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(1.石河子大學 機械電氣工程學院， 新疆 石河子 832000;2.第一師農機技術推廣站， 新疆 阿拉爾 843300； 3.阿拉爾 萬達農機有限公司， 新疆 阿拉爾 843300)

引言

新疆是全國林果業(yè)生產供應基地，有“瓜果之鄉(xiāng)”的美譽。林果業(yè)作為新疆的特色產業(yè)，已經成為四大支柱產業(yè)之一。新疆具有發(fā)展林果業(yè)得天獨厚的優(yōu)勢，2012年全疆果園種植面積101.5萬平方公里, 林果產量736.74萬噸，均居全國前列，但由于機械化水平不高，嚴重制約了新疆林果業(yè)的發(fā)展。

果園機械化可以節(jié)約生產成本，降低勞動強度，提高工作效率，是林果業(yè)發(fā)展的必然趨勢。耕整地作為果園機械化的首要和基礎環(huán)節(jié)，可以改善土壤物理特性，抑制雜草和病蟲害，并起到增溫保墑的效果。目前果園中耕一般采用旋耕機，旋耕機具有很強的切土、碎土能力，一次作業(yè)就能使土壤松碎，土肥摻和均勻，拖拉機功率可以得到充分利用，且耕后地表平整，有利于抗旱保墑，提高產量。

通過查閱文獻和實地調研，發(fā)現(xiàn)目前新疆地區(qū)的果園旋耕作業(yè)存在以下問題：

(1) 由于采用“矮化密植”的園藝種植模式，果樹行距較小，旋耕作業(yè)普遍以微耕機為主，作業(yè)幅寬受到限制；同時，機具操作復雜、勞動強度大、效率低，耕作效果不能滿足農藝要求。

(2) 采用大田作業(yè)旋耕機工作時，果樹樹干是旋耕作業(yè)時的障礙物，受耕作對象的局限，目前旋耕機作業(yè)時為了避讓果樹，在果樹株距之間的區(qū)域存在少耕、漏耕現(xiàn)象。

資料顯示，目前國內關于解決果園避障問題的旋耕機的研究剛剛起步，解決上述技術難題的新型果園旋耕作業(yè)機具尚屬空白。因此，研究設計一款適于新疆果園種植模式的果園避障旋耕機迫在眉睫。

1 果園避障旋耕機液壓系統(tǒng)

1.1 液壓系統(tǒng)工作原理

果園避障旋耕機由機架、旋耕刀工作部件、避障系統(tǒng)以及動力分配系統(tǒng)等集成，避障系統(tǒng)由感應機構、液壓控制系統(tǒng)等部件組成，果園避障旋耕機工作原理如圖1所示。

1.果樹 2.機械觸桿 3.作業(yè)部件 4.調平液壓缸 5.伸縮液壓缸 6.鉸接平行四桿機構 7.支架輪 8.牽引鉸接點 9.液壓油箱 10.傳動箱 11.中間拉桿圖1 果園避障旋耕機工作原理圖

旋耕機前進作業(yè)時，感應機構未碰觸果樹及障礙物時機具正常作業(yè)，液壓系統(tǒng)不工作，如圖1a；當碰觸果樹及障礙物后，感應機構發(fā)出指令給液壓系統(tǒng)，控制液壓控制閥塊的油路通斷，如圖1b，進而控制液壓缸動作，驅動機架上的平行四桿機構擺動，由平行四桿機構帶動旋耕作業(yè)部件水平橫向移動并規(guī)避障礙物，避免對果樹的損傷和遇到障礙物時對機具的損壞， 如圖1c。當避讓過程結束后，工作部件再次橫向伸出，以此往復循環(huán)作業(yè)，如圖1d。在工作區(qū)域內，可以對果樹之間的部分進行有效耕作，防止出現(xiàn)少耕、漏耕現(xiàn)象。液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

1.液壓油箱 2.液位計 3過濾器 4.直動溢流閥 5.外嚙合齒輪液壓泵 6.可調節(jié)流閥 7.截止閥 8.壓力閥 9、10.二位四通電磁換向閥 11.二位三通機動換向閥 12.平衡閥 13、14.液壓鎖 15、16.液壓缸圖2 避障機構液壓系統(tǒng)原理圖

果園避障旋耕機液壓系統(tǒng)由伸縮缸回路和調平缸回路組成。液壓伸縮回路包括液壓油箱1、直動溢流閥4、外嚙合齒輪式液壓泵5、節(jié)流閥6、截止閥7、二位四通電磁換向閥9、二位三通機動換向閥11、液壓鎖13、伸縮缸15；液壓調平回路包括液壓油箱1、直動溢流閥4、外嚙合齒輪式液壓泵5、二位四通電磁換向閥10、平衡閥12、液壓鎖14、調平缸16。

1.2 元件選型

1) 液壓缸的選擇

在液壓系統(tǒng)中有兩個液壓缸，分別為調平缸和伸縮缸，下面對兩組液壓缸進行設計選型。

(1) 調平缸 調平缸控制平行四桿動作，活塞直徑(或缸筒內徑)公式：

(1)

式中：D—— 活塞直徑或缸筒內徑，m

F—— 液壓缸推力，N

ηcm—— 液壓缸的機械效率，取0.94

p1—— 進油路初選壓力，取10 MPa

p2—— 回油路背壓，簡單系統(tǒng)取0.2 MPa

φ—— 桿徑比，取0.7

由式(1)得：D=0.04 m，按GB/T 2348-1993，將液壓缸內徑圓整為D=40 mm，故活塞桿直徑d=40×0.7=28 mm，圓整為d=28 mm，根據(jù)行程要求，按GB/T 321-2005行程第一系列，選擇行程s=320 mm，型號為YHG1-16 40/28*320LJ-HOt2。

(2) 伸縮缸 伸縮缸的設計、計算和選型同上述調平缸，型號為YHG1-16 63/45*500LJ-HOt2，表1為兩缸的參數(shù)。

表1 調平缸和伸縮缸的參數(shù)

2) 液壓泵的選擇

(1) 泵的最大工作壓力pP(Pa) 系統(tǒng)液壓泵的最大工作壓力取決于調平缸和伸縮缸在滿載時的工作壓力，即為5 MPa，泵的最大工作壓力：

pP≥p1+∑Δp

(2)

式中：p1—— 調平缸和伸縮缸的最大工作壓力之和

∑Δp—— 工作油路的總壓力損失，可以按照表2選取；該系統(tǒng)屬于簡單系統(tǒng)，選取0.25 MPa

表2 系統(tǒng)總壓力損失的選取

由公式(2)計算泵的最大工作壓力為：

pP=p1+∑Δp=5+0.25=5.25 MPa

(2) 泵的最大流量qP(L/min) 液壓系統(tǒng)泵的最大流量取決于系統(tǒng)所需流量qV，流量公式為：

qP≥qV=K(∑q)max

(3)

式中：qV—— 系統(tǒng)所需流量，L/min

K—— 系統(tǒng)泄漏系數(shù)，經驗值為1.1～1.3，該系統(tǒng)屬于大流量系統(tǒng)，取1.15

(∑q)max—— 調平缸和伸縮缸同時動作時所需流量之和，L/min

由于本系統(tǒng)中，調平缸先動作，伸縮缸后動作，兩缸工作行程互不干擾，由公式(3)計算液壓系統(tǒng)齒輪泵的最大流量為：

qP≥qV=K(∑q)max=K·(q伸max+q調max)

=1.15×4.05=4.66 L/min

(3) 選擇液壓泵的規(guī)格 根據(jù)上述計算得到pP=5.25 MPa，qP=4.66 L/min，由相關液壓手冊選擇相應的液壓泵。根據(jù)系統(tǒng)所需流量、擬定初選液壓泵的轉速、泵的容積效率，可以得到泵的排量參考值為：

(4)

式中：Vg—— 泵排量參考值，L/min

n1—— 初選液壓泵轉速，r/min

ηV—— 液壓泵容積效率

由公式(4)計算得液壓系統(tǒng)泵的排量為：

(4) 選擇液壓泵的型號 根據(jù)上述計算得到的壓力、流量和排量等參數(shù)，查相關液壓手冊，最終確定泵為CB型外嚙合齒輪泵，型號為：CB-B。

2 系統(tǒng)仿真分析

2.1 系統(tǒng)建模

在眾多液壓系統(tǒng)仿真軟件中，AMESim可以建立較為復雜的液壓系統(tǒng)模型，被廣泛應用于液壓系統(tǒng)的設計當中。果園避障旋耕機液壓系統(tǒng)工作時，齒輪泵同時驅動伸縮缸和調平缸，其中伸縮缸控制主機架快速運動，調平缸控制旋耕裝置動作。在AMESim環(huán)境下，搭建果園避障旋耕機液壓系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 果園避障旋耕機液壓系統(tǒng)仿真模型

2.2 系統(tǒng)參數(shù)設置

系統(tǒng)模型搭建完成后，參數(shù)設置如表3所示。

2.3 系統(tǒng)仿真結果及分析

仿真模型中，仿真時間設置為3.5 s，通信間隔為0.01 s，運行仿真。圖4為伸縮缸和調平缸輸出位移曲線；圖5為伸縮缸和調平缸輸出速度曲線。

(1) 由圖4可以看出，在模擬實際工況下，伸縮缸和調平缸的位移曲線從第0.00 s開始，在第1.05 s時，伸縮缸曲線位于調平缸下端，且由斜率可以看出在0.00～1.05 s時液壓泵的油液分別給伸縮缸和調平缸

表3 參數(shù)設置

供油，且伸縮缸差動連接的速度小于調平缸的速度(兩缸桿徑比不一樣)；1.05 s時調平缸到達行程終點， 曲線上的波動是由于平行四桿機架在回至初始位置時慣性力產生的反向作用力導致，由于負載較大，在0.30 s后恢復終點位置； 1.05 s之后， 伸縮缸繼續(xù)運動， 調平缸停止動作， 液壓泵輸出流量均給伸縮缸供油，所以伸縮缸在1.05至1.50 s時，曲線斜率增大，直至第1.50 s運動至行程終點。滿足系統(tǒng)的設計要求，同時驗證了模型的正確性。

圖4 伸縮缸和調平缸位移曲線

(2) 由圖5可以看出，在0.00～0.05 s時伸縮缸和調平缸均已達到工作速度，且速度曲線平滑沒有波動，至1.10 s時調平缸運動至終點速度為零，此時油泵只給差動連接的伸縮缸回路供油，流量增加導致伸縮缸速度增大，到第1.50 s時，伸縮缸運動至行程終點速度變?yōu)榱恪７显O計要求，再次驗證了系統(tǒng)中各元件選型及其工作參數(shù)設置的合理性。

圖5 伸縮缸和調平缸輸出速度曲線

(3) 結合圖4、圖5，液壓系統(tǒng)工作時，當機械觸桿碰到障礙物時，調平缸和伸縮缸分別以0.304 m/s和0.25 m/s的速度動作,1.05 s時，調平缸運動至終點，此時避免主機架與障礙物碰撞，需要伸縮缸帶動機架迅速退回，油液均給伸縮缸供油，所以回路差動連接速度增大至0.50 m/s，當機械觸桿離開障礙物時，伸縮缸復位，速度降為0.00 m/s，完成一次避障運動，符合系統(tǒng)設計要求。

3 結論

(1) 通過對果園避障旋耕機的工況進行分析，設計了相應的液壓系統(tǒng)，并對主要元件進行了選型；

(2) 液壓系統(tǒng)采用單泵供雙回路工作方式，且伸縮缸回路采用差動連接方式，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、響應快，各個子系統(tǒng)工作相互獨立穩(wěn)定、操作便捷、系統(tǒng)能耗小、效率高；

(3) 運用AMESim仿真軟件搭建果園避障旋耕機液壓系統(tǒng)，并對系統(tǒng)中的元件進行了參數(shù)設置，通過HCD庫搭建同步閥模型得到伸縮缸和調平缸速度分別為0.304 m/s和0.250 m/s，且差動連接速度為0.500 m/s，滿足實際工作的要求，驗證了該模型的正確性，為產品的開發(fā)和進一步改進提供了理論依據(jù)。

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