土壤循环消毒机液压系统设计研究

黄伟华

(河南农业大学机电工程学院，河南郑州 450002)

土壤循环消毒机液压系统设计研究

黄伟华

(河南农业大学机电工程学院，河南郑州 450002)

摘要土壤消毒在国内是一种新兴的、高效解决土壤疾病等问题的技术。为了解决重茬种植等原因造成的土壤病虫害问题，根据绿色消毒工作的要求，进行了土壤循环消毒机的液压部分设计。试验设计了整机液压系统的原理图，并对行进液压马达、液压泵、各种控制阀进行了参数计算及选型，设计结果可为土壤消毒设备提供参考。

关键词土壤消毒；行进液压马达；牵引力；液压泵

由于高附加值农作物重茬种植等原因造成的土壤疾病，会造成农民收入减少甚至绝收，因此土壤消毒在国外已经比较广泛地使用，国内也开始慢慢重视此方面的问题。目前土壤消毒技术中使用比较多的是化学消毒、蒸气消毒、火焰消毒、太阳能消毒等。这些方法中有的毒性大、污染环境，有的设备要求复杂，有的需要消毒时间过长等[1]。很多消毒设备采用的是纯机械工作，行走方式，但随着人们对于舒适性以及机械性能的追求，液压技术在消毒设备中的应用也越来越广泛，而且液压设备对于农业作业环境具有相当的适应性。根据绿色消毒工作的需求笔者设计了热空气绿色循环消毒全液压自走设备的液压部分，采用遥控比例调速阀控制马达的方法操纵设备，简化了液压回路，降低了维修的难度。试验主要对土壤循环消毒机的液压系统原理进行了设计论述，并对相关液压元件进行了参数计算及选型。

1土壤循环消毒机液压系统原理

消毒机液压部分由旋耕和行走2个部分组成。旋耕部分的液压系统由柴油机提供动力，经过液压泵的作用，带动旋耕部分的液压马达工作，不需要进行转向和调速，仅需使旋耕机按固定的速度旋转即可[2]。

液压执行元件具有功率密度大、方便放置的特点，并且很容易实现无级调速，因此土壤循环消毒机采用由液压元件实现的行走系统[3]。行走部分为履带传动，在左右两边各设有一个液压马达和比例调速阀、换向阀、液压泵及其他液压辅助元件。这2个部分共同采用一个液压泵，转向装置包含接收器和比例调速阀，信号由遥控装置发出，当接收器收到前进的信号后，液压泵会向2个液压马达提供相同的进油量，2个马达有了相同的转速后便会带动履带向前行驶；如果想让机器进行左右转向时，遥控装置会发出不同的信号，接收装置根据收到信号的不同，会改变向2个液压马达提供的进油量，之后马达的转速便会改变，履带的转速不同，机器自然会向转速小的一方转向。转向的角度都可以由遥控装置来控制，实现了机器0～360°的自由行进。整车的液压系统原理图见图1。

注：1.过滤器；2.液压泵；3.溢流阀；4.调速阀；5.三位四通电磁阀；6.行进液压马达；7.三位四通手动阀；8.旋耕液压马达。Note: 1.Filter; 2.Hydraulic pump; 3.Overflow valve; 4.Speed control valve; 5.Three-position four-way solenoid valve; 6.Marching hydraulic motor; 7.Three-position four-way manual valve; 8.Rotary hydraulic motor.图1　土壤循环消毒机液压系统原理Fig.1　Principal of hydraulic system of soil circulating disinfection machine

2液压系统计算及元件选择

2.1行进液压马达由于机器采用履带式行走机构，行进时传动采用液压驱动，根据土壤消毒机的实际作业环境，其整机结构相关参数如下：整机质量1 000 kg；车速3.60、0.06 km/h；驱动轮半径0.15 m；坡度角30°；轮边减速器减速比5.75。

2.1.1土壤消毒机履带行走机构的牵引力。履带行走机构的牵引力的计算：

T1=Tf+Ti=fG+sinαG

(1)

式中，T1为履带行走机构的牵引力;Tf为履带行走机构的滚动阻力;Ti为履带行走机构的坡道阻力;f为履带行走机构的滚动阻力系数，取0.1，见表1;α为最大设计坡度角。由此计算出履带行走机构的牵引力为6 000 N。

表1不同土质路面的滚动阻力系数f

Table 1Rolling resistance coefficient of road surface with different soil textures

路面土质Soiltextureofroadsurface滚动阻力系数fRollingresist-ancecoefficient路面土质Soiltextureofroadsurface滚动阻力系数fRollingresist-ancecoefficient混凝土Concrete0.05松散土地Looseland0.10冻结冰雪地Frozenland0.03～0.04泥泞地、沙地Slimyground,sandyland0.10～0.15坚实土地Solidland0.07

2.1.2马达负载转矩。根据确定的工作时期的牵引力，机器行进时是有2个液压马达同时带动的，计算液压马达的负载转矩为：

(2)

式中,n为马达个数,取n=2;r为驱动轮半径;ηm为马达的机械效率，取ηm= 0.90;ηn为减速器及行走机构的机械效率，取ηn=0.90;i为减速器的减速比。由此计算出马达负载转矩为96.62 N·m。

2.1.3马达的排量。计算公式如下：

(3)

式中，V为马达排量( mL/r);Δp表示为马达的额定工作压力，取2 MPa。由此计算出马达的排量为30.30 mL/r。

2.1.4马达最高输出转速。具体计算公式如下：

(4)

(5)

式中,v是马达行驶时候的最高速度。由公式(4)、(5)计算出马达的最高输出转速为366.20 r/min。

2.1.5行进液压马达的确定。经计算液压马达的额定工作压力、转矩、排量、最高转速等多个要求，最终确定了行进系统的液压马达为MFB10型轴向柱塞马达[5]。

2.2液压泵的选择

2.2.1液压泵最大工作压力的确定。液压泵的最大工作压力P为：

P=P1+∑ΔP

(6)

式中，P1为液压马达在工作阶段所需的最大压力； ∑ΔP表示从液压泵到液压马达之间的压力损失，一般取0.5 MPa，则可计算最大工作压力P=P1+∑ΔP=2+0.5=2.5 MPa。

2.2.2液压泵流量计算。液压泵的最大流量qp为:

qp=K∑q

(7)

式中，∑q为各个液压马达需要的流量总和；K为泄露系数，一般取1.2。则最大流量可写为：

(9)

式中，n为行进液压马达转速；V为行进液压马达排量；ηm为行进液压马达容积效率，取0.9;q2为旋耕马达流量，取7.5 L/min。由此得出液压泵的最大流量为36.2 L/min。

2.2.3液压泵的选定。根据对液压泵的工作压力和流量的确定，经过查询设计手册，最后选定了液压泵的型号为CBQ-F563齿轮泵。

2.3液压阀的选取在整体回路里面，除了泵、马达外，还必须有其他的控制阀类。比如要实现转向动作，就需要用调速阀改变进入到液压马达的流量[4]。

液压阀在选取的时候，根据计算得到的流量、压力的参数，参照实际环境以及设备空间，从产品样本等参考手册中选取[5-6]。

依据设计时计算可知，系统中所有阀的额定压力定为2.5 MPa，而它们的额定流量根据通过的流量都定为38 L/min，并以此来选择各种阀类[7]。

3结论

该研究根据适合在高附加值土地上可遥控全液压自走式土壤循环消毒机的要求，设计了土壤循环消毒机的整体液压方案并进行了相关元件参数的计算及选型。对比国内其他类型的土壤消毒设备，该设备具有绿色、环保、无污染、整机液压回路设计新颖、操控简单、工作平稳、效率高、性能可靠、维修难度低等特点。该土壤循环消毒机液压系统的设计可为国内土壤消毒设备相关设计提供新的研究方向及参考依据，具有广阔的推广前景[8]。

参考文献

[1] 曹坳程，郭美霞，王秋霞，等.土壤消毒技术[C]//成卓敏.植物保护科技创新与发展:中国植物保护学会2008年学术年会论文集．北京：中国农业科学技术出版社，2008.

[2] 刘守祥，付明.小型旋耕机牵引机构和驱动系统的设计[J]．长江大学学报(自然科学版农学卷),2008，5(3)：75-76.

[3] 张志起，崔中凯，刘继元.4 YX-4 型全液压自走式玉米收获机液压系统设计[J]．农机化研究，2015(12)：97-101.

[4] 韩志引,马永青,郭风泉.调速阀性能与应用分析[J]．现代制造技术与装备，2014(2)：45-46.

[5] 张妮娜.现场混装炸药车液压控制系统的研制[D].大连：大连海事大学，2012.

[6] 段艳萍.基于i-deas平台的机床液压智能cad系统的关键问题研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[7] 朱生宏.专用铣床液压系统设计[J]．科技视界, 2013(36)：8-10.

[8] 刘枫，范志强.玉米收获机闭式静液压行走系统的研究[J].价值工程， 2011， 30(33):35．

Design and Research on Hydraulic System of Soil Circulating Disinfection Machine

HUANG Wei-hua

(School of Mechanical and Electronical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002)

AbstractSoil disinfection is a new and high efficient technology to solve the problems of soil diseases.To solve the soil diseases and pests caused by continuous cropping, we designed the hydraulic part of soil circulating disinfection machine according to the requirements of green disinfection work.The overall design principle diagram of hydraulic system was designed.Parameter calculation and selection of traveling hydraulic motor, hydraulic pump and various control valves were carried out.The design provides references for the equipment of soil disinfection.

Key wordsSoil disinfection; Traveling hydraulic motor; Traction; Hydraulic pump

基金项目河南省教育厅和财政厅合作项目：河南省高等学校重点科研项目应用研究计划项目(15B460006)。

作者简介黄伟华(1971- ),男，河南郑州人，讲师，硕士，从事液压与气动 、优化设计等研究。

收稿日期2016-03-22

中图分类号S 22

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)11-268-02