基于AMESim的4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)開式液壓系統(tǒng)設(shè)計與試驗*

李凈凱，王敏，王吉亮，盧勇濤，營雨琨，何玉澤

(1. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆石河子，832000； 2. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子，832000)

0 引言

液壓技術(shù)是裝備制造業(yè)中十分重要的基礎(chǔ)領(lǐng)域，自20世紀(jì)初期開始，液壓技術(shù)就被工程師使用在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備中[1]，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械中的液壓系統(tǒng)普遍通過油缸的伸縮來實現(xiàn)機(jī)具結(jié)構(gòu)的簡單調(diào)整，對液壓技術(shù)的控制功能應(yīng)用較淺[2]，隨著液壓技術(shù)的成熟和農(nóng)業(yè)工作者對于高度自動化農(nóng)業(yè)機(jī)械的需求凸顯，液壓技術(shù)已經(jīng)不再單純的作為一種傳動方式，而是更多的作為一種控制手段[3]，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展離不開液壓技術(shù)，液壓技術(shù)以其標(biāo)準(zhǔn)化的元件為農(nóng)機(jī)機(jī)械的使用者提供很多便利，標(biāo)準(zhǔn)化的液壓元件不僅方便設(shè)計，并且在零件報廢后方便更換。與傳統(tǒng)機(jī)械傳動相比，液壓傳動控制技術(shù)更容易實現(xiàn)對運動參數(shù)的控制[4-5]，具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、故障率低、易于實現(xiàn)自動化控制、過載保護(hù)等優(yōu)點[6-8]，液壓技術(shù)與傳感器技術(shù)、電子技術(shù)的結(jié)合，推動了我國裝備制造業(yè)的發(fā)展[9]。

我國的農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展離不開液壓控制技術(shù)，近年來，液控技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用廣泛[10]，有些液壓傳動件已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)機(jī)械上的常用配置[11]，如：液壓驅(qū)動聯(lián)合耕整機(jī)的圓盤耙組[12]、蘆葦自動打包機(jī)打包裝置[13]、油菜聯(lián)合收獲機(jī)串并聯(lián)組合式液壓驅(qū)動系統(tǒng)[14]。

從我國各地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀來看，新疆在殘膜回收機(jī)具的開發(fā)上有著突出進(jìn)步，新疆農(nóng)墾科學(xué)院研制了4SJ-1.6殘膜回收與莖稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機(jī)[15]，通過單作用油缸和懸掛臂配合實現(xiàn)機(jī)具升降。趙巖等[16]研制CMTY-1500型農(nóng)田殘膜撿拾打包聯(lián)合作業(yè)機(jī)，通過3組油缸的配合完成打包作業(yè)。采用鏈傳動和齒輪傳動的殘膜回收機(jī)具，工作穩(wěn)定，殘膜回收率高[17]，但機(jī)具自動化程度低，適應(yīng)性差，適用的作物品種少，且在進(jìn)行殘膜回收后形成的膜堆易散，因此將液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)勢融入到殘膜回收機(jī)具的設(shè)計中已成為未來的發(fā)展趨勢。

AMESim軟件越來越多地被用于液壓系統(tǒng)的設(shè)計和仿真，在用于液壓系統(tǒng)仿真時具有快捷、準(zhǔn)確的特點[18-22]。本研究針對殘膜回收機(jī)具自動化程度低，回收后膜堆易散的問題，提出了4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)開式液壓系統(tǒng)，并采用AMESim軟件進(jìn)行仿真分析，為殘膜回收機(jī)具液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)由液壓系統(tǒng)、莖稈粉碎裝置、耙齒收膜裝置、打捆裝置、主機(jī)架、牽引架等組成，如圖1所示。在作業(yè)時，牽引架與拖拉機(jī)相連，莖稈粉碎裝置將莖稈粉碎后通過風(fēng)機(jī)拋送到機(jī)具側(cè)后方，耙齒收膜裝置設(shè)置在機(jī)具后方對粉碎后的地膜進(jìn)行回收，回收的地膜在打捆裝置的打捆皮帶傳動下輸送至打捆腔內(nèi)進(jìn)行打捆，使用打捆方式得到的膜捆為無芯的圓柱狀膜捆，機(jī)具打捆過程中通過打捆裝置調(diào)節(jié)油缸的伸縮來柔性補償無芯膜捆的擴(kuò)張量，作業(yè)完畢后卷膜板打開，膜捆掉落。整機(jī)工作參數(shù)如表1所示。

2 開式液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 動作方案設(shè)計

本系統(tǒng)執(zhí)行元件共包括4組油缸，每組油缸對稱裝配在機(jī)具兩側(cè)，結(jié)合秋后殘膜回收時的作業(yè)規(guī)范和田間實際情況，在地膜回收前進(jìn)行莖稈粉碎作業(yè)，擬定出了開式液壓系統(tǒng)工作方案：機(jī)具作業(yè)時，卷膜板開合油缸回縮；耙齒收膜裝置升降油缸回縮至工作位后自鎖；莖稈粉碎裝置升降油缸回縮至工作位后自鎖；打捆裝置調(diào)節(jié)油缸浮動；當(dāng)無芯膜捆直徑達(dá)到設(shè)計要求時，打捆裝置調(diào)節(jié)油缸回縮收緊，卷膜板開合油缸伸出；此時工作結(jié)束，機(jī)具切換為運輸狀態(tài)，回縮耙齒收膜裝置升降油缸伸出至運輸位后自鎖，莖稈粉碎裝置升降油缸伸出至運輸位后自鎖。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)與動作方案，設(shè)計了開式液壓系統(tǒng)，主要功能是打出成型的無芯膜捆，實現(xiàn)機(jī)具作業(yè)流程自動化。4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)開式液壓系統(tǒng)包括升降回路、打捆裝置柔性補償回路、卷膜板開合回路，液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

升降回路通過液壓泵驅(qū)動油缸的活塞桿伸縮來舉起莖稈粉碎裝置與耙齒收膜裝置，從而完成升降動作，通過液壓鎖使機(jī)具在工作狀態(tài)和運輸狀態(tài)時，兩對升降油缸自鎖，以保證工作安全性和降低耗能。打捆裝置柔性補償回路通過巧妙使用溢流閥，來使油缸柔性補償無芯膜捆的擴(kuò)張量，原理是將溢流閥串聯(lián)在油缸的進(jìn)油路上，通過液壓泵驅(qū)動油缸收緊活塞桿，在打捆時打捆皮帶給油缸的活塞桿一個向外的拉力，當(dāng)進(jìn)油路壓力達(dá)到溢流閥的臨界壓力時，溢流閥溢流，使得柔性補償?shù)膭幼鞯靡酝瓿?，保證了成捆率，并防止打捆皮帶受拉力過大造成損傷，在一代樣機(jī)的試機(jī)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溢流閥臨界壓力調(diào)整為4～6 MPa之間時，膜捆的緊實度較合適。卷膜板開合回路通過液壓泵驅(qū)動一對單頭固定油缸的活塞桿伸縮，從而帶動卷膜板的開合，完成卸膜工作。

2.3 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)及元件設(shè)計選型

2.3.1 預(yù)選系統(tǒng)工作壓力

本研究設(shè)計的機(jī)械歸屬農(nóng)業(yè)機(jī)械。查閱液壓工程師技術(shù)手冊，參考各種機(jī)械常用系統(tǒng)工作壓力表，根據(jù)機(jī)械類型，擬定預(yù)選的系統(tǒng)工作壓力p=10～18 MPa[23]。

2.3.2 負(fù)載分析

用地磅稱測得耙齒收膜裝置和莖稈粉碎裝置的質(zhì)量分別為m鏈耙=1 080 kg，m打稈機(jī)=1 000 kg，故本系統(tǒng)中液壓缸的工作壓力Fmax=10 kN。

2.3.3 油缸參數(shù)計算

計算液壓缸內(nèi)徑D，可以按照式(1)計算[24]。

(1)

按式(1)計算D并查液壓工程師技術(shù)手冊參照GB/T 2348—1993液壓缸缸筒內(nèi)徑尺寸系列，將內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)值D=40 mm[23]。

由式(1)推導(dǎo)出式(2)

(2)

將D=40 mm代入式(2)中，確認(rèn)液壓缸的工作壓力為13 MPa。

計算活塞桿直徑d，要確定活塞桿直徑大小，首先根據(jù)液壓缸往復(fù)速比推薦表，按照工作壓力選擇速比。選擇推薦速比Φ=1.46，則按式(3)計算[24]

(3)

參照GB/T 2348—1993液壓缸活塞桿外徑尺寸系列，取活塞直徑d=25 mm。因為活塞桿在受壓條件下工作時，取d/D=0.5～0.7。故d=25 mm、D=40 mm滿足條件[23]。打捆裝置調(diào)節(jié)液壓缸的行程為350 mm，卷膜板開合油缸、莖稈粉碎裝置升降油缸、耙齒收膜裝置升降油缸的行程均為200 mm。根據(jù)液壓缸內(nèi)徑、活塞桿直徑和行程，選用了可以通用于200 mm和350 mm兩個行程的HSGL-40BH-EZ1型液壓缸。

2.3.4 液壓泵參數(shù)計算

液壓泵工作壓力pP按照式(4)計算[24]

pP≥p+∑Δp

(4)

式中： Δp——泵到油缸間的壓力損失。

本系統(tǒng)中有單向閥，取∑Δp=0.5 MPa，則液壓泵的工作壓力pP=13.5 MPa。

液壓泵的流量qVP按照式(5)計算[24]

qVP≥K(∑qmax)

(5)

式中：K——泄漏系數(shù)，取1.2；

qmax——系統(tǒng)最大流量。

系統(tǒng)最大流量發(fā)生在莖稈粉碎裝置升降工況。

∑qmax=Av=Ddv=7.2 L/min

式中：v——活塞外伸速度，取值0.12 m/s；

A——液壓缸有效接觸面積。

綜合考慮根據(jù)液壓泵的流量和壓力，本文選用了V4-1-20S/Y-JL型葉片泵。

3 開式液壓系統(tǒng)建模與仿真分析

3.1 開式液壓系統(tǒng)建模

AMESim的機(jī)械庫中選取轉(zhuǎn)速恒定動力模型(PM000)來提供油泵的轉(zhuǎn)速，用FORC模型將線性信號轉(zhuǎn)化為力用于模擬液壓缸的外負(fù)載，用位移傳感器模型(MECDSOA)來模擬行程開關(guān)。用線性軸節(jié)點模型(LCON11)來模擬皮帶，用液壓元件設(shè)計庫中的活塞模型(BAP12)來模擬動態(tài)增大的膜捆，通過使用線性軸節(jié)點模型(LCON11)、活塞模型(BAP12)和線性模擬器(UD00)來實現(xiàn)油缸對膜捆的柔性補償，模擬膜捆的增大和打捆時所受皮帶的壓力。AMESim中打捆裝置模型如圖3所示。

圖3 打捆裝置模型

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖和設(shè)計參數(shù)，使用AMESim搭建開式液壓系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示，針對4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)在田間作業(yè)時受田間地形、秸稈和土石等因素的影響，對油缸活塞桿的伸縮工況進(jìn)行仿真，為系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。

圖4 AMESim液壓系統(tǒng)模型圖

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真參數(shù)設(shè)置如下，液壓泵轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，排量為5 mL/r；系統(tǒng)溢流閥的工作壓力為15 MPa，打捆裝置溢流閥工作壓力給定5 MPa；各油缸的行程、內(nèi)徑、外徑參照2.3節(jié)設(shè)置；活塞模型(BAP12)用于模擬動態(tài)增大膜捆，活塞直徑給定30 mm，參數(shù)項chamber length at zero displacement給定350 mm；所有換向閥的控制信號皆采用分段信號，連接換向閥的控制信號設(shè)定如圖5～圖8所示，正電信號時換向閥左位工作，負(fù)電信號時換向閥右位工作(左正右負(fù))；其余參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)。

圖5 UD00-10信號值曲線

圖6 UD00-2信號值曲線

圖7 UD00-8信號值曲線

圖8 UD00-9信號值曲線

3.3 開式液壓系統(tǒng)仿真分析

利用AMESim軟件對開式液壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，考慮到機(jī)具的現(xiàn)實工作周期過長，取仿真時間30 s，步長0.01 s，結(jié)果如圖9～圖13所示。

圖9 打捆裝置柔性補償回路信號值和油缸變化曲線

圖10 卷膜板開合回路信號值和油缸變化曲線

圖11 莖稈粉碎裝置升降回路信號值和油缸變化曲線

圖12 耙齒收膜裝置升降回路信號值和油缸變化曲線

圖13 耙齒收膜裝置升降油缸與莖稈粉碎裝置升降油缸動作先后示意圖

圖9為機(jī)具工作過程中打捆裝置換向閥接收的信號值曲線和打捆裝置調(diào)節(jié)油缸的活塞位移曲線，根據(jù)左正右負(fù)的設(shè)定，由圖9可知：在非工作狀態(tài)，0～5 s時，打捆裝置換向閥左位工作，打捆裝置調(diào)節(jié)油缸完全伸出350 mm，皮帶放松。在工作狀態(tài)，5～8.2 s時，打捆裝置換向閥切換為右位工作，打捆裝置調(diào)節(jié)油缸回縮收緊打捆皮帶，回縮300 mm后觸碰打捆裝置行程開關(guān)導(dǎo)致分段信號輸入值變?yōu)?，打捆裝置換向閥中位工作；8.2 s時機(jī)具開始作業(yè)，工作至15 s時，在膜捆對皮帶的壓力下，皮帶帶動打捆裝置調(diào)節(jié)油缸開始浮動，21.5 s時膜捆成型，半徑達(dá)300 mm。

圖10為機(jī)具工作過程中卷膜板換向閥接收的信號值曲線和卷膜板開合油缸的活塞位移曲線，由圖10可知：在非工作狀態(tài)，0～5 s時，卷膜板換向閥中位工作，卷膜板開合油缸保持伸出狀態(tài)。在工作狀態(tài)，5～15 s時，卷膜板換向閥切換為左位工作，卷膜板開合油缸在6.16 s時完全縮回，做好打捆準(zhǔn)備，工作至21.5 s時膜捆成型，23.5 s時卷膜板開合油缸完全伸出并觸碰卷膜板行程開關(guān)，導(dǎo)致分段信號輸入值變?yōu)?，卷膜板換向閥切換為中位工作，卸膜工作完成。

綜合圖11～圖13可知，在12.3 s與10.3 s時，莖稈粉碎裝置升降油缸和耙齒收膜裝置升降油缸分別觸碰莖稈粉碎裝置行程開關(guān)和耙齒收膜裝置行程開關(guān)，導(dǎo)致分段信號輸入值變?yōu)?，此時莖稈粉碎裝置換向閥和耙齒收膜裝置換向閥切換至中位工作，由于液壓鎖的存在，使莖稈粉碎裝置升降油缸和耙齒收膜裝置升降油缸在受壓時無回縮動作。導(dǎo)致莖稈粉碎裝置升降油缸和耙齒收膜裝置升降油缸動作一先一后不同步的原因是設(shè)定的外負(fù)載不同，屬正?，F(xiàn)象，對機(jī)具無不良影響。仿真結(jié)果表明，4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)開式液壓系統(tǒng)能夠在各工作階段正常運行，控制機(jī)具在各工作階段完成設(shè)計動作。

4 打捆試驗

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

為檢驗4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的開式液壓系統(tǒng)中打捆裝置柔性補償回路的連續(xù)工況是否穩(wěn)定；對4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的打捆作業(yè)情況進(jìn)行統(tǒng)計分析。

4.2 試驗場地與設(shè)備

2020年10月，在新疆第八師121團(tuán)場進(jìn)行秋收后田間試驗，試驗田種植作物為棉花，滴灌設(shè)備已進(jìn)行人工回收，土壤類型為灰漠土。試驗地塊長2 000 m、寬200 m，鋪設(shè)的地膜厚度為0.01 mm，符合GB 13735—2017《聚乙烯吹塑農(nóng)用地面膜覆蓋薄膜》[25]，每公頃棉田的地膜用量為96.6 kg。

通過拖拉機(jī)牽引機(jī)具在田間行走，同時進(jìn)行殘膜撿拾、莖稈粉碎、打捆等動作。試驗設(shè)備包括4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)和約翰迪爾1204型拖拉機(jī)，聯(lián)合作業(yè)機(jī)的工作幅寬為2.2 m，拖拉機(jī)行駛速度為8 km/h。

4.3 試驗方案

根據(jù)GB/T 14290—2008《圓草捆打捆機(jī)》[26]給定的打捆機(jī)性能試驗方法，以成捆率為評價打捆效果的指標(biāo)，對配套本開式液壓系統(tǒng)的4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的打捆效果進(jìn)行試驗，給定成捆率計算公式為

式中：IE——總捆數(shù)；

IC——成捆數(shù)。

4.4 結(jié)果與分析

4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的打捆試驗包括7個試驗組，每個試驗組選取連續(xù)卸下的20個膜捆，成捆率試驗結(jié)果如表2所示。

表2 成捆率試驗結(jié)果

成捆率試驗結(jié)果表明，配套本開式液壓系統(tǒng)的4MK地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的平均成捆率可達(dá)到95.7%。造成膜捆未能成型的原因主要有：一是作業(yè)環(huán)境太過潮濕，導(dǎo)致?lián)饺氲乃槎?、泥土等雜質(zhì)過多，將殘膜隔開，使成型膜捆過于松散；二是部分作業(yè)區(qū)域棉田中含殘膜量少，導(dǎo)致殘膜撿拾量不達(dá)標(biāo)，造成膜捆不成形。試驗中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)具在含水量少、較干燥的棉田中作業(yè)時，卸下的膜捆形狀規(guī)整，膜捆緊實，含雜質(zhì)少。

5 結(jié)論

1) 為了保證4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)成捆率要求，解決膜堆易散問題，提升機(jī)具自動化程度，設(shè)計了4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)開式液壓系統(tǒng)，并對液壓系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算，最后系統(tǒng)選用了V4-1-20S/Y-JL型葉片泵和HSGL-40BH-EZ1型液壓缸。

2) 通過使用AMESim對4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)開式液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真可知：4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)開式液壓系統(tǒng)能夠在各工作階段正常運行，控制機(jī)具在各工作階段完成設(shè)計動作。

3) 本開式液壓系統(tǒng)應(yīng)用在4MKJ地膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)中，通過油缸動作觸發(fā)行程開關(guān)，動作相互銜接，實現(xiàn)了作業(yè)流程的自動化。田間打捆試驗證明，開式液壓系統(tǒng)在實際應(yīng)用中工作穩(wěn)定，平均成捆率可達(dá)95.7%。且試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)具在較干燥的棉田中作業(yè)時，打捆效果更好。