閥組、C調(diào)速閥和D轉(zhuǎn)向制動閥。從圖2中可看出:新系統(tǒng)采用電控+機械控制方案,可以實現(xiàn)傳統(tǒng)收割機液壓系統(tǒng)所有的功能。同時,為不影響操作習(xí)慣,割臺及轉(zhuǎn)向動作采用機械操作方案(與傳統(tǒng)收割機操作習(xí)慣一致),撥禾輪、卸糧、炮筒選擇采用電控方案,電控開關(guān)可以放置在割臺轉(zhuǎn)向一桿操作桿上,可以實現(xiàn)單手控制各個部位工作,效率大大提升。同時,通過從齒輪泵工作口,設(shè)置分流機構(gòu),恒定分流小部分油液去控制高位炮筒旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向(高位炮筒和轉(zhuǎn)向流量要求不高,可以設(shè)置相同,減少管路布置);不工作時,這部分流量低壓卸荷,安全節(jié)能,分流口設(shè)置有安全閥,對恒定流量支路進行安全保護。齒輪泵多余的流量分別去割臺、撥禾輪和卸糧等執(zhí)行機構(gòu)。因此,無論何時,在操作轉(zhuǎn)向動作時,可以同時操縱割臺及撥禾輪、卸糧等機構(gòu),而不用擔(dān)心動作連續(xù)性的問題,大大提高工作效率。
電磁閥均采用M型三位四通電磁閥,同時根據(jù)需要設(shè)置有液壓鎖或者不設(shè),撥禾輪和卸糧油缸的液壓鎖裝置專門有設(shè)置節(jié)流小孔,防止中位時動作互為干涉。
改造后液壓系統(tǒng)原理介紹如下:
1)a支路(圖2中a箭頭):從齒輪泵出來的工作油液經(jīng)過分流閥芯分a和b兩路分別去工作。其中,a路為穩(wěn)定流量,中位時,這路工作油液經(jīng)固定節(jié)流孔6、三位四通M型電磁換向閥14到轉(zhuǎn)向控制閥18,再回油箱卸荷。當電磁閥14得電時,炮筒馬達可以左右旋轉(zhuǎn),且轉(zhuǎn)速恒定。當轉(zhuǎn)向控制閥18動作時,可以控制收割機行駛方向。4和6組成穩(wěn)流機構(gòu),控制固定節(jié)流孔6前后的壓差保持一致,使得去a支路的流量恒定。安全閥5對a支路進行進行安全保護作用,控制炮筒馬達17的工作壓力和轉(zhuǎn)向工作壓力。
2)b支路(圖2中b箭頭):b支路流量隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化,中位時,油液經(jīng)分流閥芯4、割臺控制閥23、三位四通M型電磁換向閥8和11,再回油箱卸荷。操作割臺換向閥23,控制割臺油缸21上升下降,電磁閥8或11得電,分別控制撥禾輪油缸15和高位卸糧油缸16動作。固定節(jié)流孔9和13功能:使液壓鎖10和12快速回位,防止閥桿回中位后,油缸繼續(xù)動作。安全閥3、5、7和27分別對各油路進行安全保護。
3)撥禾輪馬達25支路:從齒輪泵出來的工作油液經(jīng)過旁通型調(diào)速閥C,通過調(diào)節(jié)可變節(jié)流口24的面積梯度,實現(xiàn)不同的流量輸出,以控制撥禾輪馬達25的轉(zhuǎn)速。24和26構(gòu)成定差溢流型調(diào)速閥,也稱三通型調(diào)速閥或旁通型調(diào)速閥。調(diào)速閥的使用,使得撥禾輪馬達轉(zhuǎn)速控制不隨負載變化而變化,保持恒定轉(zhuǎn)速。當收割不同作物時,只需調(diào)節(jié)可變節(jié)流口24的面積梯度,免去傳統(tǒng)收割機更換不同直徑導(dǎo)向輪的安裝工作,提高效率。
圖3為分流閥結(jié)構(gòu)圖[8],對應(yīng)圖2原理圖序號4和6。從齒輪泵出來的工作油液經(jīng)過分流閥芯6分a和b支路去工作。其中,a支路流量恒定,與a支路負載無關(guān);b支路流量隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高而變大。
1、8.螺堵 2、7.組合墊片 3.彈簧 4.閥體 5.固定節(jié)流孔 6.分流閥芯圖3 分流閥結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Shunt valve structure
a支路流量恒定原理(見圖3):固定節(jié)流孔5前后的壓差由彈簧3來控制,由于彈簧的預(yù)壓縮量遠大于變化量,可近似認為彈簧力不變。
根據(jù)流量公式,有
(1)
Δp=k(x+Δx)/A1
(2)
其中,Q為通過固定節(jié)流孔5的流量;Cd為流量系數(shù);A為固定節(jié)流孔5的面積;Δp為固定節(jié)流孔5的前后壓差;ρ為油液密度;x為彈簧3的預(yù)壓縮量;Δx為分流時彈簧位移變形量;A1為分流閥芯6的端面面積;k為彈簧3的剛度。
式(2)中,由于x?Δx,故認為
Δp≈k·x/A1
(3)
由于式(3)中,k、x、A1均為恒定值,故認為壓差Δp為恒定值。把式(3)代入式(1),可得出流量Q恒定,即通過固定節(jié)流孔5的流量恒定(去a支路流量恒定)。
通過以上理論分析,分流閥芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計,可以滿足系統(tǒng)轉(zhuǎn)向與割臺、撥禾輪及卸糧油缸的聯(lián)合動作,顯著提升效率。
圖4為調(diào)速閥結(jié)構(gòu)圖[9]。從齒輪泵出來的工作油液經(jīng)圖4中P口進入調(diào)速閥,通過調(diào)節(jié)手柄行程,帶動可變節(jié)流閥芯上下移動,使節(jié)流面積發(fā)生變化,再進入到A口(馬達入口),多余的油液從定差溢流閥芯溢流回T口(油箱),可變節(jié)流口壓差(即P口和A口的壓力差)由定差彈簧設(shè)定。由于彈簧的預(yù)壓縮量遠大于變化量,可近似認為彈簧力不變。原理同a支路流量恒定原理,公式見式(1)~式(3)。當撥禾輪馬達負載較大,超過安全閥設(shè)定的壓力時,安全閥打開,工作油液卸壓,對馬達進行保護,防止超載。
1.安全閥組件 2.定差溢流閥芯 3.行程調(diào)節(jié)手柄 4.可變節(jié)流閥芯 5.定差彈簧圖4 調(diào)速閥結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Speed control valve Structure
試驗條件:進油口流量30L/min,試驗主壓力200bar,通過調(diào)節(jié)工作口不同負載壓力,驗證分流流量穩(wěn)定性。
炮筒馬達和轉(zhuǎn)向流量實際需求3~3.5L/min左右。本次試驗通過對工作口加載不同的壓力,來分析分流閥芯穩(wěn)定分流功能。分流閥閥芯流量穩(wěn)定性曲線如圖5所示。
圖5中:p1為進油口工作壓力曲線,p2為工作口壓力曲線,Δp為壓差曲線(Δp=p1-p2),Q為分流口流量。
由圖5中可看出:隨著工作口p2壓力的增加(0~150bar),進油口p1壓力也跟著增加,但壓力差Δp始終穩(wěn)定在7~7.5bar之間,工作口流量Q穩(wěn)定在3~3.2L/min之間。因此可看出,不同的工作壓力,對分流閥芯分流流量影響是很小的,這部分穩(wěn)定分流流量去控制炮筒馬達和轉(zhuǎn)向,使其撥禾輪和炮筒工作不受外在負載的變化而變化。
因此,分流閥芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計,可以滿足系統(tǒng)轉(zhuǎn)向與割臺、撥禾輪及卸糧油缸的聯(lián)合動作,顯著提升效率;同時,可以滿足炮筒馬達旋轉(zhuǎn)的恒定轉(zhuǎn)速的要求。
圖5 分流閥芯流量穩(wěn)定性曲線Fig.5 The flow stability curve of shunt valve
撥禾輪采用調(diào)速閥控制馬達的方案,可以滿足不同作物對撥禾輪轉(zhuǎn)速的不同需求。
試驗條件:進油口流量30L/min,試驗主壓力200bar,通過調(diào)節(jié)工作口不同負載壓力,驗證調(diào)速流量的穩(wěn)定性。通過調(diào)節(jié)行程手柄可獲得0~30L/min區(qū)間的流量。這里取兩個流量點進行測試研究(分別為5L/min和20L/min),分別代表撥禾輪低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速兩種工作狀態(tài)。
調(diào)速閥流量穩(wěn)定性曲線如圖6和圖7所示。其中,p1為進油口工作壓力曲線;p2為工作口壓力曲線;Δp為壓差曲線(Δp=p1-p2);Q為調(diào)速口流量。
圖6為調(diào)速閥小流量(5L/min)狀態(tài)穩(wěn)定性曲線。由圖6中可看出:隨著工作口p2壓力的增加(0~100bar),進油口p1壓力也跟著增加,但壓力差Δp始終穩(wěn)定在5.3~5.6bar之間,工作口流量Q穩(wěn)定在5~5.3L/min之間。因此可看出,小流量工作狀態(tài)下,調(diào)速閥輸出的流量是很穩(wěn)定,不受負載狀態(tài)的影響而改變流量。
圖7為調(diào)速閥大流量(20L/min)狀態(tài)穩(wěn)定性曲線。由圖7中可看出:隨著工作口p2壓力的增加(0~100bar),進油口p1壓力也跟著增加,但壓力差Δp始終穩(wěn)定在7.5~7.9bar之間,工作口流量Q穩(wěn)定在20~20.6L/min之間。因此,可看出大流量工作狀態(tài)下,調(diào)速閥輸出的流量是很穩(wěn)定,不受負載狀態(tài)的影響而改變流量。
從圖6和圖7曲線可看出,大流量的壓力差Δp大于小流量狀態(tài)的壓力差。其原因主要是受閥口通徑的影響,使得大流量狀態(tài)下的沿程壓力損失和定差彈簧(見圖4)壓縮量大于小流量狀態(tài)下的值。
因此可得出結(jié)論:撥禾輪馬達采用三通調(diào)速閥方案控制,馬達轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,不易受負載波動影響,使得作物喂入量穩(wěn)定。同時,通過調(diào)整手柄行程,可以控制馬達轉(zhuǎn)速,適合收割不同轉(zhuǎn)速要求的農(nóng)作物,方便且效率高。
圖6 調(diào)速閥小流量(5L/min)狀態(tài)穩(wěn)定性曲線Fig.6 Small flow (5l/min) state stability curve of speed valve
圖7 調(diào)速閥大流量(20L/min)狀態(tài)穩(wěn)定性曲線Fig.7 Big flow (20l/min) state stability curve of speed valve
1)新系統(tǒng)采用分流閥芯結(jié)構(gòu),可以滿足系統(tǒng)轉(zhuǎn)向與割臺、撥禾輪及卸糧油缸的聯(lián)合動作,顯著提升效率;
2)新系統(tǒng)撥禾輪馬達采用調(diào)速閥方案控制,通過調(diào)整手柄行程,可以控制馬達轉(zhuǎn)速且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,適合收割不同轉(zhuǎn)速要求的農(nóng)作物,方便且效率高。
3)傳統(tǒng)收割機炮筒旋轉(zhuǎn)采用直流電機控制方式,電機防水防塵能力有限,故障率居高不下。新系統(tǒng)采用液壓馬達控制炮筒旋轉(zhuǎn),功率密度比直流電機大,安全性能突出,故障率低。
目前,該系統(tǒng)已在中聯(lián)重機某款收割機上批量應(yīng)用。謹希望本文能為同行設(shè)計類似收割機液壓系統(tǒng)提供理論和實踐幫助。