大型农田清平机工作装置液压系统的设计

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液压与气动 2013年第 10期DOI：10．1 1832／j．issn．1000-4858．2013．10．018大型农田清平机工作装置液压系统的设计孑L德刚，弋景刚，崔保健，姜海勇，刘江涛The Design of Hydraulic System for Large Working Device of FarmlandScavenging Leveling MachineKONG De—gang，YI Jing—gang，CUI Bao-jian，JIANG Hai—yong，LIU Jiang—tao(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)摘 要：为了提高平整土地时的平整精度和效率，利用激光技术与液压系统相互配合，能够实现高精度平整土地的目的。针对大型农田清平机清平刀的动作要求，对其液压系统进行了合理的分析设计，并在此基础上对液压系统进行了进一步改进。实际作业的结果表明，改进后的液压系统不但能满足清平刀的上下、水平转动和左右高低的动作调整要求，同时具有可靠性、经济性和适用性的特点。

关键词：大型农田清平机；工作装置；液压系统设计；改进中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)10-0066-04引言土地平整不但对于工程建设有着极其重要的作用，而且对于现代化的农业设施也至关重要。经过世界范围内的大量研究表明，土地被刮平后可提高庄稼产量，节省用水，减少化肥流失，还可以使作物整齐易于管理，所以平整土地的设备研发也就势在必行。农业进行土地平整，过去一直采用常规方法，利用平地机或铲运机等机械进行平整作业，这样只能达到粗平的目的且效率低下。为了提高土地的平整精度和效率，利用激光技术与液压系统相互配合，能够达到高精度平整土地的要求。液压系统作为清平机的核心部分之一
，在满足动作要求的前提下，液压执行元件运动的平稳性、响应速度、动作的可靠程度等都是液压部分需要考虑的问题。

1 大型农田清平机工作装置总体方案的确定1．1 总体方案的确定大型农田清平机用于对未耕农田进行清平作业或对犁耕后的农田进行平整作业。主要实现清平刀的上下、水平转动以及左右高低的调整。通过转盘结构实现水平角度调整；通过转动组件的相互转动和左右立缸的独立调整实现清平刀的左右高低调整；通过左右立缸同时伸缩使整个工作装置绕转轴座转动，实现清平刀的上下调整。同时在清平过程中通过转动组件的牵引作用达到清平的目的。其总体设计方案如图 1所示。

l2 1l lo 9 8 7 6 51．上挂组件 2．激光接收器 3．激光接收器支架 4 上下调节液压缸5．水平转盘结构 6．刀体组件 7．清平刀 8．水平调节平推缸9．转动组件 l0．转轴座 11．车体 12．地表图 1 农田清平机总体结构简图1．2 液压动作的设计要求(1)清平刀的上下调整 通过左右立缸的同时伸缩实现清平刀上下位置的调整，从而达到清平深度的收稿 13期 ：2013-08．21基金项目：2011年度河北省科学技术研究与发展计划项 目(1 1212106D)作者简介 ：孔德刚(1986一)，男，河北任丘人，在读硕士研究生，主要从事机电一体化方面的研究工作。

2013年第10期 液压与气动 67调整和非工作状态的抬起。

(2)清平刀的左右高低调整(±200 mm) 通过左边立缸伸右边立缸缩或者右边立缸伸左边立缸缩，实现清平刀的左右高低调整，使清平刀左右两端相对激光平面始终保持水平。

(3)清平刀的水平转动(±20。)调整 通过左右平推缸的伸缩实现清平刀水平方向的转动，根据清平深度使清平刀在工作过程中保持固定的旋转角度，将多余的土壤分流到刀体一侧。因此一般情况下平推缸在工作过程中很少调整。清平机的工作装置立体结构图如图2所示。

图2 滑平机工作装置立体结构图1．3 激光调平原理激光清平系统包括：激光发射器、激光接收器、控制器、液压系统和清平机。首先是激光发射器发出旋转光束，在作业地块上形成一光平面，此光平面就是平整土地的基准平面，光面可平可斜。接收器安装在清平刀组件的两端。清平机在工作过程中，刀体组件两端的接收器随刀体位置的变化而变化，当接收器检测到激光信号后，不断地向控制器发送信号，控制器接收到信号后，进行修正，修正后的信号控制相应的电磁阀，以改变液压油输向油缸的流向与流量，从而达到自动清平农田的目的。激光控制原理图如图3所示。

图3 激光清平闭环控制系统图2 液压系统的设计2．1 清平机液压系统工作原理分析1)调速阀的选择清平机在工作工程中需要两个立缸频繁动作，并且对缸的位移量要求较高。采用带单向阀的调速阀，控制精度高，刚性好。相比较而言，节流阀速度刚性差，适用于液压缸调整量要求不高的场合。调速阀和节流阀的q与 卸 间的关系曲线如图4所示。调速阀因有减压阀和节流阀两个液阻串联，所以它在正常工作时，至少要有 0．4—0．5 MPa的压差。从图中不难看出当压差达到一定数值之后调速阀的流量基本保持稳定。所以立缸控制油路通过调速阀的流量恒定不变，活塞运动的速度稳定，不受负载变化的影响。而对于两平推缸来说，在工作工程中清平刀的水平角度合适之后就不需要再进行调整，因此从经济性方面考虑采用节流阀足以。

g图 4 调速阀和节流阀的流量特性 曲线2)回油节流调速回路回油 节流调速回路的调速阀使液压缸回油腔形成一 定的背压，在承受负值负载时，背压能够阻止工作部件前冲，从而防止液压缸出现突然窜动现象，使清平工作部件动作更加稳定可靠。同时经过调速阀发热后的液压油流回油箱冷却，发热和泄漏对回油节流调速影响稍小些 由于回油路上节流阀小孔对缸的运动有阻尼作用，同时空气也不易渗人，因此清平刀可获得更为稳定的运动。

3)液压缸的保压锁紧回路的功用是使液压缸能够在任意位置上停留，且停留后不会因外力作用而移动位置。为了保证清平刀位置的可靠度，在液压缸两端的进出油口安装两只液控单向阀，两单向阀组成双向液压锁，当液压缸需要动作时，液压油正向流经液控单向阀进入液压缸的一腔，使位于液压缸另一侧的液控单向阀打开，液压缸的另一腔就能反向出油，于是活塞和活塞杆开始运动，并带动刀体组件动作。到了需要停留的位置，只要将换向阀置于中位，因阀的中位为 Y型机能，所以两个液控单向阀均关闭，使活塞双向锁紧。回路中由于液控单向阀的密封性好，泄漏极少，锁紧的精度主要取决于液压缸的泄漏。

68 液压与气动 2013年第 lO期4)平推缸的卸荷由于两个平推缸通过转盘结构联系在一起，形成一 个等腰梯形结构，机构简化图如图5所示。当左缸伸长时，DE杆绕着 A点转动，此时右侧的液压缸必须缩回。假如 BD伸长量与CE的缩短量相等，可以将两个缸的无杆腔串联在一起，实现刀组件的水平调整。

但梯形结构中由于BD伸长量与 CE的缩短量不等，所以当一个缸伸或缩的同时另一个缸必须处于浮动状态，采用二位四通换向阀控制连通平推缸的两出口并接油箱，从而达到平推缸卸荷的要求。

D图 5 平推缸调整机构简 图2．2 液压系统工作原理针对农田清平机液压系统的上述合理分析，设计出了具有针对性的的液压系统方案，液压系统原理图如图6所示。

1)清平刀的上下调整由立缸一和立缸二同时动作，并且液压缸的伸缩量要相同。当清平刀向上运动时需要电磁铁2和4同时上电，立缸一和立缸二的活塞杆上移。活塞杆带动刀体组件上移，从而提升清平刀高度。同理，当清平刀向下运动时需要电磁铁 1和 3同时上电，立缸一和立缸二的活塞杆下移。活塞杆带动刀体组件下移，从而降低清平刀的高度。

2)清平刀的水平角度调整为了使清平刀水平转动一定角度，通过转盘结构要求平推缸一或平推缸二单独动作，由于两个平推缸之间有机械连接，所以当其中一个缸动作时另一个缸应该处于浮动状态。当平推缸一推出时，电磁铁 5和电磁阀10同时上电，5上电后平推缸左腔进油活塞向右移动活塞杆伸出。与此同时 10上电，将平推缸二的两个油孔连通并接油箱，卸掉了平推缸二活塞两端的液压油，使其处于浮动状态。当角度调整完毕后，电磁换向阀处于中位，液压锁将两个平推缸锁紧，从而达到调节清平刀水平角度的目的。

3)清平刀的左右高低调整为了使清平刀始终保持水平，就需要左右两个立缸相互配合，一伸一缩的使刀体组件绕转动组件中心轴旋转来达到调平目的。如果立缸一端降低，就需要电磁铁2和电磁铁 3上电，此时立缸一活塞杆缩回而立缸二活塞杆伸出，使刀体组件重新回到水平位置。

2．3 液压系统的进一步改进虽然前面的液压系统能够很好的满足了使用要求，而且用到的都是比较经典的液压回路，可靠性比较高，但针对本清平机两平推缸之问的结构联系，对平推缸的控制油路做了进一步的简化，简化后的液压原理图如图 7所示 。

1)改进后的液压系统相对于前面液压系统的两个水平液压缸，改进后的液压系统平推缸采用两个柱塞缸。当左边柱塞缸一进油时，通过机械联接使得右边柱塞缸二自动回油；同理当右边柱塞缸二进油时，左边柱塞缸二自动回油，这样就使得平推缸带动刀体组件转动，实现清平刀水平’ 。 ． 。 ‘.

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立缸一 立缸二 平推缸一 平推缸二1．压力表 2～5．三位四通电磁换向阀 6、7．二位四通电磁换向阀 8～11．液控单向阀 12～15．单向节流阀16、17．单向调速阀 l8～21．液压缸图6 液压系统原理图2013年第 1O期 液压与气动 692 I 3 l 4 ) l)《I ? Xl lf I )《 一 I¨ ． ]1DT I 2DT— — _ ●3DT l 4DT 5DT 6DT 7DT I● — — 一
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其优点是结构紧凑，液压系统出现问题后更容易查找问题所在，便于修理和更换。改进后的液压系统动作顺序表如表 1所示。

表 1 液压系统电磁铁动作顺序表1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 6DT 7DT立缸一下降 + +立缸一上升 + +立缸二下降 + +立缸二上升 + +立缸一、二同时升 + + +立缸一、二同时降 + + +平推缸同时向左 + +平推缸同时向右 + +2)改进后液压系统优点相对于前面的液压系统设计方案，改进后的液压系统经过实际的农田作业试验，具有以下优点：(1)通过实际的装机试验，改进后的液压系统能满足平推缸的动作要求；(2)减少了两个平推缸的卸荷回路和一个平推缸的伸缩动作回路，油路得到了简化，提高相应液压系统的可靠性；(3)电磁换向阀和节流阀的数量大大减少，降低了控制要求和生产成本。

3 结论经上述设计，本农 田清平机工作装置的液压系统具有以下的特点：(1)该液压系统能够很好地满足立缸和平推缸的工作需求，实现清平刀平整土地的动作要求。

(2)该液压系统通过回油节流调速和双向液压锁使清平刀的运动具有平稳性和定位可靠性的特点。

(3)改进后的液压系统具有更好的经济性和适用性，对于此农田清平机的推广有很好的促进作用。

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