王建潭，木合塔爾·克力木

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

0 引言

新疆棉花種植面積常年穩(wěn)定在166.7萬hm2左右，產(chǎn)量定在350萬t左右，占全國棉花產(chǎn)量的50%以上，已成為我國最大的棉花生產(chǎn)基地和供應(yīng)基地[1]。但是，新疆近幾年來棉花價格一直居高不下，失去了以往在棉花市場上的價格優(yōu)勢。其主要原因是：①新疆采棉業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度不高，每年到采棉季節(jié)都需要來自青海、甘肅、河南一帶的大量勞動力采棉；②國內(nèi)勞動力成本增加，直接導(dǎo)致新疆手工采棉價格提高，削減了新疆棉花市場及紡織行業(yè)的優(yōu)勢；③我國周邊農(nóng)業(yè)大國棉花產(chǎn)業(yè)的興起，直接沖擊了我國的棉花市場；④大型采棉機(jī)械不能滿足小戶人家的需要，當(dāng)采用大型采棉機(jī)械大規(guī)模合作采棉時，各戶人家的棉花生長情況并不一樣，導(dǎo)致采出的棉花質(zhì)量等級低，減少了棉農(nóng)收入。近年來 ,新疆在采棉技術(shù)的機(jī)械化中的試驗(yàn)研究及新產(chǎn)品開發(fā)方面已取得階段性成果[2]，新疆的相關(guān)科研院所與國外的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械合作也開發(fā)出了不少新型的采棉機(jī)[3]，但大多數(shù)都是針對兵團(tuán)、農(nóng)場等大規(guī)模采棉，并不適合于小戶人家。綜合以上因素可知，新疆棉農(nóng)迫切需要一種適合小戶人家的采棉機(jī)，用來降低勞動力成本和提高棉花質(zhì)量。本文基于此種情況設(shè)計了采棉頭可拼裝式采棉機(jī)的液壓系統(tǒng)。

1 采棉機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 采棉機(jī)系統(tǒng)組成

采棉頭可拼裝式采棉機(jī)主要包括以下6大系統(tǒng)：棉花壓實(shí)器系統(tǒng)、采棉頭懸掛系統(tǒng)、棉箱翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、采棉頭采摘系統(tǒng)、采棉頭動力輸送系統(tǒng)、吸棉系統(tǒng)。各系統(tǒng)工作原理如下所述。

1)采棉頭動力輸送系統(tǒng)：采棉機(jī)的前進(jìn)與轉(zhuǎn)向的動力由采棉機(jī)前方的拖拉機(jī)提供。在液壓系統(tǒng)中采用復(fù)合泵供油方式，低壓泵可由拖拉機(jī)上的油泵供應(yīng)，能夠最大程度地提高拖拉機(jī)利用率，降低采棉機(jī)制造成本。為了避免由于拖拉機(jī)前輪對棉花壓踏造成的經(jīng)濟(jì)損失，需將拖拉機(jī)前輪拆除，然后連接在采棉機(jī)上。

2)采棉頭采摘系統(tǒng)：此采棉機(jī)最多可以供應(yīng)6個采棉頭同時進(jìn)行工作，并采用菱形的布局方式，最大程度地節(jié)省了空間，提高了采棉機(jī)采棉質(zhì)量。此系統(tǒng)可以跟據(jù)用戶需要安裝2～6個采棉頭，當(dāng)用戶棉花多且有大型拖拉機(jī)時，可以采用6個棉花頭的采棉頭系統(tǒng)；當(dāng)用戶棉花少或者不具備大型拖拉機(jī)的條件時，可以根據(jù)自身情況選擇采棉頭數(shù)量。另外，不同農(nóng)戶之間可以進(jìn)行合作采棉，農(nóng)戶可以只需購買少量采棉頭然后與別人合作，就可以達(dá)到采摘大面積棉花地的要求，這也是此采棉機(jī)設(shè)計的創(chuàng)新之處。采棉頭上裝有壓力傳感器，當(dāng)遇到不同高度的棉株時，傳感器觸發(fā)實(shí)現(xiàn)采棉頭的升降，實(shí)現(xiàn)對不同高度棉株的采摘。

3)吸棉系統(tǒng)：采棉機(jī)采用蝸殼式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，此種設(shè)計產(chǎn)生負(fù)壓大，可以有效地將分離好的棉花送入棉箱，防止棉花落入吸棉通道內(nèi)堵塞通道。

4)棉花壓實(shí)器系統(tǒng)：采用四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式對吸入棉箱的棉花進(jìn)行周期性的壓實(shí)。

5)采棉頭懸掛系統(tǒng)：新疆的棉花株距大約在60～80cm之間，為了適應(yīng)不同株距的棉花地，需要調(diào)節(jié)棉花頭之間的距離。懸掛系統(tǒng)采用水平導(dǎo)軌，可以手動調(diào)節(jié)采棉頭之間的距離以滿足需要。

6)棉箱翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)：當(dāng)棉花裝滿棉箱時，棉箱左右兩側(cè)裝有翻箱油缸，油缸工作時，棉箱按照連桿機(jī)構(gòu)設(shè)定好的運(yùn)動軌跡進(jìn)行運(yùn)動，到達(dá)指定位置時棉箱鎖定，棉箱門打開，棉花進(jìn)行傾倒。

1.2 采棉機(jī)工作原理

采棉機(jī)工作原理簡圖如圖1所示。

圖1 采棉機(jī)工作原理簡圖

采棉機(jī)開機(jī)進(jìn)地運(yùn)行之后，通過壓力傳感器調(diào)節(jié)采棉頭到合適位置。工作過程中，采棉頭內(nèi)采棉刀和刷棉花滾軸運(yùn)轉(zhuǎn)，棉花、棉桃和枝葉進(jìn)入采棉頭內(nèi)；在風(fēng)力和重力的作用下，棉花分離系統(tǒng)將棉花和其余雜質(zhì)進(jìn)行分離；吸棉系統(tǒng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓，棉花被送入棉箱，而雜質(zhì)則在重力和滾軸的作用下被排除[4-7]。

2 采棉機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 液壓系統(tǒng)的組成及原理圖

采棉機(jī)的液壓系統(tǒng)主要由棉花壓實(shí)器液壓系統(tǒng)、棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)、采棉頭液壓升降系統(tǒng)、采棉頭防卡液壓系統(tǒng)和采棉頭液壓動力系統(tǒng)組成，如圖2所示。系統(tǒng)主要由2個液壓泵、1個溢流閥、1個卸荷閥、1個單向閥、15個電磁換向閥、5個單向節(jié)流閥、9個液壓油缸、3個減壓閥、6個液壓馬達(dá)、管路、油箱、過濾器及冷卻器等附件組成。在設(shè)計過程中簡化了采棉機(jī)結(jié)構(gòu)，建立了數(shù)學(xué)模型，并利用SolidWorks的motion模塊[8]作為輔助設(shè)計手段對連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)仿真，根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)，可以確定液壓缸的尺寸參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，如圖3所示。液壓元件的選型設(shè)計都已完成，這里不在表述。實(shí)驗(yàn)測試表明：采棉頭液壓動力系統(tǒng)可以完全實(shí)現(xiàn)調(diào)速和換向功能，采棉頭可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.油箱 2.過濾器 3.復(fù)合液壓泵 4.卸荷閥 5.冷卻器 6.溢流閥 7、8.單向閥 9、10、11、12.兩位兩通電磁換向閥 13、14、15.單向節(jié)流閥 16、17、18.帶行程開關(guān)的采棉頭 19、20、21.采棉頭升降油缸 22、23、31、33、35、40、41、44、45、48、49. 三位四通電磁換向閥 24、25.單向節(jié)流閥 26. 棉箱翻轉(zhuǎn)油缸 27. 壓實(shí)器油缸 28、29、30.減壓閥 32、34、36.防卡油缸 37、38、39.分流閥 42、43、46、47、50、51.采棉頭動力馬達(dá)

2.2 液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)

該液壓油路由大小兩個液壓泵向系統(tǒng)提供壓力和流量，且有多個液壓缸和液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件，是一個典型的多缸多馬達(dá)系統(tǒng)[9-10]，所以系統(tǒng)效率的高低顯得格外重要。在此設(shè)計目的之上，系統(tǒng)采用兩個泵的復(fù)合泵為系統(tǒng)提供壓力和流量的方式，一個是高壓小流量定量泵，一個是低壓大流量的定量泵。

在采棉機(jī)負(fù)載最大工況(即采棉頭動力馬達(dá)、棉箱翻轉(zhuǎn)油缸、壓實(shí)器油缸、采棉頭升降油缸和防油缸全部工作)時，系統(tǒng)的最高工作壓力由溢流閥調(diào)定。此時，系統(tǒng)壓力超過卸荷閥的調(diào)定壓力，卸荷閥打開，單向閥關(guān)閉，使低壓大流量泵卸荷，由高壓小流量泵向液壓系統(tǒng)單獨(dú)供油，完成各項(xiàng)所需功能。當(dāng)系統(tǒng)處于負(fù)載最小工況(即只有采棉頭動力馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn))時，工作負(fù)載小，低壓大流量泵輸出油液經(jīng)單向閥5與高壓小流量定量泵合流，共同向系統(tǒng)供油，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)輕載快速運(yùn)行[11]。采棉機(jī)工作時，只有采棉頭的動力液壓馬達(dá)是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，其余壓實(shí)器液壓系統(tǒng)、翻箱液壓系統(tǒng)、采棉頭液壓升降系統(tǒng)及采棉防卡系統(tǒng)都不是一直處于工作狀態(tài)，只是在特定情況下工作。該液壓系統(tǒng)對負(fù)載的變化有良好的壓力和流量補(bǔ)償，在驅(qū)動液壓泵的電機(jī)不頻繁開啟和關(guān)閉的狀態(tài)下，使得復(fù)合泵在功率較低的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，減少了液壓系統(tǒng)的功率損耗，降低系統(tǒng)油液及液壓元件的發(fā)熱，減少了能量的損耗，延長泵和電機(jī)的使用壽命，所以這一設(shè)計原則可以最大限度地提高此液壓系統(tǒng)的效率。低壓小流量泵可以采用拖拉機(jī)本身自帶的液壓泵，這樣可以進(jìn)一步節(jié)約成本，體現(xiàn)了液壓系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性原則，也是本液壓系統(tǒng)的創(chuàng)新之處。

在棉箱翻轉(zhuǎn)過程中和壓實(shí)器油缸工作過程中，需要調(diào)節(jié)油缸的速度，且要保證棉箱翻轉(zhuǎn)速度要平穩(wěn)，因此在回油路設(shè)置單向節(jié)流閥。這樣不但可以使棉箱的翻轉(zhuǎn)速度可調(diào)、平穩(wěn)，而且節(jié)流閥可以產(chǎn)生一定的背壓，可以使得棉箱翻轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定。

棉箱的翻轉(zhuǎn)借助一對部分焊接在棉箱兩側(cè)的連桿機(jī)構(gòu)，液壓缸作為連桿機(jī)構(gòu)的原動機(jī)。在翻轉(zhuǎn)過程中，兩個液壓缸必須同時動作才能保證棉箱平穩(wěn)、可靠地按連桿曲線進(jìn)行運(yùn)動。連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架是焊接在車架上，棉箱翻轉(zhuǎn)過程中在一定程度上可以互相作用，使得兩液壓缸同步動作，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了液壓缸的同步。

為保證棉箱在翻轉(zhuǎn)過程中的安全性，在電磁閥斷電或者由于其他原因?qū)е孪到y(tǒng)壓力突然降低時，由于單向節(jié)流閥的存在，單向閥和節(jié)流閥可以保證液壓缸的有桿腔和無桿腔壓力保持一定數(shù)值，具有液壓鎖的功能，不會導(dǎo)致棉箱瞬間下降出現(xiàn)事故。

由于本采棉機(jī)主要是服務(wù)于中小型棉農(nóng)，所以此系統(tǒng)并沒有設(shè)計復(fù)雜的控制器，只是在保證成本和采摘質(zhì)量的前提下設(shè)計了液壓系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，液壓元件的控制和調(diào)節(jié)簡便、省力，未經(jīng)培訓(xùn)上崗的棉農(nóng)便可以熟練地操作。該液壓系統(tǒng)也可以很便利地實(shí)現(xiàn)電氣自動化，配合較簡單的PLC控制回路，便可以實(shí)現(xiàn)功能所需的動作要求和遠(yuǎn)程電氣控制。

圖3 動力學(xué)仿真模型

3 采棉機(jī)液壓集成塊的設(shè)計

液壓集成塊是液壓系統(tǒng)集成化的一種表現(xiàn)，就像液壓系統(tǒng)中的 “指揮臺”，控制著液壓元件之間的連接和轉(zhuǎn)換。同一個液壓系統(tǒng)采用不同形式的液壓元件，液壓集成塊的油路就會不同，其效率和響應(yīng)就會不同，所以正確的設(shè)計液壓集成塊對系統(tǒng)的影響很大。具體設(shè)計步驟如下：①確定液壓元件的形式，采用板式、管式還是插裝式；②根據(jù)液壓原理圖4初步確定各油路之間的連通方式；③對液壓元件進(jìn)行合理的布局，布置時盡量使得集成塊結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部油路連通方式簡單，減少不必要的工藝孔；④確定油孔尺寸大小[12]。

圖4 液壓集成塊原理圖

各油孔尺寸大小由下面的公式確定：

1)與閥的油口相通油孔的直徑，應(yīng)與液壓閥的油孔直徑相同。

2)與管接頭相連接的孔道，其直徑一般應(yīng)按通過的流量和允許流速，用式(1)計算確定，即

(1)

式中d——孔道的直徑[13]；

qv——液體流量(m3/s)；

v——流速(m/s)，一般按以下原則選取，壓油管路流速為5～10 m/s，吸油管路流速為1～2 m/s。

3)孔道之間壁厚用式(2)計算，即

式中d——孔道的直徑；

p——管內(nèi)最高工作壓力；

δb——管材抗拉強(qiáng)度；

n——安全系數(shù)。

對于鋼管內(nèi)壓力p<7MPa，取n=8；7MPa17.5MPa，取n=4?？组g壁厚根據(jù)經(jīng)驗(yàn)不于得小于5mm。

依照上述原則，在UG軟件中設(shè)計出模型。集成塊上集成有1個單向閥、5個電磁插裝閥、2個疊加閥、2個板式閥，共10個液壓閥，還有8個管接頭和1個測壓管接頭。液壓集成塊三維零件圖如圖5(a)所示，液壓集成塊與各液壓閥的裝配圖如圖5(b)所示。

圖5 集成塊三維模型及集成塊裝配圖

4 集成塊流固耦合分析

4.1 流體控制方程

液壓集成塊內(nèi)部流場的數(shù)值計算控制方程包括流體域的質(zhì)量守恒方程、 動量方程以及標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的k方程和ε方程，已有很多文獻(xiàn)[14-15]對其做過介紹，本文中不再詳細(xì)列出。

4.2 網(wǎng)格的劃分

運(yùn)用Ansys Workbench中的流固耦合模塊[16]，選擇采用ANSYS Workbench自動網(wǎng)格劃分功能，即可滿足使用要求，網(wǎng)格質(zhì)量也很好。本文研究的是圖2液壓系統(tǒng)最大工作壓力情況下的集成塊受力狀況。其中，電磁插裝閥都是打開狀態(tài)，電磁換向閥和單向節(jié)流閥也處于通路狀態(tài)。為了完整地仿真，該工況下用帶有流道的兩個圓柱體模擬電磁換向閥和單向節(jié)流閥的通路狀態(tài)。集成塊內(nèi)流道模型如圖6(a)所示，液壓集成塊模型如圖6(b)所示。將參數(shù)相關(guān)性中心(Relevance Center)設(shè)置為細(xì)化(Fine)，平滑度(Smoothing)設(shè)置為高(High)，跨度中心角(Span Angle Center)設(shè)置為細(xì)化(Fine)。流道網(wǎng)格數(shù)為326 516，液壓集成塊網(wǎng)格數(shù)為773 227。流道和閥體的網(wǎng)格劃分別如圖6(c)和圖6(d)所示。

圖6 閥體流道三維模型及網(wǎng)格劃分

4.3 邊界條件的設(shè)定

液壓系統(tǒng)中的油液選擇46號抗磨液壓油，運(yùn)動粘度為47，密度870kg/m3；35#鍛鋼為液壓集成塊材料，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850kg/m3。設(shè)置p口為入口速度邊界條件，v=0.2 m/s, T口為壓力邊界條件，p=16MPa。

4.4 計算結(jié)果及分析

在上述邊界條件的情況下，經(jīng)過Fluent軟件的分析及后處理可以看到如圖7所示。在進(jìn)口處的流固耦合交界面處流場的壓力較大，但整個流場壓力分布均勻并沒有產(chǎn)生很大壓力尖峰，滿足使用需要。

圖7 流道壓力云圖

經(jīng)過流固耦合分析可知：集成塊最大應(yīng)力集中在p孔附近，如圖8(a)所示；最大應(yīng)力為268.98MPa，如圖8(b)所示。

圖8 集成塊模擬結(jié)果

液壓集成塊變形量為1.176 5×10-6。35#鍛鋼通過調(diào)質(zhì)處理工藝后，力學(xué)性能可以滿足工況需要。集成塊整體應(yīng)力不高在100MPa以內(nèi)，根據(jù)這種受力情況，用ANSYS分析集成塊疲勞壽命為10萬次。由以上分析可知，此液壓集成塊結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、性能滿足系統(tǒng)的需要。

4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)所設(shè)計的液壓集成塊，加工制作了液壓集成塊，利用TC-GY04型智能化液壓伺服測控實(shí)驗(yàn)臺對液壓集成塊的工作性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖9所示。結(jié)果表明：該液壓集成塊能準(zhǔn)確地完成液壓系統(tǒng)的功能，性能良好，可以應(yīng)用在采棉機(jī)上。

圖9 液壓集成塊性能測試實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

1)該液壓系統(tǒng)能滿足采棉機(jī)的使用要求，原理簡單、安全、平穩(wěn)、有效，且可以方便地根據(jù)工作原理設(shè)計出滿足其工作性能的控制器。

2)在液壓集成塊的設(shè)計中，采用參數(shù)化的三維設(shè)計軟件UG和分析軟件ANSYS可以提高設(shè)計效率、降低設(shè)計成本，為液壓集成塊設(shè)計的可靠性提供依據(jù)。

3)采棉機(jī)械要適應(yīng)新疆棉花產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，設(shè)計出適合于新疆區(qū)情的采棉機(jī)，才能為新疆的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。