液壓旋耕機(jī)工作裝置負(fù)載敏感系統(tǒng)分析

羅艷蕾，杜 黎，李 屹

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，耕地是最重要、最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，耕地環(huán)節(jié)的好壞直接影響著農(nóng)作物的生長情況[1-2]。耕作機(jī)械的主要任務(wù)就是翻整、疏松土地，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。旋耕機(jī)作為重要的耕作機(jī)械，已逐漸成為了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分，并且逐漸地改善了我國傳統(tǒng)的農(nóng)耕方式[3-5]。而傳統(tǒng)的旋耕機(jī)主要采用機(jī)械傳動(dòng)的方式，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，摩擦損失高，控制精度差，旋耕機(jī)工作時(shí)，由于其復(fù)雜多變的工況，使傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)方式很難滿足其工況要求。而采用靜液壓驅(qū)動(dòng)的方式，使旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，控制精度高，能更好地適應(yīng)多變的工況[6]。

但是普通的液壓系統(tǒng)制作成本較高，而靜液驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)需要盡可能降低成本，因此可以采用負(fù)載敏感系統(tǒng)。

負(fù)載敏感系統(tǒng)由于其優(yōu)越的節(jié)能性、可控性，而被廣泛地應(yīng)用在工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域中[7-10]。負(fù)載敏感系統(tǒng)能夠通過感受負(fù)載壓力信號(hào)，改變液壓泵輸出的流量和壓力，從而根據(jù)工況需求提供負(fù)載所需的流量，大大地減少溢流和節(jié)流損失，從而降低系統(tǒng)的功率損失。并且負(fù)載敏感系統(tǒng)能使各支路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立并以不同的壓力和速度工作，實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)合動(dòng)作[11-12]。將負(fù)載敏感系統(tǒng)運(yùn)用在旋耕機(jī)中，使旋耕機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)單泵驅(qū)動(dòng)多個(gè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)的升降液壓缸與回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的復(fù)合動(dòng)作，使其工作系統(tǒng)便于控制。

負(fù)載敏感系統(tǒng)按照泵的類型分為變量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)和定量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)，其中定量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)采用負(fù)載敏感多路閥與定量泵進(jìn)行匹配，通過負(fù)載敏感多路閥中的三通壓力補(bǔ)償閥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)和卸荷[13-14]。相比變量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)，定量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)的成本低且響應(yīng)速度快。按照壓力補(bǔ)償閥與節(jié)流口的相對(duì)位置可將負(fù)載敏感系統(tǒng)分為閥前壓力補(bǔ)償和閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)[15]。相比閥前壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)具有抗流量飽和能力，并且能夠最大程度降低成本[16-18]。因此，所設(shè)計(jì)的旋耕機(jī)工作系統(tǒng)采用定流量閥后壓力補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)。

1 旋耕機(jī)負(fù)載敏感系統(tǒng)原理

靜液驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)工作機(jī)構(gòu)由旋耕刀升降機(jī)構(gòu)與旋耕刀回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，旋耕機(jī)工作時(shí)，需要其升降機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作且互不影響，本研究根據(jù)負(fù)載敏感原理設(shè)計(jì)一套旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)回路，其原理如圖1所示。該負(fù)載敏感回路中二通壓力補(bǔ)償閥7置于多路閥6出口處，且采用單向閥8與二通壓力補(bǔ)償閥7并聯(lián)供系統(tǒng)回油使用。系統(tǒng)采用單向閥9，比較旋耕刀升降液壓缸10與旋耕刀回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)11進(jìn)出油口的最大負(fù)載壓力，并將最大負(fù)載壓力傳遞給進(jìn)出油路上的二通壓力補(bǔ)償閥7的彈簧腔以及壓力補(bǔ)償閥4的彈簧腔。系統(tǒng)采用先導(dǎo)泵2提供先導(dǎo)油液，再通過先導(dǎo)手柄14控制多路閥閥芯位移的動(dòng)作。

當(dāng)多路閥處于中位時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不工作，通過壓力補(bǔ)償閥4閥芯的受力平衡，改變壓力補(bǔ)償閥開口量，旁路流出多余的流量，從而調(diào)節(jié)泵的出口壓力，使泵的壓力始終比傳遞過來的最大負(fù)載壓力信號(hào)高出一個(gè)常值。當(dāng)多路閥切換到工作位時(shí)，兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)工作，其中升降液壓缸10直接帶動(dòng)旋耕刀進(jìn)行升降，回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)11通過二級(jí)行星減速器帶動(dòng)旋耕刀回轉(zhuǎn)，通過二通壓力補(bǔ)償閥6維持2個(gè)回路中多路閥前后壓差的恒定，從而保證靜液驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的流量與負(fù)載無關(guān)，只與多路閥6的開口量大小有關(guān)。由于采用閥后壓力補(bǔ)償，當(dāng)旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)發(fā)生流量飽和時(shí)，該工作系統(tǒng)能根據(jù)升降液壓缸與回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的負(fù)載需求等比例分配流量，使流量獨(dú)立分配，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獨(dú)立工作，互不影響。

1.定量泵 2.先導(dǎo)泵 3.內(nèi)燃機(jī) 4.壓力補(bǔ)償閥5.溢流閥 6.多路閥 7.二通壓力補(bǔ)償閥 8、9.單向閥10.旋耕刀升降液壓缸 11.旋耕刀回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)12.蓄能器 13.先導(dǎo)閥 14.先導(dǎo)控制手柄圖1 旋耕機(jī)工作回路原理圖

2 旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)建模

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的定流量閥后負(fù)載敏感系統(tǒng)是否滿足旋耕機(jī)的工作要求。根據(jù)旋耕機(jī)工作回路，在AMESim平臺(tái)中采用HCD庫與液壓元件庫，搭建出液壓系統(tǒng)回路仿真模型如圖2所示，為分析不同工況下系統(tǒng)的特性奠定基礎(chǔ)，仿真模型主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)

圖2 旋耕機(jī)工作回路仿真模型

3 旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)特性分析

3.1 變負(fù)載工況系統(tǒng)

由于旋耕機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜多變，需要其能在變負(fù)載工況下正常工作，在AMESim仿真模型中，設(shè)置多路閥最大閥芯位移為0.5 mm，給定多路閥信號(hào)為40，使多路閥運(yùn)動(dòng)到最大閥芯位移，并設(shè)置液壓缸的外負(fù)載力在0～3 s內(nèi)，從0 N上升到20000 N，液壓馬達(dá)的外負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0～3 s內(nèi)，從0 N·m上升到30 N·m，模擬變負(fù)載工況時(shí)，分析該液壓系統(tǒng)回路的性能特性。仿真得到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路中多路閥前后壓壓力p與流量q曲線如圖3所示。

由圖3可得，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)外負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，升降回路與回轉(zhuǎn)回路的多路閥前后壓力在經(jīng)過最初的波動(dòng)后，跟隨外負(fù)載與外負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化線性上升，但多路閥前后的壓差始終保持恒定。并且當(dāng)系統(tǒng)處于變負(fù)載工況，但控制多路閥先導(dǎo)信號(hào)不變時(shí)，流經(jīng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路多路閥的流量基本保持恒定，可以看出流經(jīng)多路閥的流量與外負(fù)載無關(guān)。

圖3 多路閥開口前后壓力與流量曲線

3.2 多路閥不同開口工況系統(tǒng)

分別給定多路閥的信號(hào)為10, 15, 25, 40，使多路閥閥芯分別運(yùn)動(dòng)到0.1250, 0.1875, 0.3125, 0.5000 mm處，從而改變多路閥的開口量大小，模擬多路閥不同開口工況，并設(shè)置升降液壓缸外負(fù)載力在0～3 s內(nèi)恒定為20000 N，回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)外負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定為30 N·m，分析各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同閥芯位移下的系統(tǒng)特性。設(shè)置仿真時(shí)間為3 s，采樣時(shí)間為0.01 s，得到閥口不同開口時(shí)多路閥的流量曲線如圖4所示；升降液壓缸速度v與回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速n曲線如圖5所示。

設(shè)置液壓馬達(dá)排量由50 mL/r變?yōu)?0 mL/r，仿真得到排量變化后閥口不同開口時(shí)多路閥的流量曲線如圖6所示。

圖6 改變排量后多路閥不同開口時(shí)流量曲線

由圖4、圖5可以看出，在升降回路與回轉(zhuǎn)回路中，當(dāng)改變多路閥閥口開度時(shí)，流經(jīng)多路閥的流量發(fā)生了改變，閥芯位移量大時(shí)流經(jīng)多路閥的流量明顯大于小位移時(shí)的流量。并且閥芯位移量大時(shí)旋耕機(jī)的升降液壓缸速度和回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速都明顯大于小位移時(shí)的速度。

圖4 多路閥不同開口時(shí)流量曲線

圖5 多路閥不同開口時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度曲線

由圖6可以看出，液壓缸與液壓馬達(dá)排量關(guān)系發(fā)生改變后，當(dāng)改變多路閥閥口開度時(shí)，閥芯位移量大時(shí)流經(jīng)多路閥的流量仍然明顯大于小位移時(shí)的流量。

由此可以看出，負(fù)載敏感系統(tǒng)中，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的流量與外負(fù)載無關(guān)，主要與多路閥開口面積有關(guān)，且各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間互不影響，獨(dú)立工作。

3.3 流量飽和工況系統(tǒng)

由于旋耕機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，當(dāng)旋耕機(jī)下坡工作時(shí)，行走液壓系統(tǒng)需要的流量增加，會(huì)導(dǎo)致分配到工作液壓系統(tǒng)的流量減小，從而出現(xiàn)流量飽和工況，因此需要旋耕機(jī)的液壓系統(tǒng)具有抗流量飽和能力。

在AMESim模型中選用可變電機(jī)，轉(zhuǎn)速信號(hào)設(shè)為在0～5 s內(nèi)恒定在1500 r/min，在5～10 s內(nèi)降為800 r/min，使液壓泵的輸出流量降低，仿真模擬處于流量飽和工況時(shí)，該負(fù)載敏感系統(tǒng)的工作特性。設(shè)置仿真時(shí)間為10 s，采樣時(shí)間為0.01 s，得到升降液壓缸與回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)流量曲線，如圖7所示；升降液壓缸與回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)回路多路閥前后壓差，如圖8所示；升降液壓缸速度與回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線，如圖9所示。

由圖7、圖8可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速由1500 r/min降為800 r/min，此時(shí)液壓泵在0～5 s內(nèi)輸出流量為60 L/min，在5～10 s內(nèi)降為32 L/min，系統(tǒng)發(fā)生流量飽和。在0～5 s期間，升降液壓缸與回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的流量在經(jīng)過初始振蕩后均保持恒定，液壓缸回路多路閥前后壓差為4.12 MPa，液壓馬達(dá)回路多路閥前后壓差為2.92 MPa，液壓缸流量為32.58 L/min，液壓馬達(dá)流量為27.43 L/min，可以看出流入各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量是根據(jù)各回路中多路閥的前后壓差比例分配的。在5～10 s期間，系統(tǒng)發(fā)生流量飽和，兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量均成比例減小，液壓缸流量下降為17.42 L/min，液壓馬達(dá)流量下降為14.58 L/min。由圖9可以看出，在系統(tǒng)發(fā)生流量飽和后，兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度減小到一定值后，保持穩(wěn)定。由此可知，該負(fù)載敏感回路控制特性良好，具有抗流量飽和特性，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠獨(dú)立工作。

圖7 執(zhí)行機(jī)構(gòu)流量曲線

圖8 執(zhí)行機(jī)構(gòu)多路閥前后壓差曲線

圖9 執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度曲線

4 結(jié)論

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，在AMESim平臺(tái)中搭建液壓旋耕機(jī)的工作裝置系統(tǒng)回路，仿真分析系統(tǒng)分別處于變負(fù)載、多路閥不同開口與流量飽和工況下的工作特性，仿真結(jié)果證實(shí)該定流量閥后負(fù)載敏感系統(tǒng)，使液壓旋耕機(jī)實(shí)現(xiàn)單個(gè)定量泵驅(qū)動(dòng)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)合動(dòng)作，提高了旋耕機(jī)系統(tǒng)的能量利用率，降低了成本。并且在該工作系統(tǒng)回路中，液壓旋耕機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需流量主要取決于多路閥開口面積，與負(fù)載無關(guān)。且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生流量飽和時(shí)，定量泵輸出的流量不足以滿足各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的流量，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)多路閥前后壓差將定量泵的流量按比例分配，使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常、獨(dú)立地工作，互不干擾，系統(tǒng)的控制特性良好。因此采用該定流量閥后負(fù)載敏感系統(tǒng)能夠滿足液壓旋耕機(jī)的工作要求，為將負(fù)載敏感系統(tǒng)運(yùn)用于農(nóng)機(jī)提供了理論依據(jù)。