水稻直播機升降、折疊液壓系統(tǒng)設(shè)計與仿真

扈凱 張文毅 紀要 余山山 祁兵

摘要：對水稻直播機升降、折疊液壓系統(tǒng)的工作壓力、液壓泵排量、液壓缸尺寸、系統(tǒng)流量等參數(shù)進行選擇計算，設(shè)計滿足工作要求的液壓系統(tǒng)，并使用AMESim軟件對所設(shè)計的液壓系統(tǒng)進行建模仿真。仿真結(jié)果表明，升降和折疊液壓缸的工作速度、壓力和流量均與設(shè)計參數(shù)基本保持一致，驗證了所設(shè)計的液壓系統(tǒng)的可靠性。對農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域液壓系統(tǒng)的設(shè)計與仿真具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：水稻直播機;升降、折疊液壓系統(tǒng)設(shè)計;參數(shù)計算;AMESim仿真

中圖分類號： S223.2+6? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）05-0184-03

收稿日期：2017-11-02

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與重大產(chǎn)品或裝備創(chuàng)制類項目[編號：CX（16）1037];中國農(nóng)業(yè)科學院基本科研業(yè)務(wù)費專項（編號：Y2017XM05）。

作者簡介：扈 凱（1990—），男，山東濰坊人，碩士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機械液壓技術(shù)研究。E-mail：njkf1030@163.com。

通信作者：張文毅，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)種植機械技術(shù)研究。E-mail：zwy-yxkj@163.com。

水稻是我國第一大糧食作物，常年種植面積超過3 000萬hm2，約占糧食播種面積的30%[1]。水稻種植方式分為直播和移栽兩大技術(shù)體系，與機插秧相比，水稻直播技術(shù)省去了工廠化育秧環(huán)節(jié)，是一種省工、省力、節(jié)本、節(jié)能和節(jié)水的高效栽培方式[2-3]。近年來，隨著化學除草技術(shù)的成熟以及勞動力成本的提高，水稻直播也越來越受到人們的青睞。

本研究中的水稻直播機采用“集中排種+氣流均勻分配”技術(shù)方案，技術(shù)指標如下：（1）1次播種33行，作業(yè)幅寬可達8 m;（2）播種均勻，不傷種，播量可調(diào)，可實現(xiàn)播種施肥一體化作業(yè);（3）作業(yè)效率高，作業(yè)速度可達10 km/h，作業(yè)效率5～20 hm2/h。由于直播機作業(yè)的水田路面不平整，故須要對其進行升降調(diào)節(jié)，使得播種管出口距離地面始終保持在固定的高度上，同時該直播機作業(yè)幅寬大，不方便運輸，所以須要設(shè)計折疊液壓系統(tǒng)，在運輸過程中將左右兩側(cè)播種架進行折疊，折疊后的寬度約為3.5 m。本研究對該直播機的升降、折疊液壓系統(tǒng)進行設(shè)計計算，利用AMESim軟件進行系統(tǒng)仿真分析，旨在提高所設(shè)計液壓系統(tǒng)的可靠性。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計

1.1 液壓系統(tǒng)參數(shù)計算

由于直播機作業(yè)幅寬大，故對它的升降系統(tǒng)使用2個液壓缸，以避免單個液壓缸在提升過程中兩側(cè)臂下垂，對于折疊系統(tǒng)則在左右兩側(cè)各設(shè)置1個液壓缸進行折疊。

水稻直播機的升降、折疊液壓系統(tǒng)，均為液壓缸無桿腔為主工作腔，液壓缸壓力負載關(guān)系滿足式（1）[4]：

式中：p1表示主工作腔壓力，MPa;p2表示回油腔背壓，MPa;D表示液壓缸缸筒直徑，cm;d表示活塞缸直徑，cm;A1表示無桿腔活塞有效面積，cm2;A2表示有桿腔活塞有效面積，cm2;Fmax表示單個液壓缸最大負載，取14 kN;ncm表示液壓缸機械效率，一般取0.90～0.95。

設(shè)計壓力（p1）和回油腔背壓（p2）可分別按照表1、表2選擇[4-5]。

升降系統(tǒng)最大負載為28 kN，折疊系統(tǒng)最大負載為 22 kN，且安裝尺寸較小，故設(shè)計壓力選擇4.0 MPa，在保證系統(tǒng)壓力前提下，可以在一定程度上減小液壓元器件的尺寸和質(zhì)量。升降系統(tǒng)和折疊系統(tǒng)的回油腔背壓均選擇0.3 MPa。

經(jīng)計算可知，液壓缸缸筒直徑（D）可按照公式（4）計算[4]：

式中：表示液壓缸的桿徑比，桿徑比可以按照表3選擇。升降液壓缸和折疊液壓缸設(shè)計壓力均為4.0 MPa，桿徑比選擇0.5。

經(jīng)計算，升降液壓系統(tǒng)的液壓缸缸筒直徑（D）為7.0 cm，活塞缸直徑（d）為3.5 cm，折疊液壓系統(tǒng)的液壓缸缸筒直徑（D）為5.6 cm，活塞缸直徑（d）為2.8 cm。

液壓缸最大流量可按照式（5）計算[6]：

式中：A1表示無桿腔活塞有效面積;vmax表示液壓缸最大速度，2個系統(tǒng)均取0.1 m/s。經(jīng)計算可知，對于升降液壓系統(tǒng)，單個液壓缸最大流量為23.1 L/min，系統(tǒng)需要提供的最大流量為46.2 L/min;對于折疊液壓系統(tǒng)，單個液壓缸最大流量為14.8 L/min，系統(tǒng)需要提供的最大流量為29.6 L/min。升降液壓系統(tǒng)和折疊液壓系統(tǒng)使用同一個液壓泵進行供油，原動機額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，液壓泵最大排量為50.5 mL/r。

升降液壓系統(tǒng)和折疊液壓系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)如表4所示。

1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

升降液壓系統(tǒng)和折疊液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求如表5所示。按照系統(tǒng)設(shè)計要求，所設(shè)計的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

由圖1可知，原動機為整個系統(tǒng)提供動力，齒輪泵是液壓系統(tǒng)的動力元件，安全閥設(shè)置系統(tǒng)的安全壓力，防止壓力過高而損壞液壓元器件，分流集流閥用于把流入升降系統(tǒng)液壓缸的流量按照1 ∶ 1的比例一分為二，使得2個升降液壓缸達到較高的同步精度。液控單向閥用于鎖緊液壓缸，當三位四通換向閥6處于左位時，液壓缸無桿腔進油，液壓缸上升，若此時突然停止供油，液控單向閥實現(xiàn)單向鎖緊，使得液壓缸固定在某一高度;當該三位四通換向閥6處于右位時，液壓缸無桿腔進油，高壓油通過液控單向閥的液控油口使它處于接通狀態(tài)，液壓缸下降。單向節(jié)流閥用于控制系統(tǒng)流量，防止在液壓缸下降過程中系統(tǒng)流量過大而超速。三位四通換向閥7用于改變折疊液壓系統(tǒng)的流量方向，當該閥處于左位時，無桿腔進油;當它處于右位時，有桿腔進油;當處于中位時，系統(tǒng)卸荷，防止發(fā)熱。

2 液壓系統(tǒng)仿真

本研究使用AMESim軟件對所設(shè)計的液壓系統(tǒng)進行仿真分析。AMESim為多學科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，用戶可以在這個單一平臺上建立復(fù)雜的多學科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進行仿真計算和深入分析，也可以在這個平臺上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能[7-9]。

在水稻直播機的工作過程中，升降系統(tǒng)和折疊系統(tǒng)不會同時工作，所以將2個液壓系統(tǒng)按照各自模型分別進行仿真，在仿真過程中，對部分液壓元件進行簡化。升降液壓系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖2所示，仿真參數(shù)設(shè)置如表6所示。

由圖2可知，三位四通換向閥用于改變系統(tǒng)的流量，額定電流為40 mA，當它處于右位時，液壓缸伸出，克服負載工作，三位四通換向閥在系統(tǒng)中的子模型如圖3所示，該閥共有5個接口，每個接口具有不同的外部變量[10]。常數(shù)信號經(jīng)過力轉(zhuǎn)換器作用于液壓缸有桿腔，信號值代表負載的大小，升降系統(tǒng)的最大負載為28 000 N，故單個液壓缸的最大負載為 14 000 N。按照表6中的參數(shù)對該系統(tǒng)進行仿真，仿真時間為3 s，計算步長為0.01 s。

升降液壓缸的位移-速度變化曲線、進油口壓力變化曲線及進油口流量變化曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。

由圖4可知，虛線表示位移-時間曲線，實線表示速度-時間曲線，在3 s內(nèi)，液壓缸位移變化近似于一條直線，最大位移為0.296 m，平均速度0.1 m/s，這和系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)基本一致。液壓缸速度在剛開始的0.1 s內(nèi)有一定的波動，波動范圍為0.05～0.15 m/s，在0.1 s后，液壓缸速度基本穩(wěn)定在0.10 m/s。由圖5可知，液壓缸進油口的壓力最終穩(wěn)定在 3.65 MPa，略小于設(shè)計壓力的4.00 MPa，在0.1 s內(nèi)，系統(tǒng)壓力出現(xiàn)小幅波動，最大壓力為3.76 MPa，小于安全閥設(shè)定的壓力 5 MPa，符合設(shè)計要求。由圖6可知，液壓缸進油口流量

曲線的變化趨勢與壓力變化趨勢類似， 在0.12 s內(nèi)， 流量曲線出現(xiàn)較大波動，最大流量為35.94 L/min，0.12 s后，系統(tǒng)流量穩(wěn)定在23.07 L/min，與設(shè)計參數(shù)基本一致。

同時，對直播機折疊進行建模仿真，折疊液壓系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖7所示，仿真參數(shù)設(shè)置如表7所示。

按照表7中的參數(shù)對該系統(tǒng)進行仿真，仿真時間為8 s，計算步長為0.01 s。折疊液壓缸的位移-速度變化曲線、進油口壓力變化曲線及進油口流量變化曲線分別如圖8、圖9、圖10所示。

由圖8可知，虛線表示位移-時間曲線，實線表示速度-時間曲線，在8 s仿真時間內(nèi)，液壓缸位移變化近似于1條直線，最大位移為0.797 m，平均速度約為0.1 m/s，這表示液壓缸運動平穩(wěn)，波動較小。圖9表示折疊液壓缸進油口壓力曲線，系統(tǒng)壓力波動較小，達到穩(wěn)態(tài)后，壓力值為3.987 MPa。圖10表示折疊液壓缸進油口流量曲線圖，在0.1 s時間內(nèi)，系統(tǒng)流量有一定的波動， 系統(tǒng)流量最終穩(wěn)定在14.78 L/min。

仿真結(jié)果與設(shè)計參數(shù)基本一致，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

本研究按照水稻直播機升降、折疊系統(tǒng)的工作要求，對它的液壓系統(tǒng)進行設(shè)計，計算相關(guān)液壓元器件的參數(shù)，同時將所設(shè)計的系統(tǒng)使用AMESim軟件進行建模仿真。由仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：（1）升降液壓系統(tǒng)可正常工作，液壓缸工作速度為0.1 m/s，工作壓力為3.65 MPa，系統(tǒng)流量穩(wěn)定在 23.07 L/min，系統(tǒng)波動較小;（2）折疊液壓系統(tǒng)可正常工作，液壓缸工作速度為0.1 m/s，工作壓力為3.987 MPa，系統(tǒng)流量穩(wěn)定在14.78 L/min，系統(tǒng)波動小;（3）兩者均滿足設(shè)計要求。

參考文獻：

[1]宗錦耀. 中國農(nóng)業(yè)機械化重點推廣技術(shù)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2008：32-37.

[2]張 曲，肖麗萍，蔡金平，等. 我國水稻生產(chǎn)機械化發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國農(nóng)機化，2012（5）：9-12，16.

[3]王 洋，張祖立，張亞雙，等. 國內(nèi)外水稻直播種植發(fā)展概況[J]. 農(nóng)機化研究，2007（1）：48-50.

[4]張利平. 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計與使用[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2010：14-29.

[5]左健民. 液壓與氣壓傳動[M]. 4版.北京：機械工業(yè)出版社，2015：92-100.

[6]吳朋濤，陳 軍，黨革榮.果園用履帶拖拉機液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究，2014（2）：219-221.

[7]付永領(lǐng)，祁曉野. AMESim系統(tǒng)建模與仿真：從入門到精通[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2011：45-52.

[8]卯 鑫，伍德林，徐家萍，等. 基于 AMESim 桑枝剪伐機液壓系統(tǒng)的設(shè)計與仿真分析[J]. 農(nóng)機化研究，2013（11）：75-78.

[9]韓 兵，蔡憶昔，張 彤，等. 強混合動力變速器液壓系統(tǒng)設(shè)計與動態(tài)特性仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42（2）：43-47.

[10]梁 全，蘇齊瑩. 液壓系統(tǒng)AMESim計算機仿真指南[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2015：249-260.鄭貴林，曾志威. 基于QQ物聯(lián)平臺的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019，47（5）：187-191.