張童等

摘要：為了解決傳統(tǒng)馬鈴薯輥式聯(lián)合收獲機液壓馬達驅(qū)動清潔滾筒易停轉(zhuǎn)的問題，提升收獲機的工作效率、工作穩(wěn)定性、經(jīng)濟性，以4UL-2型收獲機為研究對象，在深入剖析清潔裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了全新的伺服閥控液壓馬達調(diào)速換向系統(tǒng)。對閥控液壓馬達動力機構(gòu)的傳遞函數(shù)進行了推導，對速度控制系統(tǒng)進行了數(shù)學建模并最終確立了該系統(tǒng)中各元件的參數(shù)值。

關(guān)鍵詞：清潔裝置；系統(tǒng)設(shè)計；數(shù)學建模；傳遞函數(shù)

中圖分類號： S225.7+1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0444-04

馬鈴薯具有產(chǎn)量高、經(jīng)濟效益好、環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點，目前我國馬鈴薯的種植面積和鮮薯產(chǎn)量均居世界首位。內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊，土壤肥沃，全區(qū)種植馬鈴薯面積多達9 300萬hm2，占全國的18%[1-2]。使用馬鈴薯收獲機，不僅可減輕勞動強度，而且可提高收獲效率、縮短收獲時間，降低成本。近些年，我國馬鈴薯收獲機發(fā)展迅速，典型機型有 4M-2 型，4UFD-1400型等[3-4]。但由于我國馬鈴薯種植地況的復雜性，現(xiàn)有機型均難以完全滿足收獲需求，特別是馬鈴薯清潔裝置易被硬物卡死不能及時反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象尤為突出。對4UL-2型馬鈴薯收獲機清潔裝置存在反轉(zhuǎn)卡死的現(xiàn)象進行研究，設(shè)計了新的伺服閥控制液壓馬達的伺服控制回路，有效地解決了液壓系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的問題，對提高收獲機的收獲效率及加快馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1清潔裝置的工作原理及不足

薯塊清潔裝置是清潔初收獲薯塊表面泥土、雜質(zhì)的裝置，是馬鈴薯聯(lián)合收獲機的關(guān)鍵組成部分。該裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圓柱滾筒、螺旋滾筒、擋板、液壓馬達、支撐板、變速箱組6個部分組成。在工作過程中，液壓馬達通過增速變速箱組驅(qū)動由圓柱滾筒和螺旋滾筒組成的橡膠清潔滾筒，帶動薯塊進行旋轉(zhuǎn)、摩擦，從而實現(xiàn)薯塊及其表面泥土的分離。薯塊清潔滾筒的間隙為12 mm，狹小的滾筒間隙不僅可以避免薯塊從滾筒間脫落，而且可避免泥土等雜質(zhì)的堆積[1]。

4UL-2型馬鈴薯收獲機正常工作狀態(tài)可高效地實現(xiàn)馬鈴薯地收獲，但在內(nèi)蒙古很多種植區(qū)土壤中存在大量不規(guī)則石子，當其徑向尺寸大于12 mm時，經(jīng)常會出現(xiàn)石子阻止清潔滾筒轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，使?jié)L筒的轉(zhuǎn)速降低、割傷橡膠層，甚至清潔滾筒會完全被石子卡住。此時，馬達進油管路中油壓迅速升高，壓力繼電器應(yīng)該快速根據(jù)油壓作出響應(yīng)，實現(xiàn)馬達反轉(zhuǎn)，但實際工作中壓力繼電器常常不能快速準確地對液壓馬達停轉(zhuǎn)時進油管路中的高壓油作出反應(yīng)，使溢流閥不能及時卸荷，這就容易造成液壓系統(tǒng)壓力過高甚至損壞[1，5]。

2液壓系統(tǒng)設(shè)計

為了解決上述缺陷，需要研究一種新的液壓馬達自動換向系統(tǒng)，實現(xiàn)動態(tài)的液壓馬達轉(zhuǎn)速檢測及反饋，使液壓馬達可快速進行轉(zhuǎn)向切換，從而實現(xiàn)收獲機清潔裝置持續(xù)穩(wěn)定的工作。為此設(shè)計圖2所示的馬鈴薯收獲機清潔裝置液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)主要由2個部分組成，右半部分為原有的普通液壓馬達換向系統(tǒng)，一般不工作；左半部分是設(shè)計的全新液壓伺服調(diào)速系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的工作原理如下：左側(cè)系統(tǒng)：收獲機在作業(yè)中由發(fā)動機功率為70 kW的拖拉機進行牽引，油箱18中的液壓油經(jīng)吸油過濾器1過濾后進入由輸出軸驅(qū)動的定量液壓泵2，使低壓液壓油變?yōu)楣ぷ魉璧母邏阂簤河?。高壓液壓油?jīng)過高壓過濾器8，將液壓油中的雜質(zhì)進一步過濾，保證更加清潔的液壓油進入到伺服閥10，高壓液壓油經(jīng)過二位四通電磁閥11的左腔，進而驅(qū)動液壓馬達12實現(xiàn)正轉(zhuǎn)。當清潔滾筒被不規(guī)則石子卡住時，液壓馬達將停轉(zhuǎn)，這時檢測清潔滾筒轉(zhuǎn)速的測速機將檢測到的速度信號與給定的指令信號比較，實現(xiàn)伺服閥閥芯位置的移動，液壓油從伺服閥的右腔流入，從而實現(xiàn)液壓馬達的反轉(zhuǎn)及清潔滾筒的換向工作，保證了清潔裝置的正常運行。該系統(tǒng)中其他元件還有單向閥5，可以防止收獲機停車時發(fā)生清潔裝置液壓系統(tǒng)液壓油倒流，對液壓馬達及清潔滾起到制動作用；蓄能器7可以對整個液壓系統(tǒng)多余的液壓能實現(xiàn)儲存，當蓄能器儲能飽和后，系統(tǒng)的壓力升高，這時壓力繼電器6得電使二位二通電磁閥4動作，進而使卸荷溢流閥3卸去多余的液壓能，實現(xiàn)整個液壓系統(tǒng)的恒壓工作。

右側(cè)系統(tǒng)：當伺服調(diào)速換向系統(tǒng)不能正常工作時，手動按下二位二通電磁閥9和二位四通電磁閥11動作的按鈕，實現(xiàn)閥芯移動，切換到液壓系統(tǒng)原理圖的右半部分，保證清潔裝置中的清潔滾筒按照原有收獲機的液壓系統(tǒng)正常工作。壓力表15對供油壓力實時監(jiān)控，當清潔滾筒被石子卡住使得液壓馬達供油壓力顯著升高后，這時壓力繼電器16得電使換向優(yōu)先閥13動作，保證清潔裝置中驅(qū)動清潔滾筒的液壓馬達反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)清潔裝置正常運行。卸荷優(yōu)先閥14的主要作用是對流經(jīng)液壓馬達換向系統(tǒng)中的液壓油實現(xiàn)恒壓，回油過濾器17對整個液壓系統(tǒng)的回油作過濾除雜。

3控制系統(tǒng)原理分析

伺服閥控液壓馬達是上述液壓系統(tǒng)的核心，因此有必要對其控制系統(tǒng)進行原理分析。伺服閥控液壓馬達的原理如圖3所示，它由伺服放大器、電液伺服閥、液壓馬達、測速機等組成。測速機作為清潔裝置液壓控制系統(tǒng)的反饋檢測元件，用于控制液壓馬達驅(qū)動清潔滾筒的轉(zhuǎn)速，使之按照給定的指令信號變化，利用測速機的測速軸與清潔裝置中清潔滾筒軸相連接，將檢測到的速度信號與指令信號差（誤差信號）經(jīng)伺服放大器進行功率放大，產(chǎn)生的電流控制電液伺服閥閥芯的位置，電液伺服閥輸出壓力油驅(qū)動液壓馬達，帶動清潔滾筒旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)閥控液壓馬達速度伺服系統(tǒng)原理中給出的清潔滾筒換向控制方案，閥控液壓馬達速度伺服控制系統(tǒng)方框圖（圖4）更加簡明地描述了清潔裝置中清潔滾筒的換向工作流程，為液壓系統(tǒng)的數(shù)學建模及參數(shù)確定奠定基礎(chǔ)[1]。

4閥控液壓馬達數(shù)學建模

4.1閥控液壓馬達動力機構(gòu)傳遞函數(shù)的推導

閥控液壓馬達的傳遞函數(shù)是根據(jù)液壓控制閥的流量方程、液壓馬達的流量連續(xù)性方程、液壓馬達與負載的力平衡方程這3個基本方程推導出來的。endprint

假定：控制零開口四邊滑閥的4個節(jié)流窗口是匹配對稱的，供油壓力Ps恒定，回油壓力P0為零。閥的線性化流量方程為：

qL=KqXv-KcPL 。（1）

式中：qL為負載流量，m3/s；Kq為流量增益，m3/（s·m）；Kc為流量-壓力系數(shù)，m3/（s·Pa）；Xv為閥芯位移，m；PL為負載壓力。

假定：閥與液壓馬達的連接管道對稱且短而粗，忽略管道中的壓力損失和管道動態(tài)；馬達工作腔內(nèi)各處的壓力相等，油溫、體積彈性模量為常數(shù)；液壓馬達內(nèi)、外泄漏均為層流動。根據(jù)進入液壓馬達進油腔的流量q1和回油腔中流出的流量q2以及液壓馬達2個工作腔的容積V1、V2，可得出流量連續(xù)性方程，經(jīng)合理的簡化后該方程為：

則速度傳感器增益 Kf=0.19 V/（rad/s）。測速機傳動比為in=3。伺服放大器增益參數(shù)Ka=0.14。

利用MATLAB軟件對以上參數(shù)進行仿真，結(jié)果顯示控制系統(tǒng)信號的響應(yīng)時間不大于0.1 s，且波動不超過5%，因此設(shè)計的液壓控制系統(tǒng)能夠滿足給定的性能指標。

5結(jié)論

本研究在原有4UL-2型馬鈴薯聯(lián)合收獲機清潔裝置液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計全新的閥控液壓馬達調(diào)速換向系統(tǒng)，能夠有效解決液壓馬達的停轉(zhuǎn)問題，在提高收獲機收獲效率的基礎(chǔ)上，也保護了清潔裝置中的液壓系統(tǒng)。對閥控液壓馬達動力機構(gòu)的傳遞函數(shù)進行了推導，對速度控制系統(tǒng)進行了數(shù)學建模，并最終確立了系統(tǒng)中各元件的參數(shù)值，且這些參數(shù)值滿足新設(shè)計的液壓系統(tǒng)的性能指標。

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