9YYB12型智能青饲料打捆缠膜一体机液压系统的设计

张成保，刘学峰，李青江，闵令强，任冬梅，高 强，梁荣庆，张德学

(1.山东省农业机械科学研究院,济南 250100；2.山东双佳农装科技有限公司，济南 250100)

0 引言

随着社会的发展与农牧产业的科技进步，青贮新技术得到了广泛应用，并逐步取代传统窖储青贮饲料方式。这种青贮新技术制作的青贮草包不仅可以满足长距离运输要求，且可以作为商品出售，解决了目前我国很多牧场与青贮饲料原料的种植地距离较远、青贮饲料缺乏，以及供应不足的问题。图1所示的9YYB12型智能青饲料打捆缠膜一体机(以下简称“9YYB12型打捆缠膜一体机”)，就是采用上述青贮新技术，专门用于制作青贮饲料的一款高效率、全智能机型，是现代化饲料青贮产业链中的关键设备。

1.包膜装置总成 2.打捆装置总成 3.机架总成 4.送网装置总成 5.输送装置总成 6.润滑系统总成 7.液压系统总成 8.传动总成 9.前料仓总成图1 9YYB12型智能青饲料打捆缠膜一体机结构Fig.1 Structure of model 9YYB12 intelligent greenfeed banding wrapping AIO machine

整机由88.2kW或以上功率拖拉机牵引，可配合青贮收获机进行田间移动作业，也可固定场地作业；采用半机械、半液压传动方式，主要包括原料输送喂入、打捆布网及裹包缠膜3大部分。工作时，拖拉机PTO动力输出口通过传动轴提供作业动力，除打捆舱打捆链排、打捆舱输送带以及打捆网(膜)辊为机械传动之外，其余动作和功能全部由液压传动方式完成。本文探讨了9YYB12型打捆缠膜一体机的结构组成、工作原理，以及整机输料拨料系统、打捆舱舱门启闭系统、草捆输送缠膜系统、漏料回收系统、草捆前后定位辊驱动和切膜刀驱动等液压系统的设计。

1 整机主要技术参数

型号与名称：9YYB12型打捆缠膜一体机

配套动力/kW：80～100

打捆直径/mm： 1 000～1 150

打捆长度/mm： 1 000

网辊宽度/mm： 1 050～1 200

最大网长/m： 2 000

轮胎型号: 500/50-17

充气压力/bar： 1.75

控制电压/V： 12

总长度/mm： 8 780

总宽度/mm： 2 870

总高度/mm: 3 100

整机质量/kg： 6 500

最大转场速度/km·h-1： 40

PTO 动力输出转速/r·min-1: 540

2 液压系统设计

该设备充分吸收国外多种先进机型的优点，整机液压系统采用双开式设计方案[1]，关键零部件选用原装进口件，以保证整机性能；标准配置选用YTO-X1204四轮驱动拖拉机作为动力源，功率强劲、耗油低、易启动，主机驱动力大、通过性好，并具有稳定的PTO动力输出；设备具有田间移动和固定场地两种作业形式，以固定场地作业形式为主。田间移动作业时需由拖拉机主机牵引、青贮收获机配合完成，要求主机输出牵引功率的同时，还要提供PTO动力输出，因此要求拖拉机主机必须具有足够的功率储备和良好的田间通过能力。液压系统是9YYB12型打捆缠膜一体机非常重要的一部分，它几乎可以承担和完成设备所需要的全部功能，准确实现设备在各个不同工况时的动作要求，操作简便灵活，整个系统元件布局紧凑合理。

2.1 液压元件组成及系统工作原理

9YYB12型打捆缠膜一体机液压系统由青贮原料输送系统、裹包缠膜系统和辅助液压系统3部分组成，由拖拉机主机后PTO动力输出给整机液压站提供动力源，双开式液压系统，并配置独立散热装置[2]，如图2所示。

1.吸油精滤器 2.恒压柱塞变量泵 3.先导二联阀组 4.输、拨料马达 5.截止阀 6.舱门油缸 7.粗滤器 8.齿轮泵 9.油冷器 10.溢流阀C 11.压油精滤器 12.压力表 13.调速阀A 14.插装阀 15.优先阀 16.调速阀B 17.溢流阀D 18.手动转阀 19.输送回收马达 20.缠膜驱动马达 21.电磁换向阀 22.溢流阀E 23.节流阀 24.液压锁 25.后辊油缸 26.前辊油缸 27.切膜刀油缸图2 9YYB12型智能青饲料打捆缠膜一体机液压系统Fig.2 Hydraulic system of model 9YYB12 intelligent greenfeed banding wrapping AIO machine

首先，PTO传动轴将动力传递到分动箱，分动箱的一侧通过一级皮带传动(智能张紧)和二级链轮传动将动力分配给打捆舱链排，驱动打捆舱链排进行打捆作业，再通过末级皮带传动(智能张紧)驱动网(膜)辊旋转进行布网(膜)作业及通过末级链轮传动，驱动打捆舱输送带进行喂入作业；分动箱的另一侧通过一级链轮传动和二级皮带传动，经过二级升速， 将动力分配给整机液压动力元件。

田间移动作业时，需要青贮收获机协同配合，将收获粉碎的青贮材料匀速抛送至设备料斗内；固定场地作业时，由装载机或输送机将事先粉碎好的青贮原料输送至设备料斗内。本机青贮原料输送系统的作用就是通过底部输送链排和后端部的拨料辊将设备料斗中的青贮原料输送至打捆舱喂入传送带，进行二级输送并喂入打捆舱；拨料辊与输送链排联动，堵塞时还可反向旋转，提高了原料输送效率。

打捆舱是设备的一个高压封闭空间，输送喂入到打捆舱的青贮原料，通过舱内打捆链排的往复旋转挤压运动，将松散的青贮原料压缩，排除内部空气和部分水分；随着青贮原料的不断喂入，草捆逐渐成型，密实度逐步增加，当草捆尺寸达到设计要求时，打捆作业结束，青贮原料停止喂入。接下来将进行网(膜)捆绑作业，达到预设捆绑圈数，舱门打开，释放草捆，并将草捆输送至裹包缠膜位置。裹包缠膜系统的主要功能是将输送到裹包缠膜位置的草捆进行裹包缠膜作业，同时根据用户要求，可以调整缠膜重叠率、改变缠膜速度及设定缠膜圈数。

液压辅助系统的主要作用是完成设备作业过程中必不可少的辅助动作，主要包括打捆舱舱门开闭、漏料回收水平铰龙、漏料回收垂直铰龙、草捆输送底部链排、裹包缠膜前后定位辊，以及膜片切断、夹持等。

笔者根据多年从事液压系统研究的工作实践，结合本国国情和产品具体情况，采用了粗吸油过滤、精吸油过滤和压油过滤相结合的过滤方式[3]。液压系统中安装有吸油粗滤器、压油精滤器和吸油精滤器，以确保系统对液压油的清洁度要求[4]。油冷器安装在系统低压油路中，用于对参与工作的油液在返回油箱前进行集中冷却散热。该油冷器由真空钎焊式芯体、厚壁槽型铝腔室、槽型钢板等构成，采用铝合金板翅式结构，内通道耐压试验压力0.98MPa，散热面积大，波纹节距均匀合理，并带有旁通阀，特殊情况下，当油冷器堵塞时控制回油背压上限保证油路安全。其工作可靠，散热效率高，特别适合本设备安装空间小，但要求有较大散热量的情况。恒压柱塞变量泵及定量齿轮泵接受来自拖拉机主机PTO传动轴、分动箱的动力，通过一级链轮升速，由二级皮带联动驱动运转，作为动力元件，为整机液压系统提供高压油源。

青贮原料输送系统主要由恒压柱塞变量泵、电液先导阀组输料马达控制阀片3.5及输送拨料马达等液压元件组成。恒压柱塞变量泵作为青贮原料输送系统的动力元件，通过电液先导阀组阀片3.5控制驱动输料拨料马达双向旋转。输料拨料马达通过一级链轮传动，经降速增扭，将动力分配给料斗底部输送链排，驱动底部输送链排进行青贮原料输送作业；再通过二级链轮传动，经升速，将动力分配给末级链轮群，同时驱动上下拨料辊进行辅助输送拨料作业。

裹包缠膜系统主要由齿轮定量泵、电磁控制阀组21.1～21.4、缠膜回转马达、前辊油缸、后辊油缸、切膜刀油缸以及溢流阀C、调速阀A、优先阀、叠加溢流阀，以及叠加液压锁等液压元件组成。齿轮定量泵与裹包缠膜马达组成开式油路，通过电磁阀21.1、插装阀和优先阀控制缠膜回转马达的旋转方向和旋转速度；电磁阀21.2、叠加溢流阀22.1和22.2、节流阀23.1、双向液压锁24.1控制左前辊油缸25.1及右前辊油缸25.2的启闭动作。其中，电磁阀21.2用于控制油缸的动作方向，叠加溢流阀22.1和22.2分别用于限定两个方向的载荷，节流阀23.1用于控制前辊油缸小腔为高压腔时的动作速度，双向液压锁24.1用于前辊油缸的位置锁定。电磁阀21.3、叠加溢流阀22.3和22.4、节流阀23.2、双向液压锁24.2控制左后辊油缸26.1以及右后辊油缸26.2的启闭动作。其中，电磁阀21.3用于控制油缸的动作方向，叠加溢流阀22.3和22.4分别用于限定两个方向的载荷，节流阀23.2用于控制后辊油缸小腔为高压腔时的动作速度，双向液压锁24.2用于后辊油缸的位置锁定。电磁阀21.4、叠加溢流阀22.5和22.6、节流阀23.3和23.4控制左右切膜刀油缸的切膜动作。其中，电磁阀21.4用于控制切膜刀油缸的运动方向，叠加溢流阀22.5和22.6分别用于限定两个方向的载荷，节流阀23.3和23.4分别用于控制两个方向的运动速度。另外，调速阀用于控制裹包缠膜系统总流量，溢流阀用于限定裹包缠膜系统最高工作压力。

辅助液压系统理论上对本机而言并不是具有某一单一功能的独立系统，本文指的是包含在整机主液压系统中的辅助动作，主要包括打捆舱舱门开闭、漏料回收铰龙、草捆输送及成品卸载等。其中，打捆舱舱门开闭动作由电液先导阀组控制阀片3.6、舱门油缸和截止阀控制执行；漏料回收铰龙动作由电磁阀21.1、调速阀B、溢流阀D、手动转阀及输送回收马达控制执行；草捆输送及成品卸载动作由马达19.1通过链轮传动驱动草捆底部链排运行。

2.2 系统设计中应注意的关键问题分析

按项目要求，结合本机结构特点，依据紧凑型设计原则，笔者类比了荷兰AGRONIC和日本TAKAKITA等世界著名农机品牌的设备性能，经优化和论证，确定整机采用双开式油路系统，在安装空间有限的情况下，兼顾系统散热性能和油液清洁度要求的同时，有效减小了液压油箱的体积。由于存在青贮原材料含水率较高、粉碎不均匀及成份多样性等情况，设备作业过程中经常出现输送堵塞或卡止现象。为此，将青贮原料输送系统设计成节能模式，亦即，当底部输送链排堵塞卡止，系统压力升高至恒压柱塞变量泵的PC设定值时，恒压柱塞变量泵的斜盘开始回摆[5]，输出流量逐渐减少，如果底部输送链排堵塞卡止没有解除，恒压柱塞变量泵的斜盘就会继续回摆，直至流量变为零输出，以达到系统节能的目的。值得注意的是，恒压柱塞变量泵的PC设定值必须低于本系统主溢流阀3.1的设定值，否则无法起到节能作用。另外，溢流阀3.3用于提供初时先导压力，此压力值的设定不宜太高，原则上能克服阀片3.5或3.6弹簧力[6]，推动阀芯运动即可；但减压阀3.2的设定值原则上要略高于溢流阀3.3，从而确保电磁先导阀组的正常工作。

3 现场性能测试

为验证9YYB12型智能青饲料打捆缠膜一体机液压系统的功能性、可靠性及工作稳定性，以粉碎的青贮玉米秸秆为原材料，对整机液压系统的性能进行了测试。试验条件为固定场地作业，试验地点位于山东省德州农慧农牧业专业合作联合社院内，玉米秸秆原材料含水率60%，配套动力为东方红1204拖拉机，功率为88.2kW，PTO转速为540r/min，工作电压12V，使用液压油牌号为L-HM46长城牌抗磨液压油，系统流量30L/min，油液固体污染等级不高于NAS10级。在工作过程中，整机液压系统功能完备、可靠性较高、性能较为稳定，打捆裹包作业效率约为30包/h，漏料回收率≤2.7%。整机液压系统主要性能指标测试结果如表1所示。其实际测试结果均在设计要求范围之内，并符合《GB/T3766-2001液压系统通用技术条件》的相关要求。

表1 整机液压系统试验性能结果Table 1 The test performance result of whole hydraulic system

4 结论

9YYB12型打捆缠膜一体机由88.2kW拖拉机牵引，田间移动作业或固定场地作业，功率匹配合理，智能化程度高，集机、电、液于一体，故障预警系统完备，具有手动操作和全自动作业两种工作模式，使用可靠，维护方便，造型美观。该设备工作效率高，平均每2min完成一个青贮饲料草包生产；打捆密实度高，能最大程度减少饲料内部残存的空气，有效抑制青贮微生物霉菌的活动，有效降低青贮饲料中的呼吸强度和干物质损失，大大提高了青贮饲料的品质。其创新点是 ：①无需主机提供液压油源，自身配置液压动力元件和独立散热系统；②将打捆机构与包膜装置协同集成在1台设备上，使打捆、缠膜作业一气呵成。该机型性能先进，填补了国内空白，整机主要技术性能居国内同类产品领先水平，主要技术指标达到国际同类设备的先进水平，可替代同类进口产品，是现代青贮饲料作业中不可缺少的专用设备。