基于AMESim的采棉機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析?

高冬冬，木合塔爾·克力木

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047)

0 引言

新疆是我國(guó)重要的棉花種植基地[1,2].每到采棉季節(jié)需要投入大量的勞動(dòng)力，人工采棉速度緩慢且成本較高.為了降低勞動(dòng)力成本、提高棉花采摘的效率和質(zhì)量，設(shè)計(jì)和優(yōu)化采棉機(jī)具有重要意義.前人已應(yīng)用AMESim進(jìn)行了相關(guān)機(jī)械的設(shè)計(jì)與仿真分析，如：劉昕暉[3]等應(yīng)用AMESim對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)、液壓元件系列開發(fā)、聯(lián)合仿真等；劉祚時(shí)[4]等利用AMESim 對(duì)磨機(jī)換襯板機(jī)械手液壓系統(tǒng)進(jìn)行模型搭建，并分析和優(yōu)化了系統(tǒng)控制精度；成夢(mèng)圓[5]等利用AMESim對(duì)盤型制動(dòng)器液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究；秦娟娟[6]等應(yīng)用AMESim對(duì)雙向液壓鎖進(jìn)行了模型建立，并對(duì)其動(dòng)靜特性進(jìn)行了分析；鄭永光[7]等應(yīng)用AMESim建立了太陽(yáng)能跟蹤液壓控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真分析；陶勝壬[8]等利用AMESim對(duì)開煉機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真分析；楊易[9]應(yīng)用AMESim對(duì)飛機(jī)武器艙門液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真分析.但應(yīng)用AMESim對(duì)采棉機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真的研究還未見報(bào)道，因此，本文設(shè)計(jì)了采棉機(jī)液壓系統(tǒng).此系統(tǒng)分為采棉頭液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、采棉頭升降液壓系統(tǒng)和棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng).

1 采棉機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

采棉機(jī)液壓系統(tǒng)包括：采棉頭液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、采棉頭升降系統(tǒng)和棉箱翻轉(zhuǎn)系統(tǒng).采棉頭液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)采棉頭滾筒旋轉(zhuǎn)，從而完成采棉作業(yè).采棉頭升降液壓控制系統(tǒng)通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)垂直懸掛的采棉頭完成升降.棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)通過(guò)連接在棉箱兩側(cè)的液壓缸驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)棉箱翻轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)棉花的卸載.

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采棉頭液壓系統(tǒng)主要功能是平穩(wěn)、高效地采集棉花.如圖1a所示，該系統(tǒng)執(zhí)行元件為6個(gè)液壓馬達(dá)，位于采棉頭上部.因其是采棉作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，消耗功率較大，單獨(dú)由一個(gè)液壓泵供油.

圖1 采棉機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig 1 Cotton picker hydraulic system design

采棉頭升降液壓系統(tǒng)主要功能是對(duì)采棉頭的高度進(jìn)行調(diào)節(jié).如圖1b所示，執(zhí)行元件為3個(gè)液壓缸，位于機(jī)架的上方.由于升降需要穩(wěn)定的速度和位置控制，設(shè)置了單向節(jié)流閥從而保證系統(tǒng)安全運(yùn)行.

棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)主要功能是對(duì)棉箱進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，使收集滿的棉花在適宜的位置卸載.如圖1c所示，執(zhí)行元件為2個(gè)液壓缸，位于棉箱的兩側(cè)，通過(guò)焊接在棉箱上的連桿機(jī)構(gòu)來(lái)傳遞動(dòng)力，設(shè)計(jì)了單向節(jié)流閥和雙向液控單向閥來(lái)確保棉箱運(yùn)行平穩(wěn)，避免出現(xiàn)重大事故.

2 系統(tǒng)建模與仿真

2.1 仿真模型的建立

采棉頭液壓系統(tǒng)包括三對(duì)獨(dú)立的采棉頭液壓子系統(tǒng)，考慮到該系統(tǒng)的復(fù)雜程度，在利用AMESim建立模型時(shí)，只對(duì)其中一對(duì)采棉頭進(jìn)行建模.由于分流閥和減壓閥在AMESim中沒有模型，需要利用HCD液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì).已有學(xué)者對(duì)其做過(guò)研究[10]，這里僅給出模型，其模型如圖2、3所示.

在AMESim中建立采棉頭、采棉頭升降和棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)建模如圖4所示.

圖2 分流閥模型Fig 2 Diverter valve model

圖3 減壓閥模型Fig 3 Pressure reducing valve model

圖4 采棉機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型Fig 4 Cotton picker hydraulic system simulation model

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 采棉頭液壓系統(tǒng)仿真

在建立該系統(tǒng)模型時(shí)設(shè)計(jì)了分流閥模型，其仿真的參數(shù)如表1所示.仿真模型建立后，模擬系統(tǒng)需要挑選子模型，本文所有仿真均采用系統(tǒng)默認(rèn)子模型.仿真時(shí)間20 s，步長(zhǎng)0.1 s.該系統(tǒng)主要元件有液壓馬達(dá)、液壓泵、減壓閥和電磁換向閥等組成，其參數(shù)如表2所示.

表1 分流閥參數(shù)Tab 1 Shunt valve parameters

表2 主要元件參數(shù)Tab 2 Main component parameters

參數(shù)設(shè)置完成之后，對(duì)所建立的模型進(jìn)行仿真，仿真后可以得到兩個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速曲線，著重分析一對(duì)采棉頭液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的同步性，對(duì)采棉頭的采摘作業(yè)有重要的意義.因此在對(duì)采棉頭施加負(fù)載時(shí)，在保證其他情況不變條件下，采用同一負(fù)載、負(fù)載相差5 N· m、負(fù)載相差10 N·m、負(fù)載相差20 N· m來(lái)研究負(fù)載變化對(duì)馬達(dá)同步性能的影響.

圖5 采棉頭轉(zhuǎn)速曲線Fig 5 Cotton picking speed curve

圖5 為一對(duì)采棉頭左右液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線.從圖5a中可以看出，左液壓馬達(dá)在4.7 s后轉(zhuǎn)速達(dá)到90.06 r/min趨于穩(wěn)定，右液壓馬達(dá)在4.9 s后，轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為89.18 r/min.兩個(gè)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)大致相同.從圖5b中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速誤差很小，在前2 s內(nèi)快速達(dá)到最大值5.3 r/min，在4.5 s后趨于穩(wěn)定.由于油管的沿程壓力損失、液壓閥及馬達(dá)的液壓油泄露等，致使兩個(gè)馬達(dá)的響應(yīng)速度略有不同.

圖6為液壓馬達(dá)在負(fù)載相差一定值時(shí)，一對(duì)采棉頭轉(zhuǎn)速誤差的變化曲線.圖中曲線1～4分別表示負(fù)載相差20 N· m、負(fù)載相差10 N· m、負(fù)載相差5 N· m和同一負(fù)載時(shí)兩液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速誤差變化情況.可以看出，隨著負(fù)載誤差的不斷增加，兩個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速誤差也在不斷的增大，轉(zhuǎn)速誤差的變化趨勢(shì)大致相同，因此在棉花采摘時(shí)不宜使兩個(gè)采棉頭所承受的負(fù)載偏差較大.

圖6 不同負(fù)載下馬達(dá)轉(zhuǎn)速誤差曲線Fig 6 Motor speed error curve under different loads

圖7 升降缸活塞桿位移曲線Fig 7 Lifting cylinder piston rod displacement curve

2.2.2 采棉頭升降液壓系統(tǒng)仿真

該系統(tǒng)主要元件有3個(gè)升降液壓缸、3個(gè)單向節(jié)流閥和液壓泵等組成.仿真時(shí)，液壓缸活塞桿作用力根據(jù)實(shí)際最大作用力加載為3 500 N.仿真時(shí)間20 s，步長(zhǎng)0.1 s.仿真主要參數(shù)如表3所示，有通用參數(shù)的前文已經(jīng)給出，這里不再列出.

表3 主要元件參數(shù)Tab 3 Main component parameters

圖7所示為三個(gè)液壓缸活塞桿位移變化曲線.圖中曲線1～3分別表示左、中、右三個(gè)液壓缸活塞桿位移變化曲線.由圖7可以看出，左液壓缸活塞桿在7.6 s后位移達(dá)到0.342 m趨于穩(wěn)定，中液壓缸活塞桿位移在7.8 s后趨于穩(wěn)定，位移為0.351 m，右液壓缸活塞桿位移在8 s后位移達(dá)到0.356 m.所設(shè)計(jì)液壓缸達(dá)到最大行程時(shí)間為8 s，仿真結(jié)果與實(shí)際液壓缸活塞桿試驗(yàn)運(yùn)行狀況比較符合.

2.2.3 棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真

該系統(tǒng)主要元件有2個(gè)液壓缸、2個(gè)液控單向閥和2個(gè)電磁換向閥等元件組成.仿真時(shí)，液壓缸活塞桿作用力根據(jù)實(shí)際作用力進(jìn)行加載為30 000 N.仿真時(shí)間20 s，步長(zhǎng)0.1 s.其主要參數(shù)如表4所示.

表4 主要元件參數(shù)Tab 4 Main component parameters

圖8為棉箱翻轉(zhuǎn)左右液壓缸活塞桿位移變化曲線.從圖8可以看出，兩個(gè)液壓缸活塞桿位移變化情況基本相同.在7.6 s時(shí)，左、右液壓缸活塞桿達(dá)到最大行程0.3 m.兩個(gè)活塞桿位移變化基本相同，位移誤差較小.

從圖9可以看出，左、右兩個(gè)液壓缸無(wú)桿腔在前7 s內(nèi)液壓系統(tǒng)中的壓力脈沖，致使液壓缸無(wú)桿腔壓力不穩(wěn)定.在7.2 s時(shí)，壓力快速上升，左、右液壓缸無(wú)桿腔壓力達(dá)到穩(wěn)定值.綜合圖8、9的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)是比較符合棉箱翻轉(zhuǎn)功能設(shè)計(jì)要求.

圖8 棉箱翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿位移曲線Fig 8 Cotton box flip hydraulic cylinder piston rod displacement curve

圖9 左液壓缸無(wú)桿腔壓力曲線Fig 9 Left cylinder without rod cavity pressure curve

3 結(jié)論

液壓技術(shù)應(yīng)用于采棉機(jī)上，可以提高采棉機(jī)采棉作業(yè)的機(jī)械自動(dòng)化水平和采棉效率，加快生產(chǎn)方式的改進(jìn).本文完成了采棉機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析，得出的結(jié)論如下：

（1）利用AMESim軟件對(duì)設(shè)計(jì)的采棉機(jī)液壓系統(tǒng)模型工況進(jìn)行仿真分析，可知所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能夠滿足采棉機(jī)功能要求.

（2）通過(guò)對(duì)采棉頭液壓系統(tǒng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，采棉頭左、右液壓馬達(dá)在5 s后達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速差0.84 r/min，能夠使采棉頭正常工作.在液壓馬達(dá)負(fù)載偏差較大時(shí)，兩個(gè)采棉頭轉(zhuǎn)速差也較大，導(dǎo)致采棉效率下降甚至采棉頭不能正常工作，因此采摘棉花時(shí)，不宜使馬達(dá)負(fù)載偏差過(guò)大.

（3）通過(guò)對(duì)棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，棉箱兩側(cè)液壓缸活塞缸在7.6 s后，位移達(dá)到最大行程，液壓缸無(wú)桿腔壓力在7.2 s后達(dá)到穩(wěn)定，滿足棉箱翻轉(zhuǎn)功能要求.對(duì)舉升液壓系統(tǒng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，三個(gè)液壓缸活塞桿在8 s后，位移達(dá)到穩(wěn)定，這與試驗(yàn)運(yùn)行狀況較為符合.