基于AMESim的小型葉菜收割機液壓系統(tǒng)仿真分析

摘要：

針對現(xiàn)有葉菜收割機的割臺和轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)使用有待發(fā)展的問題，根據(jù)我國收割機實際使用需求，設(shè)計一種小型葉菜收割機液壓傳動系統(tǒng)，包括割臺升降和前輪轉(zhuǎn)向控制。對液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元件、液壓泵等主要元件進(jìn)行選型，對液壓缸的負(fù)載力、系統(tǒng)流量進(jìn)行數(shù)值計算，并利用AMESim軟件對液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析不同排量的液壓泵對割臺和轉(zhuǎn)向液壓缸工作情況的影響，確定選用3.3mL/r的液壓泵。分析定負(fù)載、變負(fù)載工況下割臺液壓缸的動態(tài)特性。研究結(jié)果表明：采用3.3mL/r排量的液壓泵，割臺液壓缸可以在3s內(nèi)達(dá)到最大行程，轉(zhuǎn)向液壓缸可以在6s從初始位置達(dá)到最大行程，在變負(fù)載條件下，割臺液壓缸與定負(fù)載工況達(dá)到最大位移時間相差在1s以內(nèi)，滿足使用需求。

關(guān)鍵詞：葉菜收割機；液壓系統(tǒng)；AMESim仿真；液壓泵；割臺

中圖分類號：S225.92； TH137

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 01-0061-06

Simulation analysis on hydraulic system of a small leaf harvester based on AMESim

Ji Ce¹， Lu Guan¹， Zhang Xuewen¹， Wu Yipeng²， Chen Hua²， Li Jialin¹

（1. School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong， 226019， China；

2. Nantong Shengli Electromechanical Technology Co.， Ltd.， Nantong， 226007， China）

Abstract：

Aiming at the problems of the cutting table and steering hydraulic system of the existing leaf vegetable harvester， a small hydraulic transmission system of the leaf vegetable harvester was designed according to the actual use of harvesters in our country， including the harvester，s lift of the cutting table and the steering control of the front wheel. The main components of the hydraulic system， such as the actuator and hydraulic pump， were selected. The load force and system flow of the hydraulic cylinder were numerically calculated， and the hydraulic system was modeled by AMESim software. The influence of hydraulic pumps with different displacements on the working conditions of the cutting table and the steering hydraulic cylinder was analyzed， and the 3.3mL/r hydraulic pump was selected. Then， the dynamic characteristics of the hydraulic cylinder under constant load and variable load conditions were analyzed. The research results show that： with a 3.3mL/r displacement hydraulic pump， the cutting table hydraulic cylinder can reach the maximum stroke in 3s， and the steering hydraulic cylinder can reach the maximum stroke in 6s from the initial position. Under the variable load condition， the maximum displacement time difference between the cutting table hydraulic cylinder and the fixed load condition is within 1s， which can meet the users，"requirements.

Keywords：

leaf vegetable harvester; hydraulic system; AMESim simulation; hydraulic pump; cutting table

0"引言

我國的葉菜產(chǎn)需量較大，品種較為豐富，出口量也逐年增長^［1］。但國內(nèi)葉菜種植面臨的問題在于機械化采收不夠完善和成熟，由于我國葉菜種植品種繁多，且不同葉菜的種植密度、種植模式和生長特性等差異明顯^［2］，因此，很多的葉菜種類，例如雞毛菜、生菜、上海青等基本依靠人工來進(jìn)行采收^［3］。所以，發(fā)展葉菜收割機械對提高葉菜生產(chǎn)效率和產(chǎn)量有著十分重要的意義^［4］。

葉菜收獲中存在的問題主要在于收割機的割臺高度控制和行走控制。葉菜的不帶根收獲需要利用割臺前端的割刀緊貼土壤對葉菜根部進(jìn)行切割，但葉菜的葉片比較柔軟且容易破損，要減少葉菜收割時的損失率就要對割臺高度進(jìn)行有效控制。據(jù)統(tǒng)計，在葉菜收獲過程中，由于割臺高度調(diào)整不當(dāng)所導(dǎo)致的損耗約有75％^［5］。葉菜種植的田間地形和種植情況較為復(fù)雜，存在小規(guī)模種植和分布零散的現(xiàn)象，還有在大棚等狹小空間使用收割機的場景，所以對收割機割臺升降和轉(zhuǎn)向及其響應(yīng)速度有一定的要求^［6］。液壓系統(tǒng)的使用可以有效地解決以上問題，利用液壓系統(tǒng)響應(yīng)快，運行穩(wěn)定等特點可以滿足復(fù)雜的使用環(huán)境要求。

液壓系統(tǒng)的應(yīng)用是農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展趨勢之一，在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用越來越廣泛，也更具優(yōu)越性。與傳統(tǒng)的機械傳動相比，液壓傳動的功率質(zhì)量比大，故障率低，響應(yīng)速度快且維護(hù)較為方便^［7］。國外的一些先進(jìn)的聯(lián)合收割機在行走系統(tǒng)、撥禾輪驅(qū)動、割臺升降系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)中都使用了液壓驅(qū)動^［8］。意大利的SLIDE FW型葉菜收割機^［9］，采用了仿形機構(gòu)對割臺進(jìn)行控制，執(zhí)行元件為液壓缸。美國的8010系列聯(lián)合收割機的割臺帶有浮動割刀，將割臺的進(jìn)給量與行進(jìn)速度進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)^［10］。德國的E516型收割機使用了全液壓四輪驅(qū)動，通過液壓馬達(dá)帶動行走輪，有效地增加了牽引力。Nang等^［11］設(shè)計了一種卷心菜收割機，利用液壓推桿對切割組件進(jìn)行高度控制。

相比于國外的農(nóng)機行業(yè)，我國的農(nóng)業(yè)機械自動化、智能化水平還有一定的差距。增加液壓技術(shù)的應(yīng)用范圍并將液壓與控制結(jié)合可以為我國農(nóng)業(yè)機械的智能化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。我國現(xiàn)有的葉菜收割機割臺升降方式主要有電力驅(qū)動的電推桿和手動調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)推桿^［12］，但電力驅(qū)動在大面積戶外作業(yè)時續(xù)航方面有所不足，機械傳動則在操作方面不夠便捷。液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在拖拉機和聯(lián)合收割機中較為常見，可以簡化機械結(jié)構(gòu)，響應(yīng)較為迅速^［13］。大型收割機中液壓的使用主要是在割臺升降、撥禾等需要方便調(diào)速和運行穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)^［14］，但小型葉菜收割機仍以電力驅(qū)動為主，液壓系統(tǒng)的使用還有待發(fā)展。

針對以上的問題，設(shè)計一套能夠滿足小型收割機的液壓系統(tǒng)，將收割機割臺升降及前輪轉(zhuǎn)向整合進(jìn)同一個液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。元件占用較小的體積便可獲得足夠的工作力矩，并且可以防止系統(tǒng)過載，使葉菜收割可以更加適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，使用范圍更廣，生產(chǎn)效率更高。

1"收割機液壓系統(tǒng)

1.1"收割機結(jié)構(gòu)

自走型葉菜收割機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機架、割臺、行走裝置和液壓電氣控制系統(tǒng)組成。

割刀臺架位于收割機中底盤與機架之間，割臺末端由一個球頭關(guān)節(jié)軸承與機架進(jìn)行連接，可以做到上下移動和左右傾斜運動。割臺寬度為1.5m，左右兩側(cè)分別有一個傾斜安裝的液壓缸對割臺進(jìn)行升降控制。液壓和電氣控制系統(tǒng)置于機器后方的工作臺下，整體結(jié)構(gòu)緊湊，充分考慮了收割機尺寸對整體結(jié)構(gòu)布置的影響。

工作時，割臺在左右兩個液壓缸的控制下按照實際需要進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，通過割臺的起降控制割臺前方割刀的高度。割刀在對葉菜進(jìn)行收割后會直接落在割臺的傳送帶上，通過傳送落入收割機后方的收集筐中。割臺高度既可以由人工進(jìn)行手動控制，也可以通過割臺下方的地面仿形機構(gòu)傳輸信號來進(jìn)行自動高度調(diào)節(jié)。

該收割機的行走方式選用輪胎形式，行走裝置通過螺栓與機架進(jìn)行連接，由電機驅(qū)動后輪前進(jìn)。轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的工作元件為一個雙作用液壓缸，液壓缸放置于懸架結(jié)構(gòu)的中間，通過連接兩個萬象連桿控制前輪左右轉(zhuǎn)動以進(jìn)行方向控制。

1.2"收割機液壓系統(tǒng)工作原理

收割機液壓系統(tǒng)如圖2所示。

該液壓系統(tǒng)主要由割臺升降控制回路和轉(zhuǎn)向回路組成，工作系統(tǒng)包括液壓泵、油箱、過濾器、溢流閥、換向閥、液壓缸等元件。在對各個元件的流量需求和工作狀況進(jìn)行考慮后，整個液壓系統(tǒng)采用一臺液壓泵供油，系統(tǒng)的執(zhí)行元件是兩個割臺液壓缸和一個轉(zhuǎn)向液壓缸。其中電磁換向閥1和電磁換向閥2分別控制兩個割臺油缸的運動，換向閥3控制轉(zhuǎn)向油缸的運動。

收割機工作時，換向閥1、2接收控制系統(tǒng)的電信號控制割臺油缸同時工作或分別工作。在割臺油缸工作的同時，轉(zhuǎn)向油缸在收割機需要轉(zhuǎn)向時也會由換向閥3控制進(jìn)行工作。

2"收割機液壓系統(tǒng)元件計算

液壓系統(tǒng)設(shè)計首先要對液壓系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)壓力的選定，該葉菜收割機為小型農(nóng)機裝備，負(fù)載較小，液壓系統(tǒng)并不復(fù)雜，如果選用過大的系統(tǒng)壓力會對液壓元件使用的材料和精度有一定的要求。一般農(nóng)用機械的工作壓力范圍為10～16MPa^［15］，本文中的葉菜收割機的系統(tǒng)壓力選用10MPa。

2.1"液壓缸主要參數(shù)計算

割臺油缸的負(fù)載包括割臺的自重和割臺工作時落在割臺傳送帶上的葉菜及泥土等重量。割臺的兩個液壓缸，安裝在割臺的左右兩側(cè)，與地面有一定的安裝角度。計算割臺油缸負(fù)載，需要根據(jù)割臺的安裝角度對割臺的油缸進(jìn)行受力分析。割臺油缸工作時的角度為45°，兩個割臺油缸的總負(fù)載F設(shè)為4000N。則兩個割臺油缸同時工作時，單個液壓缸在豎直方向上所受到的負(fù)載力計算如式（1）所示。

Fy=12F

（1）

因為割臺油缸是傾斜45°安裝，則單個液壓缸實際的負(fù)載力計算如式（2）所示。

F₁=Fycosα

（2）

式中：

α——油缸傾斜角度。

代入數(shù)據(jù)得出單個油缸的負(fù)載力為2828.43 N。

根據(jù)液壓缸的負(fù)載力可以計算選取合適的液壓缸缸徑。割臺液壓缸無桿腔的有效面積計算公式如式（3）所示^［16］。

A₁=1P₁Fηcm+P₂A₂

（3）

式中：

A1——

割臺油缸無桿腔工作面有效面積，mm²；

A2——

割臺油缸有桿腔有效面積，mm²；

P1——系統(tǒng)壓強，MPa；

P2——回油背壓，MPa；

ηcm——該系統(tǒng)的機械效率。

因為割臺自重較大，為了防止割臺下落時速度過快，液壓缸需要有一定的回油背壓。在割臺液壓回路中，取割臺油缸的背壓為0.2MPa。取液壓缸的機械效率ηcm為0.95，實際工作中需要進(jìn)退速比相同，取A1=2A2。根據(jù)無桿腔的有效面積計算缸徑

D=4A₁π

（4）

式中：

D——液壓缸內(nèi)徑，mm。

把相關(guān)參數(shù)代入式（4）計算，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2348—2018《流體傳動系統(tǒng)及元件 缸徑及活塞桿直徑》，將割臺液壓缸內(nèi)徑圓整為40mm，工作行程150mm。

轉(zhuǎn)向液壓缸的負(fù)載主要是轉(zhuǎn)向時受到的阻力作用，收割機的工作環(huán)境一般為農(nóng)田，阻力較大，計算時取200N，計算后得到轉(zhuǎn)向液壓缸內(nèi)徑，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓整為50mm，工作行程為105mm。

2.2"系統(tǒng)所需流量

液壓缸工作時所需要的流量計算如式（5）和式（6）所示^［17］。

v=St

（5）

q=vA

（6）

式中：

v——油缸工作速度，m/s；

S——油缸最大行程，m；

t——走完最大行程所需要的時間，s；

q——油缸工作時所需流量，L/min；

A——油缸工作面的總有效面積，mm²。

將割臺液壓缸和轉(zhuǎn)向液壓缸工作時走完全程所需要的時間代入計算公式，計算得出3個液壓缸同時工作時所需要的流量至少為9.54L/min。

2.3"液壓泵的設(shè)計與計算

根據(jù)液壓系統(tǒng)的最大流量，即3個液壓缸同時工作時所需要的流量計算液壓泵所需的最小排量計算如式（7）所示。

Vmin=Qmaxn

（7）

式中：

Qmax——系統(tǒng)所需最大流量，L/min；

n——液壓泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

代入數(shù)據(jù)得出最小排量為2.73mL/r，根據(jù)計算結(jié)果選用合適的液壓泵規(guī)格，葉菜收割機最終選用的液壓泵參數(shù)如表1所示。

3"AMESim建模與仿真結(jié)果分析

3.1"AMESim建模

在經(jīng)過液壓系統(tǒng)元件的計算和選型后，為了研究選定的液壓元件是否能夠滿足收割機實際工作時的使用要求，根據(jù)設(shè)計的液壓系統(tǒng)在AMESim中搭建出葉菜收割機液壓系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示，并對不影響仿真結(jié)果的部分進(jìn)行簡化?；芈分械膿Q向閥由信號源控制，模擬實際中的控制信號。液壓缸的負(fù)載力由常值信號的數(shù)值給定。

3.2"建模的仿真結(jié)果分析

為了驗證建模的正確性與系統(tǒng)計算的合理性，按照計算得到的參數(shù)在AMESim中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，收割機液壓系統(tǒng)中各元件所設(shè)置的參數(shù)如表2所示。

3.2.1"割臺油缸仿真結(jié)果

割臺采用單作用液壓缸控制，下降過程會受到一部分割臺自重的影響，為了防止割臺升降速度過快對機器造成損傷，需要根據(jù)收割機實際使用需求，使割臺油缸達(dá)到最大行程的時間控制在3 s左右。左右兩側(cè)的油缸位移曲線仿真結(jié)果如圖4所示，在0～3 s為割臺上升階段，兩液壓缸勻速運行，在2.6s時達(dá)到最大位移150mm。3～6s為割臺下降階段，從曲線看出割臺運行較上升階段有所放緩，3.2s時開始響應(yīng)，從最大位移處向初始位置移動，在5.9s時油缸完全回到初始位置。

割臺油缸速度曲線如圖5所示。割臺抬升階段，兩個割臺油缸的速度在0.2s內(nèi)達(dá)到最大，并基本穩(wěn)定在0.058m/s左右，曲線圖表明液壓缸的上升階段十分平穩(wěn)；下降階段由于割臺自重以及外負(fù)載等作用，割臺液壓缸無桿腔壓力突然增大，出油口的單向節(jié)流閥工作，調(diào)節(jié)出油口流量，使割臺不至于下落過快。割臺油缸在0.8s左右達(dá)到了穩(wěn)定速度，約為0.057m/s，在5.8s時割臺達(dá)到最大位移處，速度降為0。液壓系統(tǒng)整體上沒有較大的速度波動，整體運行平穩(wěn)，運行狀況符合設(shè)計要求。

3.2.2"轉(zhuǎn)向油缸分析

轉(zhuǎn)向油缸根據(jù)轉(zhuǎn)向時間所需，活塞從初始位置運動到最大位移處的時間控制在3 s左右。轉(zhuǎn)向油缸的位移曲線仿真結(jié)果如圖6所示，初始位置設(shè)置為轉(zhuǎn)向油缸的最左側(cè)，在0～3 s轉(zhuǎn)向油缸向最大位移方向運行，在2.6s時達(dá)到最大位移210mm。3 s開始油缸向初始位置運動，在5.7s時回到初始位置，速度與朝最大位移處位移時的速度基本相同。轉(zhuǎn)向油缸的位移情況說明，轉(zhuǎn)向回路的工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠在3 s時間內(nèi)完成轉(zhuǎn)向。

轉(zhuǎn)向油缸的速度曲線如圖7所示，在運行初始階段，速度有些許波動，在0.2s后速度開始基本穩(wěn)定在0.8m/s。轉(zhuǎn)向油缸從最大位移處回到初始位置階段，在前0.5s由于流量變化速度也產(chǎn)生了較大的波動，在0.5s后速度基本穩(wěn)定在0.8m/s，整體運行較為平穩(wěn)。

3.3"不同排量的液壓泵對液壓缸的影響

液壓泵的排量對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作狀況有一定的影響，為了探究液壓泵排量對該收割機液壓系統(tǒng)的影響，在AMESim將液壓泵設(shè)置不同的排量，分別為2.8mL/r、3.3mL/r和4mL/r。這幾種排量下的割臺油缸位移曲線如圖8所示，當(dāng)排量為2.8mL/r時，油缸位移明顯不足以達(dá)到最大行程位置；當(dāng)排量為4mL/r時，割臺油缸響應(yīng)速度最快，但由于泵的排量增加導(dǎo)致系統(tǒng)壓力上升，在1.8s左右就達(dá)到了最大位移處，不利于割臺的控制；當(dāng)排量為3.3mL/r時，液壓缸前進(jìn)時間和回退時間基本相同，且可以在3 s內(nèi)達(dá)到最大行程處。由此可知，雖然液壓泵的排量為2.8mL/r和4mL/r時可以滿足系統(tǒng)的計算要求，但是對于實際運行時3.3mL/r的液壓泵運行效果最佳，最符合該收割機所需要的設(shè)計要求。

圖9是轉(zhuǎn)向液壓缸在不同的泵排量情況下的位移曲線圖，與割臺液壓缸情況相同，在2.8mL/r時未達(dá)到最大行程處，3.3mL/r與4mL/r時的位移均可以滿足轉(zhuǎn)向油缸的使用要求，綜合割臺液壓缸在不同排量時的行程情況，最終應(yīng)該選用排量為3.3mL/r的液壓泵。

3.4"變負(fù)載工況割臺油缸特性分析

收割機在工作過程中負(fù)載不是一成不變的，實際收割狀況有很多變化的情況。割臺負(fù)載變化通常會根據(jù)收獲的葉菜重量而改變。在AMESim中將割臺油缸的負(fù)載信號設(shè)置為隨時間變化的變量，信號變化如圖10所示，負(fù)載在6s內(nèi)從200kg變化到400kg，從而模擬出負(fù)載變化情況下的割臺油缸位移情況。圖11為割臺油缸的位移曲線圖，在負(fù)載變化的情況下，割臺在2.6s的時間里走完了整個行程，在下降過程中，由于負(fù)載的增加，使割臺重量加重，回到初始位置的時間較定負(fù)載條件時有所減少，在5.6s時活塞回到初始位置。工作狀態(tài)并沒有較大的改變，走完全部行程所用的時間也在合理的范圍之內(nèi)。

4"結(jié)論

根據(jù)葉菜收割機實際需要設(shè)計一套液壓系統(tǒng)，分析其工作原理，并進(jìn)行理論計算。利用仿真軟件AMESim搭建出仿真模型。仿真分析葉菜收割機液壓驅(qū)動系統(tǒng)在割臺同步運行以及割臺油缸和轉(zhuǎn)向油缸同時工作下的動態(tài)特性。

1） 系統(tǒng)壓力為10MPa時，兩液壓缸同時工作的總工作載荷約為4000 N，即載重約400kg。割臺液壓油缸的缸徑選用40mm，可以滿足割臺承重要求。轉(zhuǎn)向液壓缸根據(jù)轉(zhuǎn)向時所受的阻力選用50mm缸徑的雙活塞桿液壓缸，可以滿足收割機轉(zhuǎn)向和行駛要求。

2） 根據(jù)3個液壓缸所需要的流量計算出系統(tǒng)所需的最大流量，從而選取出合適排量的液壓泵，即3.3mL/r的液壓泵，并通過數(shù)值計算對系統(tǒng)的其他液壓元件進(jìn)行選型。

3） 對該收割機液壓系統(tǒng)進(jìn)行AMESim仿真模擬，對割臺液壓缸和轉(zhuǎn)向液壓缸的位移和速度進(jìn)行分析。割臺可以在3 s內(nèi)完成整個行程的起降，該系統(tǒng)設(shè)計能夠達(dá)到預(yù)期的使用要求，響應(yīng)迅速，工作穩(wěn)定。

4） 在變負(fù)載條件下對兩割臺液壓缸的工作狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析。在變負(fù)載條件下對割臺油缸的行程情況與普通工況下進(jìn)行對比，結(jié)果表明，該系統(tǒng)在變負(fù)載條件下仍可以保持較為穩(wěn)定的工作狀態(tài)，與定負(fù)載條件相比達(dá)到最大行程的時間相差1 s以內(nèi)，可以滿足實際的使用需求，位移情況在合理的范圍內(nèi)。

以上仿真結(jié)果證明，采用3.3mL/r排量的液壓泵，割臺液壓缸可以在3 s內(nèi)達(dá)到最大行程，轉(zhuǎn)向液壓缸可以在6s從初始位置達(dá)到最大行程，在變負(fù)載條件下，割臺液壓缸與定負(fù)載工況達(dá)到最大位移時間相差在1 s內(nèi)，滿足使用需求，割臺油缸運行平穩(wěn)，響應(yīng)時間迅速，流量較為穩(wěn)定，同時工作時同步性能較好。轉(zhuǎn)向油缸可以在規(guī)定時間內(nèi)完成轉(zhuǎn)向工作，并且運行速度較為均勻，運行穩(wěn)定，可以應(yīng)用于田間生產(chǎn)。通過液壓傳動技術(shù)的應(yīng)用，收獲機械的穩(wěn)定性和靈活性可以得到進(jìn)一步的提升。

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