秸秆剪切实验装置结构设计.docx

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秸秆剪切实验装置结构设计

摘要

我国年高粱秸秆产量丰富，但是高粱秸秆的利用率较低，大部分秸秆用于废弃和焚烧，不仅造成了高粱秸秆的浪费，还造成了环境的严重污染。

秸秆还田具有增加土壤养分含量、改善土壤物理性状、提高土壤微生物和酶的活性、增加粮食产量等作用，可以增强土壤蓄水保墒能力，减少水土流失有效解决因秸秆废弃焚烧造成的环境污染问题，同时秸秆还田还对保护生态环境、实现农业的可持续发展具有十分重要的意义。

针对解决我国东北黑土区水土流失严重、秸秆焚烧污染环境等问题，结合农机、农艺的要求研发设计了多功能秸秆还田机，该机主要包括秸秆捡拾装置、秸秆切碎装置、根可一次进地完成秸秆捡拾、秸秆切碎、并针对其秸秆探施装置的性能进行试验研究。

关键词：

高粱秸秆;环境污染;捡拾装置;切碎装置;

水土流失;性能研究;

Abstract

Ourcountryisrichinsorghumstrawyield,however,theutilizationofsorghumstrawwerelower,mostofthestrawforabandonedandburned,notonlybringingtherwasteoftheresource,butalsomakingenvironmentalpollute.Strawreturningcanincreasethecontentofsoilnutrient,improvethesoilphysicalproperties,increasesoilmicrobialandenzymeactivities,increasegrainyieldandsoon.Strawreturningalsocanenhancethesoilwaterholdingcapacity,reducesoilerosion,caneffectivelyresolvetheenvironmentalpollutionproblemscausedbyburningofstraw.MeanwhileStrawreturninghasgreatsignificancefortheprotectionoftheecologicalenvironmentandrealizationsustainabledevelopmentofagriculture.

TosolvetheseriousproblemofsoilerosionofNortheastChinaandenvironmentalpollutioncausedbystrawburning,themutlfunctionalstrawmachinewasdesignedcombinedwiththerequirementsofagrichlturalmachineryandagronomic.Thismachinemainlyincludestrawpick-updevice,strawcuttingdevice,whichcancompletestraw'spickup,cutting,andexperimentalstudywascarriedoutaccordingtothedeep-applicationdevice'sperformance.

Keywords:

sorghumstraw；theenvironmentalpollution；collectingdevice；

choppeddevice；soilandwaterloss；performancestudy；

第一章引言

1.1研究的目的与意义

水土流失是全球所面临的生态问题。

致使土地日益贫瘩，甚至土壤被侵蚀殆尽;同时也会带走土壤大量养分和水，破坏土地资源。

但由于多年来的自然侵蚀和过度的人为开垦，水土流失问题逐渐严重，水土流失面积占黑土区总土地面积的34%。

据统计:

近50年来黑土层厚度平均流失了一半以上，而目前黑土层平均厚度只剩下20～30cm土壤有机质含量减少了1/3～1/2。

因此，必须加快防治我国黑土地区水土流失问题，保护我国黑土资源。

另一方面，秸秆是农作物重要的副产物，我国作为一个农业大国，秸秆资源十分丰富，秸秆产量居世界首位。

随着农业连年丰收，秸秆产量增长，但是秸秆资源的有效利用率却较低，有一大部分的秸秆被废弃和焚烧。

根据统计，2010年全国秸秆资源总量为8.4亿t，其中31.9%作为牲畜饲料，17.8%作为农村生活能源，15.6%还田作为肥料，2.6%作为工业原料，2.6%作为种植食用菌基料，而废弃和焚烧量达到了29.4%。

这种焚烧不仅给国家经济带来损失，同时也造成环境的严重污染，影响铁路、民航等正常的交通运输。

近年来，秸秆问题到重视，提出了许多积极促进与推动农作物秸秆高效合理利用的方案和建议，以解决秸秆资源的浪费问题及其引发的环境污染问题。

实践表明:

高粱秸秆剪切还田可以减轻土壤的水蚀和风蚀，对预防水土流失问题有分重大的意义，是提高秸秆利用率、解决剩余秸秆焚烧问题的有效的途径。

此外，秸秆还田在土壤培肥，改善生态环境等方面具有重要意义。

1.1.1土地培肥

（1）增加土壤养分含量

土壤的养分主要指土壤中有机质、氮磷钾和微量元素。

有机质是土壤中含碳的有机化合物，对农作物生长有重要作用。

农作物秸秆含有大量的有机物以及大量的N.P.K.Ca,Mg,S等作物生长不可缺少的营养元素和部分微量元素，秸秆还田后，秸秆经腐熟会增加土壤中养分含量，具有培肥地力的作用。

（2）改善土壤物理性状

随着大型农业机械的应用以及化肥、农药的广泛使用，农田土壤的物理性状慢慢变差，直接影响到农作物的正常生长发育。

研究表明:

长期秸秆还田有利于改善土壤物理性状。

土壤物理性状的改善表现在土壤的通透性增强，提高土壤保水能力，孔隙度增加，土质变松，有利于增加土壤温度，加强土壤中微生物的活动和养分的分解利用。

（3）提高土壤微生物和酶的活性

秸秆还田为土壤微生物的活动提供了大量的碳源和氮源，促进了微生物的生长和繁殖，从而使微生物的数量收到了极大的变化;同时秸秆还田后土壤酶活性也逐渐增强，从而使土壤肥力提高，土壤的养分扩大，利用和转化率增强。

1.1.2粮食增产秸秆还田是有效的增产措施。

坚持秸秆还田，可以在培肥阶段有显著的增产作用，而且效果十分明显，有持续的增产作用。

1.1.3生态环境改善

（1）增强土壤蓄水保墒能力，减少水土流失

秸秆还田后可降低土壤表层水分的蒸发量，增加土壤蓄水量，从而使土壤蓄水能力增强。

同时秸秆还田还可以减少降雨时雨水对土壤的冲刷，减少土壤的水土流失，保护生态环境。

Philips.S.H统计表明，保留地表的作物根茬，能通过减少地表径流、增加降水的渗率，有效减轻土壤侵蚀。

李红等研究表明，连续多年的小麦、玉米桔秆还田可提高土壤对水分的保蓄能力，含水量增加1.04%～2.11%。

张帅等研究表明秸秆深施还田后，地表下。

0～20cm的土壤含水量比未还田提高了0.5%～2.0%。

周凌云等在封丘3年试验结果表明，采用秸秆覆盖麦田可有效的降低耗水系数8.1%～23.2%覆盖后减少了小麦颗间蒸发量26.3%，节约灌溉用水270m3/hm²

（2）减少化肥用量，保护生态环境

化肥对农作物获得高产的作用是明显的，但长期使用化肥导致土壤板结、土壤肥力失衡和环境污染。

秸秆还田是弥补化肥使用缺陷的有效方法。

通过秸秆还田，可减少化肥的施用量，避免过量施用化肥造成的生态破坏和环境污染，形成良性的生态循环，促进农业可持续发展。

1.2机械化秸秆还田技术及其国内外研究现状

机械化秸秆还田技术是指以机械化作业（粉碎、破茬、深耕和耙压等）为主的秸秆还田技术。

根据还田后秸秆与土壤空间位置不同，机械化秸秆还田的方式大致可分为机械化秸秆覆盖还田（秸秆覆盖在土壤上）和机械化秸秆翻埋还田（秸秆翻埋在土壤中）。

其中机械化秸秆覆盖还田可分为秸秆粉碎覆盖还田、整株秸秆覆盖还田以及留根茬覆盖还田。

覆盖还田用秸秆盖土、根茬固土，有利于保护土壤，减少风蚀、水蚀和水分无效蒸发，增加天然降雨利用率翻埋还田是将农作物秸秆随着耕翻掩埋在土壤中，可分为秸秆粉碎翻埋还田、整株秸秆翻埋还田和根茬粉碎还田。

翻埋还田有利于促进秸秆在土壤中的分解速率，对增加土壤养分含量、培育地力等方面效果突出。

随着机械化秸秆还田技术的发展，近年来又提出了秸秆深施还田这项新技术，它是在不翻动土壤的情况下，将粉碎秸秆深施于土壤深层（15～40cm）的一种还田方式。

研究表明，深施还田相比其它机械化秸秆还田方式在改善土壤蓄水、提高土壤温度方面效果显著。

1.2.1国内现状

我国机械化秸秆还田技术起步较晚，20世纪80年代，在中央政策扶持和项目资金支持的情况下，各地农机部门积极开展秸秆还田机械化技术的研究开发和推广应用。

20世纪90年代，秸秆根茬粉碎还田机的发展推动根茬还田技术的推广，同时其他的秸秆还田机械也在不断发展，且各具特色:

由黑龙江省八五四机械厂生产的XFP系列茎秆粉碎还田机可与自走式谷物联合收割机配套等。

经过多年的发展和完善，我国己经开发了一些经济实用的机械化秸秆还田机具。

这些机具主要针对我国量大面广的小麦、高粱和水稻秸秆，主要可分为:

整株秸秆还田机具、秸秆粉碎（切碎）还田机具及联合作业机具等。

（1）整株秸秆还田机

整株秸秆还田是将直立或放铺于田间的作物秸秆整株全部还入田中的一种方法。

这种方法具有省时、省事、省费用、简便易行的特点，其适应范围大，技术经济效果较好。

图为河北农业机械化研究所研制的玉米整株秸秆还田机。

该机具由与四轮拖拉机配套的ILF230覆盖型深耕犁和秸秆定向压倒扶顺装置组成，作业时拖拉机前的秸秆梳压装置将田间直立的玉米秸秆定向压倒扶顺，随后深耕犁将整株秸秆深埋于犁沟底部，耕深20～22cm，由深耕犁上安装的合墒器进行合墒，完成玉米秸秆整株还田作业。

图1玉米整株秸秆还田机

1-秸秆梳压装置；2-四杆机构；3-前滑轮；4-后滑轮；5-提升臂；6-下拉杆；7-上拉杆；8-深耕犁

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图2水稻秸秆整株还田机结构简图

该机具与纽荷兰90～110型拖拉机配套，主要由主轴、刀盘、切草刀（2把）、埋草弯刀（左右方向各24把）、挡草栅、限位滑掌、边减速器、主减速器和悬挂架等组成。

适应于水稻秸秆直立和放铺2种形式。

秸秆整株还田质量良好，覆盖率高，碎土能力强。

图3玉米整株秸秆还田机

1-秸秆梳压装置；2-四杆机构；3-前滑轮；4-后滑轮；5-提升臂；6-下拉杆；7-上拉杆；8-深耕犁

（2）秸秆粉碎还田机具

秸秆粉碎还田是将农作物秸秆粉碎后归还土壤，秸秆粉碎有利于加快其在土壤中的分解速率，对土壤的改良效果较好。

图4秸秆切碎还田机

1-地轮轴焊合件；2-万向节总成；3-皮带罩焊合件；4-刀轴总成；

5-三角皮带；6-传动总成；7-悬挂及壳体总成

图所示为中国一拖股份公司研制的秸秆切碎还田机的结构图。

该机与东方红一18拖拉机配套，主要由刀轴总成、传动总成、万向节总成、地轮轴焊合件、悬挂及壳体总成、三角皮带、皮带罩焊合件等组成，配置在拖拉机的后方

（3）根茬粉碎还田机具

根茬粉碎还田是将直立于地表或垄上的作物根茬直接粉碎，并均匀混拌于0～10mm深的耕层中。

根茬粉碎还田机适用于轮番耕作的垄作地区，例如东北地区，这类地区玉米根人工不易刨除。

图5秸秆一根茬粉碎还田机结构简图

1-万向节；2-悬挂架；3-还田机架；4-碎茬机架；5-碎茬刀辊；6-还田刀辊；7-地轮；8-带轮

（4）秸秆还田联合作业机具

秸秆还田联合作业机具是秸秆还田机具的一个主要发展方向，此类机具不仅具有秸秆还田功能，同时还具有其它田间作业功能，例如:

旋耕、播种、施肥等作业，实现了一机多能，作业效率较高。

甘肃农业大学与西北农林科技大学共同研制的快速腐熟秸秆还田机如图所示，主要由腐熟剂喷施系统、秸秆粉碎系统两大部分组成，该机可同时完成药剂喷施与秸秆还田两项作业。

腐熟剂喷施系统采用前置安装方式，腐熟药剂喷洒在秸秆上可以加快其分解腐熟;秸秆粉碎还田机，采用后置安装方式，与拖拉机三点悬挂机构相连接，由拖拉机动力输出轴驱动，用于将秸秆粉碎还田。

图6快速腐熟秸秆还田机

1-喷药管路；2-调节阀；3-逆止回流阀；4-拖拉机；5-秸秆粉碎还田机；

6-BPZ型自吸泵；7-药箱；8-喷头；9-喷杆

1.2.2国外现状

在国外，机械化秸秆还田技术的研究起步相对较早。

图所示为目前国外几个知名农机制造公司生产的秸秆还田机械。

图a为德国雷肯公司生产的灭茬缺口圆盘耙，适用于高粱茬地或是高茬地的灭茬作业，工作时与90马力以上拖拉机配套，工作幅宽2.5m，工作深度可调节到15cm，具有灭茬效果好、效率高等特点。

图b为法国库恩公司生产的灭茬耕耘机，适用于秸秆根茬比较多的情况，对于留有大量残茬的耕作效果十分出色，可一次完成灭茬，混合和镇压工作，工作深度5～13cm，多用于少耕技术中保护土壤的水分，通过表面浅耕、碾压以及将粉碎的秸秆与土壤混合，从而加速秸秆分解腐化。

图c和图d分别为美国凯斯纽荷兰公司生产的玉米联合收获机和美国约翰迪尔公司生产的玉米联合收获机，在收获玉米的同时即可将玉米秸秆粉碎还田，目前这种大中型联合收获机械普遍集成了秸秆还田功能。

国内外研究现状表明，秸秆还田机械虽然很多，但大多数都是与拖拉机配套使用的，且多为单一功能的秸秆覆盖还田机型;或者是联合收获类农业机械加装秸秆切碎装置，使其具有秸秆覆盖还田功能，即其主要作业目的并不是秸秆还田，导致这类农业机械只适用于特定条件下的秸秆还田作业，例如其适用于收获前直立的秸秆，对于收获后铺放在田间的秸秆就不能完成秸秆还田作业。

LemKen-Rubin灭茬缺口圆盘耙KUHN-DiscoverXM236灭茬耕耘机

CSX-7080联合收割机JohnDeere-Y215联合收获机

图7具有秸秆还田功能的农业机械

1.3主要研究内容

本文主要针对解决我国黑土区水土流失严重、秸秆焚烧污染环境等问题，以实现农业可持续发展，进一步实施与推广秸秆还田技术为目标，设计研究一种多功能秸秆还田机，该机为自走式，可一次性完成秸秆捡拾、喂入、粉碎、根茬粉碎和秸秆深施作业，并对其秸秆深施装置的性能进行试验研究，具体研究内容如下:

（1）多功能秸秆还田机的总体设计

从总体角度对整机进行结构设计，阐述其工作原理，详细介绍整机的传动系统与控制系统、动力匹配以及机架设计。

其中传动系统的设计主要包括两部分内容:

一部分为秸秆捡拾装置、秸秆喂入装置、秸秆切碎装置同驱动其工作的柴油机间的传动设计;另一部分为根茬粉碎装置、三组秸秆深施装置同驱动其运转的液压马达间的传动设计。

（2）主要工作装置设计

整机的主要工作装置包括秸秆捡拾装置、秸秆喂入装置、秸秆切碎装置、根茬粉碎装置和秸秆深施装置。

对秸秆捡拾装置和秸秆喂入装置进行结构设计，并对其工作过程进行动力学分析，确定其主要结构参数和运动参数。

对秸秆切碎装置和根茬粉碎装置进行结构设计，采用三维建模与仿真技术，分别对其主要工作部件进行有限元分析和仿真分析。

（3）秸秆深施装置性能的试验研究

以深施螺旋转速、输送管径、秸秆长度和秸秆含水率为考察因素，以秸秆深施体积还田量为试验指标，在秸秆深施试验台上试验研究上述因素对秸秆深施量的影响。

1.4技术路线

图8技术路线

第二章多功能秸秆还田机总体设计

玉米收获后，大量玉米秸秆杂乱铺放在田间，同时玉米根茬残留在田地里。

针对这种情况，本文设计了一种多功能秸秆还田机将这些玉米秸秆及其根茬粉碎还田，该机可一次完成秸秆捡拾、切碎、深施以及根茬粉碎多道作业工序。

设计之初拟提出以下要求:

（1）整机的性能参数必须满足我国的农业技术要求，确定以下设计参数范围:

秸秆捡拾率>90%，秸秆切碎长度10～20mm，切碎合格率>85%;灭茬深度8～12cm，根茬粉碎长度≤50mm，破茬率>90%;秸秆深施深度15～40cm，秸秆深施量0.225～0.375kg/m30。

（2）整机在平作和垄作的耕地中均可作业，且在垄作玉米耕地作业时，秸秆捡拾和秸秆深施的幅宽为3垄（垄距600～700mm）。

（3）一机多用。

在不过多增加结构和重量的前提下，尽量丰富其功能。

2.1整体结构与工作原理

多功能秸秆还田机的总体结构如图2-1所示。

整机主要由主机架3、后机架13、柴油机8、秸秆捡拾装置6、秸秆喂入装置2、秸秆切碎装置1、悬挂装置12、根茬粉碎装置17、秸秆深施装置16等组成。

秸秆捡拾装置位于整机的最前方，通过捡拾装置两侧的液压缸进行升降。

秸秆喂入装置和秸秆切碎装置安装在主机架上。

作时，位于整机前方的秸秆捡拾装置6将秸秆捡起并向后输送，秸秆喂入装置2内的喂入辊强行将秸秆拉入压实，并输送至秸秆切碎装置1，在切碎动刀和定刀共同作用下，秸秆被切碎。

切碎后的秸秆再经抛送筒19大部分进入秸秆深施装置7中的秸秆箱18内，秸秆箱底部出口与深施输送螺旋相连，通过深施输送螺旋最终将切碎后的秸秆深施于土壤中。

同时根茬粉碎装置17将田间的根茬粉碎，并将粉碎后的根茬均匀混拌于耕层中。

图9多功能秸秆还田机结构示意图

1-秸秆切碎装置2-秸秆喂入装置3-主机架4-前轮5-液压缸6-秸秆捡拾装置7-机械传动系统

8-柴油机9-液压泵10-液压升降总成11-后轮12-悬挂装置13-后机架14-灭茬液压马达

15-深施液压马达16-秸秆深施装置17-根茬粉碎装置18-秸秆箱19-抛送筒

2.2传动系统设计

传动系统设计是整机设计研发中的一项重要工作。

它是将动力机的运动和动力传递给执行机构或执行构件的中间装置。

本机的传动系统采用机械传动与液压传动相结合的方式。

2.2.1秸秆捡拾喂入切碎传动系统设计

图所示为秸秆捡拾装置、秸秆喂入装置和秸秆切碎装置相对位置关系和作业时的旋转方向。

秸秆捡拾装置的抓取辊1反转（即在整机前进方向的右侧看顺时针方向旋转），才能将秸秆向后输送;为保证秸秆顺利进入秸秆喂入装置，要求前上、后上喂入辊2,3正转，前下、后下喂入辊4.5反转，工作过程中，上喂入辊2,3还应满足在垂直方向上可上下浮动以匹配不同厚度的秸秆喂入;进入秸秆切碎装置后，碎刀轴正转，切碎滚筒上的动刀随着刀轴高速旋转与定刀共同作用将秸秆切碎。

针对上述要求，设计了图所示的传动系统，各装置的位置关系参见图。

图10主要装置位置关系简图

1-秸秆捡拾装置抓取辊；2-前上喂入辊；3-后上喂入辊；4-前下喂入辊；

5-后下喂入辊；6-秸秆切碎装置切碎刀辊

图11传动系统简图

图中有1组带传动、1组齿轮传动、3组链传动和2组组式齿轮传动。

动力经切碎刀轴输出后通过一组齿轮传动换向后再通过链传动，分别将动力传给后下喂入辊和前下喂入辊。

后下喂入辊与后上喂入辊旋转方向相反，用齿轮传动改变其传动方向，又由于后上喂入辊上下浮动时要保证正常传递动力，选择1组组式齿轮传动方式。

组式齿轮由4个齿轮组成，分别为后上喂入辊轴上安装的齿轮1，游动齿轮2和3和后下喂入辊轴上的齿轮4。

齿轮1通过游动齿轮2和3带动安在后下喂入辊轴上的齿轮4，游动齿轮3的轴固定不动，游动齿轮2的轴分别用销连杆与齿轮3和1的轴相销连，这样，当上喂入辊上下移动时，各齿轮可始终保持正常啮合。

前下喂入辊的动力传出后也由1组组式齿轮传递给前上喂入辊‘同时，前下喂入辊轴通过另一组链传动将动力传递给捡拾装置的输送辊轴。

带传动与链传动不改变传动方向，齿轮传动改变传动方向，图中各装置的转向与图中相同，故该传动方案满足设计要求。

2.2.2秸秆深施传动系统设计

秸秆捡拾喂入切碎传动系统的动力是由柴油机直接提供的，而秸秆深施传动系统的动力由液压马达提供。

传动方案如图2-4所示。

液压马达输出轴通过弹性联轴器与水平蜗杆相连，与水平蜗杆相啮合的3个蜗轮分别安装在3组秸秆深施装置的竖直深施螺旋轴上，桔秆深施作业时各深施螺旋轴的旋转方向如图所示，螺旋轴转速范围150～900r/rein。

2.3控制系统设计

图12传动方案简图

本机采用机一电一液相结合的控制方式。

将机械、液压与电控结合起来，既具备液压传动输出功率适应范围较大的特点，又有电子控制方便灵活的优势，便于实现高度自动化控制。

图13液压控制原理图

1-低压过滤器；2-液压泵；3-单向阀；4-溢流阀；5,10.18,23-压力指示表；6-高压过滤器；

7-电磁溢流阀；8,12-三位四通电磁换向阀；9-单向节流阀；11,14.巧-液压缸；

13，16-单向调速阀；17,22-减压阀；19,24-二位二通电磁换向阀；

21,26-液压马达；20,25-节流阀YA-电磁铁

图2-5中，油箱里的液压油经低压过滤器1流入液压泵2，过滤器可以滤除液压油里的杂质。

悬挂系统中的电磁溢流阀7主要作用是卸荷，当系统不需要高压油，可以使电磁溢流阀断电，使油泵来的油直接流回油箱。

三位四通电磁换向阀（8,12）用来实液压缸左腔进油和右腔进油的切换。

单向节流阀9和节流阀（20,25）用于调速。

二位二通电磁换向阀19.24的作用相当于开关，可以独立控制其所在支路的液压马达的启停，彼此互不影响。

图2-6为整机的控制电路图，电源正极依次连接熔断器FU和热保护继电器KR来保护整个电路，图中的电磁铁YA（1-7）与图2-5中相对应。

下面同时结合图2-5,2-6详细说明实现各功能的控制过程。

图14控制电路

（1）三位四通电磁（电液）换向阀换位功能的实现

以换向阀8为例说明，当需要左位接入工作位置时，首先按下常开按钮SB2，电磁铁YA2得电，将换向阀8的左位接入工作位置，同时接触器线圈得电，与SB:

并联的常开触点KM2闭合，实现自锁功能，即SB2恢复常开状态时电磁铁仍然通电。

为避免电磁铁YA2和YA3同时得电，将接触器的常闭触点K2与YA3串联，实现互锁功能，即YA2通电时K2断开，YA2就不会得电;当需要将换向阀由左位回到中位时，按开常闭按钮SB8，电磁铁断电，复位弹簧将阀芯推回中位。

同理，按下SB3，换向阀8的右位接入工作位置，欲使阀芯回到中位按开SB8:

即可。

换向阀12的控制与上述步骤类似。

（2）悬挂系统

按下SB2，电磁铁YA2和KM2得电，常开触点KM2闭合，实现自锁，换向阀8左位接入工作位置，液压泵输出的高压油经过电液比例方向阀8，再经过单向节流阀9的单向阀进入液压缸的无杆腔，使后机架提升。

按下开关SB3，电磁铁YA3和A3得电，常开触点K3闭合，实现自锁，换向阀8右位接入工作位置，同时按下开关SB1，线圈A1得电，常闭触点KM1断开，电磁溢流阀7的电磁铁YA1断电，此时液压泵输出的油液经过电磁溢流阀流回油箱，液压泵处于卸荷状态。

在机具自重作用下，液压缸无杆腔的液体被排出，使后机架下降，被排出的液体经单向节流阀的节流阀和比例方向阀流回油箱。

农机具下降的速度由节流阀控制，如下降过快，农机具下降过程会产生失重现象，使工