吳林峰，劉亮亮

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基于AMESim旋耕機耕深控制研究

吳林峰，劉亮亮

（華北水利水電大學(xué)機械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

旋耕機作為重要的耕整機械在用于田間作業(yè)時，控制其耕深穩(wěn)定是提高耕作質(zhì)量的重要措施之一。對旋耕機耕深控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，通過仿真AMESim旋耕機典型工況下動力學(xué)特性，結(jié)果表明：旋耕機的旋耕作業(yè)需要花費1.8s的時間，來完成液壓缸活塞桿位移變化，將旋耕深度穩(wěn)定在158毫米，系統(tǒng)響應(yīng)特性十分優(yōu)異。

旋耕機；液壓系統(tǒng)；耕深控制；AMESim仿真

1 緒論

耕整地機械在我國現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中是最重要的生產(chǎn)工具，它在我國被廣泛應(yīng)用和普及，隨著耕整機械的大范圍應(yīng)用逐漸的改善了我國傳統(tǒng)的農(nóng)耕方式[1-3]。旋耕機作為重要的耕整機械，用于田間作業(yè)時，控制其耕深穩(wěn)定是提高耕作質(zhì)量的重要措施之一。

文章選擇以某型旋耕機液壓驅(qū)動的旋耕部件作為核心研究對象，旨在深入研究液壓在旋耕部件懸掛與驅(qū)動刀軸旋轉(zhuǎn)方面的應(yīng)用，深入探討機電液在旋耕機耕作深度控制方面的核心技術(shù)。擬采用對電液比例換向閥的輸入電信號值的控制，達(dá)到調(diào)節(jié)流經(jīng)換向閥口的流量，實現(xiàn)對液壓缸的活塞伸出位移（耕深）的控制。

2 旋耕機耕深控制系統(tǒng)分析

該旋耕機驅(qū)動液壓系統(tǒng)核心功能是完成旋耕機耕深控制，同時考慮到農(nóng)田土壤中包含的樹根、石塊等雜物會造成旋耕機負(fù)載發(fā)生突變，該液壓系統(tǒng)也要起到對旋耕機各部件進(jìn)行過載保護(hù)的功用，液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示：

如圖1所示，旋耕機液壓系統(tǒng)組成由泵3、馬達(dá)10、液壓缸8等元件組成，泵3產(chǎn)生高壓油液，一路經(jīng)過二位四通電磁換向閥11流入液壓馬達(dá)10，帶動旋耕刀軸旋轉(zhuǎn)，完成田間旋耕作業(yè)；另一路高壓油液經(jīng)過三位四通電磁換向閥5流入液壓缸8，實現(xiàn)液壓缸活塞的伸縮運動，帶動與之鉸接的懸架9動作，改變懸架9水平傾角，旋耕刀軸安裝在懸架9末端，實現(xiàn)刀軸的豎直方向的移動，從而實現(xiàn)耕深的控制。

圖1 旋耕機驅(qū)動旋耕部件液壓系統(tǒng)原理圖

3 基于AMESim的旋耕機液壓執(zhí)行系統(tǒng)建模與仿真

依照前文所涉及的旋耕機液壓執(zhí)行系統(tǒng)模型，借助AMESim軟件搭建系統(tǒng)仿真模型，選取典型的旋耕機耕作模式，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

圖2 旋耕機液壓驅(qū)動系統(tǒng)AMESim仿真模型

依照前文第2章所建立的旋耕機驅(qū)動旋耕部件液壓原理圖，在AMESim仿真軟件中搭建仿真模型如圖2所示，在負(fù)載模型的設(shè)計中采用MECFR1R0A旋轉(zhuǎn)庫侖或粘滯摩擦模型來模擬負(fù)載摩擦扭矩，同時采用RL04旋轉(zhuǎn)負(fù)載模型模擬粘性摩擦扭矩。

3.1 系統(tǒng)AMESim仿真模型的建立

部分主要液壓元件的仿真參數(shù)設(shè)置列于下表1中。

表1 旋耕機液壓驅(qū)動系統(tǒng)AMESim模型部分參數(shù)表

3.2 旋耕機工作狀態(tài)系統(tǒng)仿真分析

典型的旋耕機耕作模式下，模擬機手操作旋耕機使旋耕部件從耕深100mm緩慢增加到158mm并穩(wěn)定旋耕作業(yè)狀態(tài)，根據(jù)旋耕深度與液壓缸活塞桿伸縮位移值之間的幾何關(guān)系可知，液壓缸的位移值需從35毫米變化到10毫米。

運行仿真時，用AMESim軟件中的信號源給電液換向閥輸入電位信號，來控制電液換向閥閥口的開度大小，從而控制流入懸掛液壓缸無桿腔的流量，達(dá)到控制旋耕機耕深量的大小。依照前文對液壓缸伸出位移與耕深量之間的換算關(guān)系得電液換向閥電位信號如圖3所示。

圖3 工況2電液換向閥電位信號

3.3 仿真結(jié)果分析

旋耕機耕深控制核心執(zhí)行機構(gòu)液壓缸相關(guān)仿真結(jié)果如圖4所示。圖中Graph1- Graph4分別表示：工作時遇到根據(jù)田間土壤條件的變化而改變耕作深度時，懸掛液壓缸無桿腔進(jìn)油流量、懸掛液壓缸有桿腔回油流量、無桿腔進(jìn)油壓力以及液壓缸伸出位移（耕深量）。圖中流量出現(xiàn)負(fù)值情況是油液實際流動方向與AMESim軟件中所假設(shè)的流量正方向相反所導(dǎo)致。

圖4 液壓缸仿真結(jié)果圖

由上圖可知，完成工況2，設(shè)置旋耕刀從旋耕深度值為100毫米變化到158毫米時，驅(qū)動旋耕機旋耕部件的液壓系統(tǒng)變化到穩(wěn)定的狀態(tài)需耗時1.8s。因此旋耕機的旋耕作業(yè)需要花費1.8s的時間，來完成液壓缸活塞桿位移變化，將旋耕深度穩(wěn)定在158毫米，系統(tǒng)響應(yīng)特性十分優(yōu)異。

4 結(jié)論

對旋耕機耕深控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，通過仿真旋耕機典型工況下動力學(xué)特性，結(jié)果表明：旋耕機的旋耕作業(yè)需要花費1.8s的時間，來完成液壓缸活塞桿位移變化，將旋耕深度穩(wěn)定在158毫米，系統(tǒng)響應(yīng)特性十分優(yōu)異。

[1] 何新如,孟祥雨,趙麗萍.耕整地機械發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].山東農(nóng)機化,2014(6):24-25.

[2] 高蕾.棚室電動旋耕機自動控制系統(tǒng)設(shè)計[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

[3] 李博.微耕機耕深自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].2015.

Research on tillage depth control based on AMESim rotary tiller

Wu Linfeng, Liu Liangliang

( School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electrical Power, Henan Zhengzhou 450045 )

As an important tillage machine,rotary tiller is used in field operations.The stability of tillagedepth controlis one of the important measures to improve the quality of farming. The tillage depth control system of the rotary tiller was analyzed. The dynamic characteristics of the rotary tiller under typical working conditions were simulated. The results show that the rotary tiller of the rotary tiller takes 1.8 seconds to complete the piston rod displacement of the hydraulic cylinder. The change, the depth of the rotary tillage is stabilized at 158 mm, and the system response characteristics are excellent.

Rotary tiller; Hydraulic system; Tillage depth control; AMESim simulation

U462

A

1671-7988(2019)09-75-02

U462

A

1671-7988(2019)09-75-02

吳林峰，就讀于華北水利水電大學(xué)機械學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.025