基于AMESim的甘蔗收割機(jī)液壓系統(tǒng)建模與仿真研究

王海飛，周忠華，張傳嶺

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064)

我國(guó)是世界排名第3的產(chǎn)糖大國(guó)，僅次于巴西和印度。甘蔗在我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，其產(chǎn)量和產(chǎn)值僅次于糧食、油料和棉花，居第4位。然而，在我國(guó)，甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化程度低，甘蔗收獲勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)于我國(guó)甘蔗產(chǎn)業(yè)十分不利，因此實(shí)現(xiàn)甘蔗收割機(jī)械化對(duì)于提高甘蔗收獲勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低蔗糖生產(chǎn)成本、提升我國(guó)蔗糖的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的實(shí)用價(jià)值和戰(zhàn)略意義［1-2］。

甘蔗收割機(jī)工作裝置功能多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)用液壓技術(shù)能夠很好的改善和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高整機(jī)的性能，因此設(shè)計(jì)優(yōu)良的液壓系統(tǒng)對(duì)甘蔗收割機(jī)的作業(yè)質(zhì)量十分關(guān)鍵。

1 甘蔗收割機(jī)的類型和主要結(jié)構(gòu)組成

甘蔗收割機(jī)類型主要有兩種，一種是切斷式，一種是整桿式。

切段式甘蔗收割機(jī)工作過程主要有分蔗、扶蔗、切梢、切蔗根、輸送蔗株、除雜、切段、輸送蔗段并篩除泥沙、風(fēng)選除雜、蔗段裝車等。作業(yè)時(shí)，切梢圓盤刀切斷甘蔗梢并將其拋向已切割地面，割臺(tái)兩側(cè)的螺旋扶蔗器把甘蔗植株導(dǎo)入割臺(tái)。甘蔗植株被機(jī)架推向前傾斜，根部被底部的圓盤刀切斷，蔗株經(jīng)提升輥和上下輸送輥送到切段裝置，被切成25～40 mm的甘蔗段先后經(jīng)2個(gè)軸流風(fēng)機(jī)吸除輕雜物，較重雜物在升運(yùn)器的底板孔中排出機(jī)外，甘蔗段則由升運(yùn)器拋送入平行行駛的裝運(yùn)車中。這種方式收割的甘蔗要在16～24 h內(nèi)送到糖廠加工，否則會(huì)造成甘蔗的變質(zhì)和糖分的損失，其傳動(dòng)系統(tǒng)主要組成如圖1(a)。

整桿式收割機(jī)的工作過程，一般都具有切梢、扶蔗、切根喂入、剝?nèi)~、輸送、集蔗等主要工序。由于存在著收割完后的甘蔗還需用人工打捆裝車的缺點(diǎn)，所以在國(guó)外很少使用。由于我國(guó)對(duì)于甘蔗收割機(jī)的研發(fā)起步較晚，以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等各因素的影響，整桿式甘蔗收割機(jī)在我國(guó)仍在廣泛的應(yīng)用，與大型甘蔗收割機(jī)械相比，小型甘蔗收割機(jī)械則具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、適用于丘陵地帶等復(fù)雜地形的甘蔗收割［3］。中國(guó)甘蔗主產(chǎn)地在南方地區(qū)，這些地區(qū)多是丘陵，坡地較多，平原種植很少。由于大型甘蔗收割機(jī)價(jià)格昂貴，只適用于平原地區(qū)，在我國(guó)很難推廣。因此，推廣輕便、經(jīng)濟(jì)的適合丘陵地區(qū)小型甘蔗收割機(jī)具有廣闊的空間和巨大的市場(chǎng)。其傳動(dòng)系統(tǒng)的主要組成如圖1(b)。其主要技術(shù)參數(shù)如表1。

圖1 甘蔗收割機(jī)框架Fig.1 Framework of sugar cane harvester

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters

2 閉式行走液壓系統(tǒng)

閉式行走液壓系統(tǒng)由左右兩側(cè)行走液壓系統(tǒng)組成，每側(cè)有1個(gè)變量泵為1個(gè)變量馬達(dá)供油，一側(cè)的液壓系統(tǒng)原理如圖2。

圖2 閉式行走液壓系統(tǒng)原理Fig.2 The closed walk hydraulic system principle

2.1 液壓泵馬達(dá)控制特點(diǎn)

變量泵控制的最大特點(diǎn)就是裝有一個(gè)DA閥［4］，通過使用帶有DA-控制功能的變量泵可以方便地組成靜壓“自動(dòng)變速機(jī)構(gòu)”;通過“加大油門”將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，以使車輛開始行駛;當(dāng)行駛阻力增大時(shí)(例如：爬坡)，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)不致過載，DA-控制會(huì)調(diào)節(jié)行駛速度，使之與發(fā)動(dòng)機(jī)的可用功率相匹配;同理，因工作機(jī)構(gòu)同時(shí)工作而需消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分功率時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生同樣的效果，即防止發(fā)動(dòng)機(jī)過載或避免發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。其控制原理如圖3。

圖3 DA閥控制原理Fig.3 DA valve control principle

補(bǔ)油泵流量Qb在節(jié)流閥上產(chǎn)生壓降Δp，流量Qb越大，表明n越大，即Δp越大。

式中：Δp為節(jié)流閥1前后的壓差;k為節(jié)流閥常數(shù);n為泵轉(zhuǎn)速。

建立閥芯的力平衡方程：

式中：pst為DA閥輸出的控制壓力;A，A1分別為液壓閥芯參數(shù);F1，F(xiàn)2分別為調(diào)節(jié)彈簧壓力，ΔF= ΔF1－ΔF2;α為放大系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)DA閥取值6.9。

pst通過節(jié)流閥2變?yōu)?p'st，控制壓力p'st通過換向閥進(jìn)入變量泵的變量油缸，變量油缸中p'st，對(duì)中彈簧等效壓力pz，泵出口工作壓力p這3者之間在某一排量位置上取得平衡。

p'st= βpst(β為系數(shù))式中：V為變量泵排量;k0為常數(shù);k1，x分別為對(duì)中彈簧剛度和位移;k2為始終調(diào)節(jié)參數(shù)。其中：控制執(zhí)行壓力P'st的大小，通過節(jié)流閥直徑和調(diào)節(jié)彈簧力F來調(diào)節(jié)。

由于農(nóng)業(yè)機(jī)械在工作時(shí)對(duì)速度穩(wěn)定性要求較高，所以變量馬達(dá)的控制方式采用的是液壓兩點(diǎn)控制，這種控制方式只有最大排量和最小排量?jī)煞N情況，當(dāng)重載時(shí)選擇大排量，輕載時(shí)選擇小排量。

2.2 行走系統(tǒng)調(diào)速回路

甘蔗收割機(jī)的行走系統(tǒng)調(diào)速回路其實(shí)是一種分段式恒扭矩調(diào)速回路(馬達(dá)兩點(diǎn)式控制)，低速時(shí)輸出穩(wěn)定大扭矩，高速時(shí)扭矩相應(yīng)降低，但依舊穩(wěn)定。在低速段，馬達(dá)排量為大排量，利用變量泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)泵的排量由小調(diào)到大時(shí)，輸出功率隨之線性增加，馬達(dá)獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩，且處于恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，當(dāng)馬達(dá)排量為小排量時(shí)，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)降低，轉(zhuǎn)矩恒定。

3 開式工作機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

筆者設(shè)計(jì)的方案為整桿式小型甘蔗收割機(jī)的工作機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)為負(fù)荷傳感控制，負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)包括負(fù)荷傳感控制閥和負(fù)荷傳感控制泵。主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有扶蔗馬達(dá)、切削馬達(dá)、輸送馬達(dá)、壓倒馬達(dá)、剝?nèi)~馬達(dá)、根切馬達(dá)、扶蔗升降油缸、角度調(diào)節(jié)油缸和切削升降油缸等，其原理如圖4。

圖4 工作機(jī)構(gòu)負(fù)荷傳感液壓原理Fig.4 Work agency load sensing hydraulic principle

3.1 負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)(LS系統(tǒng))在負(fù)載所需功率小于機(jī)器所提供的功率時(shí)，該系統(tǒng)工作良好，然而當(dāng)負(fù)載所需功率大于機(jī)器所提供的功率時(shí)，即當(dāng)閥口全打開時(shí)工作系統(tǒng)要求的流量超過泵供油能力的極限時(shí)，最高負(fù)荷回路上的執(zhí)行元件速度會(huì)迅速降低直至停止，從而使甘蔗收割機(jī)失去復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)能力，這會(huì)嚴(yán)重影響甘蔗收割機(jī)的工作質(zhì)量［5-7］。

與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)比較，新負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)有著如下顯著地優(yōu)點(diǎn)。

1)節(jié)省能量消耗。使用負(fù)荷傳感變量系統(tǒng)，泵能夠根據(jù)負(fù)荷的情況對(duì)自身的排量進(jìn)行調(diào)節(jié)，由壓差傳感器檢測(cè)負(fù)荷壓力，通過泵閥控制器發(fā)出指令，根據(jù)負(fù)荷的需求調(diào)節(jié)液壓泵排量，使泵輸出壓力始終比負(fù)荷壓力高出較小的恒定值(設(shè)定壓力)，從而保證液壓泵輸出功率與負(fù)載相適應(yīng)，減小能量損失。

2)流量控制精度高，不受負(fù)荷壓力變化的影響。

3)幾個(gè)執(zhí)行元件可以同步運(yùn)動(dòng)或以某種速比運(yùn)動(dòng)，且互不干擾。

文中方案采用的是力士樂的不受負(fù)荷影響的流量分配系統(tǒng)，即LUDV負(fù)荷傳感系統(tǒng)。在一般情況下，LS系統(tǒng)、LUDV系統(tǒng)的工作性能基本相同，但當(dāng)執(zhí)行元件所需流量超過泵輸出流量極限時(shí)，LUDV系統(tǒng)中各節(jié)流孔壓差Δp始終保持相等，流量總是與節(jié)流孔面積成正比，所有執(zhí)行元件將以同一比率減速，并能獨(dú)立平穩(wěn)地工作，而與負(fù)荷和泵流量大小無關(guān)。

3.2 LUDV系統(tǒng)的工作原理

為能簡(jiǎn)明的分析 LUDV控制系統(tǒng)，筆者給出LUDV控制系統(tǒng)的部分執(zhí)行元件原理簡(jiǎn)圖(圖5)。其中負(fù)荷傳感變量泵(圖4)的變量機(jī)構(gòu)根據(jù)來自LS口的負(fù)荷壓力可自動(dòng)地對(duì)泵的斜盤擺角進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制泵的流量始終等于執(zhí)行元件所需流量。當(dāng)執(zhí)行元件所需流量減小時(shí)，泵的擺角自動(dòng)調(diào)小，從而減小泵的流量。反之，則泵的擺角增大，增大泵的流量。

圖5 LUDV控制系統(tǒng)原理Fig.5 LUDV control system principle

一般情況下，對(duì)于流量有：

假設(shè)p1＜p2，則節(jié)流孔的面積A1＞A2，從圖5中可以得到：

由于節(jié)流閥上的壓差Δp是設(shè)定值，即Δp為常數(shù)，所以有：

對(duì)于負(fù)載最大的執(zhí)行回路，其壓力補(bǔ)償閥的壓力補(bǔ)償為0，即：

LUDV控制系統(tǒng)是節(jié)流閥后補(bǔ)償，通過梭閥篩選出最大的負(fù)載壓力反饋到變量泵，同時(shí)也反饋給各路壓力補(bǔ)償閥，這就保證了多路閥控制的各執(zhí)行元件通過多路閥的壓差相同，這樣流量就只和多路閥中的各閥開口度有關(guān)，即使所需流量不足的時(shí)候，各個(gè)執(zhí)行元件流量也可以按比例分配。即：

4 甘蔗收割機(jī)LUVD控制系統(tǒng)的建模與仿真

根據(jù)原理圖和參數(shù)數(shù)據(jù)，利用AMESim仿真軟件對(duì)LUDV控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。

選擇AMESim模型庫(kù)中元件子模型，對(duì)于庫(kù)中沒有提供的元件，需要通過HCD(Hy draulic Component Design)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于甘蔗收割機(jī)執(zhí)行元件比較多，建立完整的模型十分復(fù)雜，筆者選擇扶蔗和切削馬達(dá)建立模型予以說明。所建系統(tǒng)模型如圖6。

圖6 甘蔗收割機(jī)LUDV控制系統(tǒng)仿真模型Fig.6 Simulation model of sugar cane harvester LUDV control system

仿真環(huán)境為：介質(zhì)密度850 kg/m3;體積模量1 700 MPa;動(dòng)力黏度5.1 ×10－2Pa·s;參考溫度為40℃。

仿真結(jié)果得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量曲線圖。根據(jù)甘蔗收割機(jī)工作裝置的工作情況可知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中扶蔗系統(tǒng)的負(fù)載相對(duì)于切削系統(tǒng)的要大一些，扶蔗系統(tǒng)所需流量也大一些，如圖7。扶蔗系統(tǒng)流量大約為58 L/min，切削系統(tǒng)流量大約為49 L/min。如果沒有壓力補(bǔ)償閥，切削系統(tǒng)的流量會(huì)大于扶蔗系統(tǒng)的流量，因此可以表明壓力補(bǔ)償器可以根據(jù)閥開口的大小分配流量，與各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載大小無關(guān)。當(dāng)工作裝置負(fù)載增大時(shí)，如圖8。扶蔗系統(tǒng)流量大約為70 L/min，切削系統(tǒng)流量大約為58 L/min，當(dāng)3個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)工作時(shí)，所需流量大于變量泵所能提供的最大流量(4 s時(shí)開始)，此時(shí)扶蔗系統(tǒng)和切削系統(tǒng)的流量的都會(huì)降低，扶蔗系統(tǒng)流量大約為58 L/min，切削系統(tǒng)流量大約為46 L/min，子系統(tǒng)12分配部分流量大約24 L/min，盡管扶蔗系統(tǒng)和切削系統(tǒng)的負(fù)載不同，但由于壓力補(bǔ)償器的作用，兩系統(tǒng)流量成比例減少，使甘蔗收割機(jī)工作裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍舊能夠很好的協(xié)調(diào)工作。

圖7 系統(tǒng)流量仿真曲線Fig.7 Simulation curve of the system flow

圖8 流量飽和時(shí)，系統(tǒng)流量仿真曲線Fig.8 Flow simulation curve when the flow is saturated

5 結(jié)語

介紹了甘蔗收割機(jī)的類型，設(shè)計(jì)出符合我國(guó)西南丘陵地區(qū)的小型整桿式甘蔗收割機(jī)的液壓系統(tǒng)。閉式行走系統(tǒng)主要由變量泵和兩點(diǎn)控制變量馬達(dá)組成，分析了DA控制的原理和優(yōu)勢(shì)，符合甘蔗收割機(jī)對(duì)行走速度穩(wěn)定性的要求。開式工作裝置液壓系統(tǒng)采用LUDV負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)，能減少液壓系統(tǒng)的能量損失，到達(dá)節(jié)能的目的;當(dāng)系統(tǒng)流量達(dá)到飽和時(shí)，可根據(jù)各個(gè)回路的節(jié)流閥開口的大小將流量按比例減低，而與壓差沒有關(guān)系，使甘蔗收割機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠正常的協(xié)調(diào)工作，利用AMESim軟件進(jìn)行建模仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)符合機(jī)器的工作要求，并對(duì)類似產(chǎn)品的改進(jìn)和研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

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