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(廣西大學 機械工程學院， 廣西 南寧　530004)

引言

在高速乘坐式水稻插秧機種植技術中，秧苗的入土深度控制直接決定著秧苗的成活率及分蘗效果[1]。插秧深度以“不漂不倒，越淺越好”為原則[2]，因此插秧機在工作過程中必須根據(jù)水田硬底層縱向及橫向起伏情況對插植臺進行實時調(diào)整，通過升降、水平調(diào)整等協(xié)調(diào)動作來保證插秧深度一致從而確保插秧質(zhì)量。插植臺的升降及水平調(diào)整一般采用液壓驅(qū)動方式[3-5]。在插植臺姿態(tài)調(diào)整的過程中，液壓缸所受負載將隨著插植臺位置的變化而變化，因此按恒負載進行參數(shù)計算和元件的選擇并不合適。對于復雜的機械系統(tǒng)， 采用求解微分方程組計算出某時刻的相關系統(tǒng)變量的狀態(tài)，其過程過于復雜。如果利用ADAMS進行仿真計算，只需要搭建好模型并定義相應的運動約束、作用力以及初始狀態(tài)后就可以很方便的得到仿真結(jié)果[6]。與其他仿真軟件相比，AMESim在機電液一體化系統(tǒng)的建模仿真中優(yōu)勢更為明顯，而且提供了豐富的與其他軟件的接口[7,8]。結(jié)合以上兩種軟件在各自領域的優(yōu)勢，對插秧機液壓升降及水平擺動系統(tǒng)的動態(tài)特性進行仿真研究，為傳動方案的確定和液壓元件的合理選擇提供理論依據(jù)。

1　升降控制系統(tǒng)及水平調(diào)整系統(tǒng)的介紹

1.1　升降控制系統(tǒng)

插秧機的升降控制系統(tǒng)為主要由液壓泵、升降缸、液壓控制閥、操縱機構(gòu)和四桿機構(gòu)組成，通過液壓油缸的伸縮控制插植臺的升降，圖1為兩種升降缸的安裝方案。方案一中升降缸整體設置在四桿機構(gòu)內(nèi)部，其中缸筒鉸接在一個頂角上，活塞桿鉸接在一根桿件上。而方案二中升降缸整體設置在四桿機構(gòu)的外部，其中缸筒鉸接在車架上，活塞桿鉸接在一根桿件的端部。

1.車架　2.升降缸　3.四桿機構(gòu)　4.插植臺圖1　液壓升降機構(gòu)

1.2　水平調(diào)整系統(tǒng)

插秧機的水平調(diào)整系統(tǒng)主要由液壓泵、擺動缸、液壓控制閥、操縱機構(gòu)和彈簧組成，通過液壓油缸的伸縮帶動插植臺的擺動，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

方案一中擺動缸通過支撐盒設置在連接支架上，與插植臺異面，本設計中偏距Δ=67 mm，作業(yè)時會產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)矩，而方案二中擺動缸直接安裝在連接支架上，與插植臺共面。

1.插值臺　2.連接支架　3.擺動缸　4～6.銷軸　7.擺動補償彈簧圖2　水平調(diào)整機構(gòu)

2　基于ADAMS的動力學仿真分析

2.1　參數(shù)設置

將在UG中建立的三維模型導入ADAMS并添加約束。在機構(gòu)間鉸接處設置旋轉(zhuǎn)副，往復運動處設置移動副，彈簧處設置拉壓彈簧阻尼，忽略鉸接處的摩擦力，缸筒與活塞桿之間的密封摩擦力以機械效率折算到液壓缸的負載中。仿真的參數(shù)以企業(yè)委托開發(fā)的高速乘坐式插秧機為依據(jù)，其整機功率為7 kW，整機重量500 kg,插植臺重量300 kg。水平擺動補償彈簧剛度為530.4 N/m，升降缸活塞運動速度為0.018 m/s，行程為180 mm，擺動缸活塞的運動速度為0.008 m/s，行程為80 mm，據(jù)此可得液壓缸位移驅(qū)動函數(shù)如下：

(1)

(2)

式(1)為升降缸的位移函數(shù)，0～5 s為升降缸由中間位置向上提升過程，5～15 s由最高點下降至中間位置最終至最低點，15～20 s由最低點上升至中間位置，20～45 s保持于中間位置。式(2)為水平調(diào)整缸的位移函數(shù)， 0～20 s擺動缸保持在中間位置，20～25 s 由中間位置往右運動進行橫向調(diào)平，25～35 s由右端位置往左運動進行橫向調(diào)平，35～40 s由左端位置回到中間位置，40～45 s保持在中間位置。

2.2　仿真結(jié)果及分析

從圖3a可見，升降控制液壓缸所受負載隨插植臺升降位置的變化呈非線性變化，在插植臺升降的最高點和最低點出現(xiàn)峰值。方案一升降缸承受的負載小于方案二。

從圖3b可見，水平調(diào)整液壓缸所受負載隨插植臺擺動位置的變化呈非線性變化，在左右兩端即最大擺角處出現(xiàn)峰值。表1給出了兩種方案的極限值對比。水平調(diào)整方案一中液壓缸承受的負載要比方案二的大，且在左調(diào)平和右調(diào)平時負載相差較大，這是因為方案一中液壓缸與插植臺異面，作業(yè)時產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)矩，導致了其所受負載增大。

圖3　調(diào)整機構(gòu)的負載變化曲線

從以上仿真結(jié)果可以看到，升降控制方案一中液壓缸承受的負載小于方案二，而水平調(diào)整方案一的液壓缸承受的負載要比方案二大。可見作業(yè)機構(gòu)的升降控制系統(tǒng)和水平調(diào)整系統(tǒng)采用不同布局方式時，液壓系統(tǒng)承受的負載是不同的，且可能具有較大差別。

將ADAMS仿真獲得的動態(tài)負載保存為tab格式后，導入AMESim模型中，可以進一步觀察系統(tǒng)工作過程的壓力、流量變化情況，為液壓系統(tǒng)設計和液壓件的選擇提供參考。

3　基于AMESim的液壓系統(tǒng)建模與仿真

3.1　升降控制液壓系統(tǒng)建模與仿真

插植臺的上升過程由液壓驅(qū)動，下降時可以利用插植臺本身的重力使作業(yè)機構(gòu)下降，當插植臺停止作業(yè)時升降系統(tǒng)卸荷?；谏鲜鎏匦?，本研究選用一個三位三通換向閥控制升降缸的運動，執(zhí)行裝置選用一個單作用液壓缸，所建升降控制液壓系統(tǒng)模型如圖4所示。將ADAMS仿真所得的負載曲線導入至AMESim模型中模擬負載的變化過程，可分析升降液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖4　液壓升降系統(tǒng)的AMESim模型

3.2　水平調(diào)整系統(tǒng)液壓建模與仿真

插植臺的水平調(diào)整系統(tǒng)左調(diào)平及右調(diào)平均需要液壓泵供油，在作業(yè)機構(gòu)無需橫向調(diào)平時擺動缸停止，基于上述特性本研究選用一個三位四通換向閥控制擺動缸的運動方向，選用雙活塞桿液壓缸作為執(zhí)行元件，所建水平調(diào)整液壓系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5　液壓水平調(diào)整系統(tǒng)的AMESim模型

將在ADAMS仿真中獲得的負載曲線導入AMESim模型中模擬負載的變化過程，可分析水平調(diào)整液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能。

3.3　仿真結(jié)果及分析

由圖6可見，升降控制系統(tǒng)方案二的壓力要比方案一高出2 MPa左右，且在升降缸換向過程中,壓力沖擊比方案一的大1.5 MPa左右；在升降缸由最高點往下降時，方案二中液壓缸的流量變動比較大，即液壓缸的速度穩(wěn)定性較差。顯然，插植臺液壓升降控制系統(tǒng)，方案一的性能要優(yōu)于方案二。

圖6　液壓升降控制系統(tǒng)的動態(tài)性能

由圖7可見，壓力水平調(diào)整系統(tǒng)方案一擺動缸的壓力要比方案二高出1 MPa左右，在擺動缸換向過程中,兩種的壓力沖擊都比較大，而方案一中液壓缸的流量變動比較大，即液壓缸的速度穩(wěn)定性較差?？梢?，水平調(diào)整系統(tǒng)方案二的動態(tài)性能要優(yōu)于方案一。

4　結(jié)論

基于ADAMS與AMESim軟件對水稻插秧機插植臺的升降控制及水平調(diào)整液壓傳動系統(tǒng)動態(tài)性能進行聯(lián)合仿真分析，得出以下結(jié)論：

(1) 在插植臺的升降控制及水平調(diào)整過程中，液壓缸所受負載隨插植臺位置的變化呈非線性變化，在升降和擺動的極限位置處出現(xiàn)峰值；

(2) 升降控制系統(tǒng)采用方案一時，升降缸承受的負載壓力較小，且換向沖擊較小，速度穩(wěn)定性較好， 故液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能較優(yōu)， 設計水稻插秧機的液壓升降控制系統(tǒng)時，在空間布局允許的情況下應優(yōu)先選擇方案一；

圖7　水平調(diào)整系統(tǒng)的動態(tài)性能

(3) 水平調(diào)整系統(tǒng)采用方案二時，擺動缸的工作壓力較小，對擺動缸的性能要求較低，在設計水稻插秧機的水平調(diào)整系統(tǒng)時，在空間布局允許的情況下應優(yōu)先考慮方案二；

(4) 插秧機在升降調(diào)節(jié)和水平調(diào)節(jié)換向過程中存在較大壓力沖擊，油路設計時需要考慮適當?shù)木彌_措施。

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