变直径圆捆打捆机液压系统设计*

邓海龙 ， 王成军 ， 韩 锰

（1.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学人工智能学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

打捆机回收秸秆效率高、损失小，且投入成本较低，更容易推广，是目前应用最广的秸秆回收机具[1]。圆捆机因结构简单、经济实用而被广泛应用，但圆捆机形成草捆的直径受到压捆室体积的限制。国内外对这一问题的研究较少，马斯奇奥（青岛）农机制造有限公司[2]在中国农机展上展示了一种依靠高强度胶带改变草捆直径的圆捆机；韩锰等[3]针对圆捆打捆机需要换机才能形成不同直径草捆的问题，基于TRIZ 理论设计了一种依靠液压系统移动钢辊改变压捆室大小的打捆机。打捆机工作存在时间长、强度高、环境差等问题，高强度胶带需要较大的张紧力，且容易受热变形，导致使用寿命较短[4]；而液压系统体积小、刚度大、反应速度快，循环使用的情况下并不影响液压系统的整体性能。因此，采用液压系统的变直径圆捆打捆机拥有更大的发展潜力与空间。

本文根据变直径圆捆打捆机的实际工作要求与特点，改进打捆机压捆机构的结构，设计液压回路，计算液压元件，通过AMESim 建立液压系统模型，验证所设计的液压系统的合理性。

1 工作原理和结构优化

1.1 工作原理

秸秆在通过输送辊送入压捆室的同时链条拖动压辊，使所有钢辊按照相同的方向同速旋转。钢辊的旋转使秸秆形成一个草芯，随着越来越多的秸秆进入压捆室并不断地旋转逐渐形成圆形草捆。压捆室侧面的液压缸通过螺栓与钢辊连接控制压捆室大小，当草捆达到规定直径或当草捆的直径增大到压捆室最大直径时，覆膜后打开压捆室放出草捆。

1.2 结构优化设计

变直径圆捆打捆机包括捡拾、喂入、压捆机构，其中压捆机构包含前液压缸、输送辊、后液压缸、钢辊等，其结构如图1 所示。

图1 打捆机压捆机构结构示意图

液压缸活塞与钢辊同轴布置，液压缸负载较大，容易产生突变载荷，使液压系统产生较大的压力及流量冲击。且压捆机构需使用22 个液压缸，数量多，结构复杂，不利于液压系统的设计。

将液压缸与钢辊通过连杆连接，采用一个液压缸连接两个钢棍，可降低液压系统的复杂程度，提高效率，降低成本。改进后的压捆机构如图2 所示，工作时前液压缸伸出，无杆腔为工作腔；后液压缸缩回，有杆腔为工作腔。

图2 改进后打捆机压捆机构结构示意图

2 液压回路的设计

2.1 负载分析

草芯是保证圆捆机顺利打捆的关键，对后续喂入秸秆有较大的牵带作用。草芯形成过程中，主要依靠钢辊对秸秆的摩擦力及后续喂入秸秆的推动力，此时草捆对钢辊有重力无张力。成型草捆由外向内密度逐渐减小；草捆充实阶段，草捆对钢辊无张力，卷捆所需扭矩缓慢增加；草捆卷压阶段，草捆对压辊的张力开始出现并呈现缓慢增加后快速上升的趋势。其中，前压捆室液压缸提供推力，后压捆室液压缸提供拉力。

2.2 液压系统原理图

在打捆机工作过程中要求活塞杆具有相同的速度与位移。由于同一钢辊上的液压缸负载、运动方向和位移相同，可采用刚性同步回路[5-6]，如图3（a）所示。草捆对钢辊的压力是均匀分布的，当液压缸活塞位置不同时，位移大的活塞会承受更大的载荷，使两液压缸活塞处于相同位置。

图3 液压系统回路

钢辊由单活塞杆双作用液压缸驱动，一端有活塞伸出，另一端没有活塞，使得液压缸两腔有效作用面积不相等。

当工作腔为无杆腔时活塞运动速度v1（m/s）和推力F1（N）分别为：

当工作腔为有杆腔时活塞运动速度v2（m/s）和推力F2（N）分别为：

式中，q为进入液压缸的流量；D、d分别为液压缸活塞内径、活塞杆直径（mm）；p1为主工作腔压力（MPa），农业机械选择压力10 MPa~16 MPa；p2为回油腔压力（MPa），计算时可忽略不计。

根据上式可知，在流量相等的情况下，由于面积A1＞A2，所以速度v1＜v2，输出力F1＞F2。

不同钢辊上的液压缸，尤其是前后液压缸，其负载不同，流量也不同。为保证前后液压缸在工作时速度相同，课题组采用节流调速回路，使用流量控制阀控制进入液压缸的流量，如图3（b）所示。

3 液压系统的计算

变直径圆捆打捆机的主要技术参数如表1 所示。

表1 主要技术参数

3.1 液压缸的计算

液压缸的负载力在运动过程中是变化的，设计中只需考虑最大负载力。最大负载发生在草捆直径最大时的后液压杆上，后液压缸有杆腔为工作腔。钢辊主要承受草捆的重力与张力[7]，张力是对压辊的径向力，而重力可分解为对压辊的径向力与圆周力，计算时只需考虑钢辊所受的径向力G，液压缸与压辊受力图如图4 所示。式中，m为草捆的质量（kg）；α为重力与径向力的夹角（°）；R为草捆张力（N）。

图4 液压缸与压辊受力图

由此可得液压缸负载：

式中，β为压捆室与钢辊中心点连线和液压缸轴线的夹角。

由有杆腔为工作腔可得：

式中，A1＝πD2/4，即无杆腔活塞的有效面积（m2）；A2＝π（D2-d2）/4，即有杆腔活塞的有效面积（m2）；Fmax为液压缸的最大负载力（N）；ηcm为液压缸机械效率，一般取0.90~0.97。

3.2 液压泵的计算

液压泵的主要参数是泵的最大压力和最大流量[8]。

1）泵的最大压力取决于执行原件的最大工作压力，即：

式中，p1＝25 MPa，即液压缸的最大工作压力（MPa）；∑Δp＝0.5 MPa，即系统进油路上的总压力损失（MPa）。

2）对于多个液压缸同时动作的系统，液压缸的最大流量应为：

式中，qV为系统所需流量；K 为系统的泄露系数，一般取为同时动作的液压缸的最大总流量（m3/s）。

此液压系统共12 个液压缸，其中包括4 个前液压缸，8 个后液压缸，单个液压缸的流量：

式中，V为液压缸工作速度（m/s），取V＝0.05 m/s；得：

取最大流量qV＝140 L/min，来计算液压泵排量：

式中，n为电机转速，n＝1 460 r/min；η 为电机效率，η＝0.95。

4 仿真分析

在AMESim 平台[9]中搭建打捆机构液压系统模型，如图5 所示。

图5 液压系统仿真模型图

设置仿真时间为10 s；设置液压泵的额定压力为30 MPa、公称排量为100 mL/r；设置液压缸内径和活塞杆外径尺寸分别为D＝80 mm，d＝56 mm；设置液压缸活塞行程为0~200 mm；设置三位四通换向阀中位时间1 s、右位时间5 s、左位时间4 s；设置溢流阀、减压阀、单向阀等控制液压系统各个支路流量与压力；设置初始状态，前液压缸活塞缩回，后液压缸活塞伸出，得到前后液压缸活塞位移曲线图及速度曲线图，分别如图6、图7 所示。

图6 液压缸活塞位移曲线图

图7 液压缸活塞速度曲线图

由液压缸活塞位移曲线图与速度曲线图可知，前后液压缸活塞在工作时位移总体保持一致，从1 s开始运动，到5 s 左右停止，其瞬时速度与平均速度全都符合要求。5 s 到6 s 时活塞杆达到行程终点，停止运动，此时活塞速度为零。随后换向阀换向，液压缸开始卸压，活塞逐渐返回初始位置。观察活塞位移与速度曲线图发现，活塞在返回途中位移与速度不一致，后液压缸活塞的速度明显大于前液压缸活塞。

液压缸工作腔流量曲线图如图8 所示。由图8 可知，返回途中前液压缸无杆腔与后液压缸有杆腔流量相同。由于前液压缸载荷较小，所以使用减压阀降低该液压系统支路的压力，而减压阀属于单向阀，液压油无法反向流通，同时由于返回途中进出油口改变，导致液压缸工作腔的流量改变。考虑到活塞返回时的位移与速度对工作状态没有影响，为了保持液压系统的简洁高效，对此不再作改动。

图8 液压缸工作腔流量曲线图

5 结论

本文改进变直径圆捆打捆机压捆机构，使其结构更加简单，稳定性能更好。通过分析液压缸的工作状态，设计了一套由刚性同步回路与节流调速回路共同组成的液压系统，所设计的液压系统能使所有液压缸活塞以相同的速度匀速移动。

分析工作时液压缸的负载，使用液压缸内径为80 mm、活塞杆外径为56 mm、工作行程为0~200 mm的液压缸。分析运动过程，使用额定压力为30 MPa、公称排量为100 mL/r 的单向定量液压泵。最后通过AMESim搭建液压系统仿真模型，设置模型参数进行仿真，结果表明在工作状态液压缸活塞的速度为0.05 m/s，符合工作要求。仿真结果证明改进的压捆机构与所设计的液压系统是可行且有效的，为后续变直径圆捆打捆机的实际应用提供了一定的参考依据[10]。