張振華，李瑞川,2，楊俊茹，徐繼康,4，劉延俊

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東五征集團(tuán)有限公司，山東 日照 276800；3.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；4.日照海卓液壓有限公司，山東 日照 276800)

0 引言

作為田間耕作的重要一部分，農(nóng)用拖拉機(jī)工作效率對(duì)田間耕作的收益有著重要影響，因此提高農(nóng)用拖拉機(jī)的整體性能十分必要的[1]。相應(yīng)地，液壓系統(tǒng)作為大型拖拉機(jī)重要組成部分之一，其性能直接影響拖拉機(jī)整體性能[2]。在能源消耗日益增大的今天，對(duì)于大型行走機(jī)械的利用，既要保證工作效率，也要兼顧節(jié)能[3]?，F(xiàn)在一些高端的大型拖拉機(jī)后懸掛液壓提升系統(tǒng)已經(jīng)采用了負(fù)載敏感技術(shù)，具有出色的節(jié)能性[4]。另外，AMESim為流體、機(jī)械等工程系統(tǒng)提供了一個(gè)完善的仿真系統(tǒng)，且界面友好易操作[5]。

我國對(duì)大型拖拉機(jī)液壓提升系統(tǒng)的研究仍處于起步階段，且目前的一些研究大多數(shù)是理論研究，并未形成實(shí)用化的成果[6-8]。為此，對(duì)大型拖拉機(jī)負(fù)載敏感后懸掛液壓提升系統(tǒng)進(jìn)行了建模及仿真分析，使模型能夠真實(shí)模擬拖拉機(jī)液壓提升系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用，同時(shí)驗(yàn)證負(fù)載敏感系統(tǒng)的節(jié)能性。

1 犁深控制閥建模仿真分析

1.1 犁深控制閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

大型拖拉機(jī)后懸掛液壓犁深控制閥原理如圖1所示。圖1中，當(dāng)提升控制閥2通電時(shí)，從變量泵流出的壓力油經(jīng)P口進(jìn)入犁深控制閥，流經(jīng)壓力補(bǔ)償閥、提升閥、單向閥到油口A，油口A為犁深控制閥的出油口，和提升缸的無桿腔連接；當(dāng)下降控制閥通電時(shí)，下降控制閥打開，液壓缸中的液壓油受耕犁及其后懸掛的重力作用，經(jīng)下降控制閥流回油箱。

1.三通壓力補(bǔ)償器 2.提升控制閥 3.單向閥 4.下降控制閥 5.單向節(jié)流閥 6.溢流閥 7.梭閥

1.2 提升控制閥仿真模型建立及分析

在大型拖拉機(jī)犁深控制閥中，提升閥和下降閥均由先導(dǎo)閥和主閥兩部分構(gòu)成，實(shí)質(zhì)上是兩位兩通的插裝式換向閥[9]。提升控制閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

利用AMESim的HCD模塊對(duì)比例提升閥建立仿真模型，進(jìn)油口接恒壓源，大小為20MPa，出油口接油箱，如圖3所示。電信號(hào)由力信號(hào)轉(zhuǎn)換器來模擬，根據(jù)輸入控制信號(hào)的大小輸出相應(yīng)大小的力，來克服彈簧預(yù)緊力，使先導(dǎo)閥芯運(yùn)動(dòng)。

1.閥體 2.先導(dǎo)閥芯 3.比例電磁鐵 4.主閥芯 5.彈簧

圖3 比例提升閥HCD模型

比例提升閥出口流量曲線如圖4所示。圖4中，在3.6s時(shí)，閥芯克服彈簧力發(fā)生位移，主閥芯打開，比例提升閥工作，油液通過，曲線和提升閥實(shí)際工作情況一致。

圖4 比例提升閥出口流量曲線

1.3 三通壓力補(bǔ)償閥仿真模型建立及分析

圖5為三通壓力補(bǔ)償閥結(jié)構(gòu)。其主要作用是補(bǔ)償提升閥的前后壓力差，使液壓缸活塞上升過程中進(jìn)入液壓缸的流量保持穩(wěn)定，且液壓缸活塞提升速度不因負(fù)載的變化而發(fā)生速度波動(dòng)。利用AMESim中HCD模塊(見圖6)對(duì)三通壓力補(bǔ)償器進(jìn)行建模，并用一個(gè)20MPa的恒壓源和一個(gè)額定壓力為30MPa的比例溢流閥測(cè)試三通壓力補(bǔ)償閥。節(jié)流閥壓差設(shè)定為2MPa，進(jìn)行運(yùn)行仿真。

圖5 三通壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

圖6 三通壓力補(bǔ)償器HCD模型

節(jié)流閥前后壓差圖如圖7所示。

圖7 節(jié)流閥前后壓差圖

圖7中，節(jié)流閥前后壓差恒為2MPa，所以可以保證液壓缸活塞上升過程中速度的穩(wěn)定性，由此驗(yàn)證了三通壓力補(bǔ)償閥的模型的正確性。

2 負(fù)載敏感變量柱塞泵建模分析

2.1 負(fù)載敏感變量柱塞泵結(jié)構(gòu)及原理

負(fù)載敏感技術(shù)是一種新型的帶有壓力反饋的閉環(huán)控制方法。液壓系統(tǒng)能將負(fù)載所需壓力通過壓力反饋回路使壓力油進(jìn)入敏感控制閥和變量泵控制機(jī)構(gòu)的敏感腔，進(jìn)而使變量泵的排量發(fā)生變化，使泵出口的壓力參量隨負(fù)載壓力變化而改變，并向系統(tǒng)提供負(fù)載所需的液壓功率，可以降低功耗[10]。

負(fù)載敏感系統(tǒng)原理圖如圖8所示。圖8中，P口為系統(tǒng)工作供油口，LS口為負(fù)載壓力反饋油口，負(fù)載壓力為PL,泵出口壓力為Pp，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開口大小來為負(fù)載提供流量。無工作狀態(tài)下，LS閥的受力平衡方程為

(PP-PL)A=FS

式中PP—變量泵出口壓力；

PL—負(fù)載壓力；

A—LS閥的閥芯面積；

FS—閥芯的作用力。

1.變量泵 2.彈簧腔 3.變量缸敏感腔 4.LS閥 5.壓力切斷閥 6.可變節(jié)流閥

當(dāng)節(jié)流閥開口面積增大(即負(fù)載的需求增大)時(shí)，泵的輸出流量小于負(fù)載需要的流量，可變節(jié)流閥兩側(cè)的壓差ΔP=PP-PL減小，即(PP-PL)A≤FS，LS閥芯左移，系統(tǒng)壓力仍然達(dá)不到壓力切斷閥的壓力；切斷壓力閥位于左位工作狀態(tài)，變量缸閥芯右端與油箱相通，斜盤上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩差，使變量斜盤角增大，泵的流量增大，直到滿足負(fù)載所需流量。相反情況下，斜盤角減小，泵流量減小。當(dāng)系統(tǒng)壓力過大時(shí)，壓力切斷閥閥芯右移，壓力油進(jìn)入無桿腔，變量泵排量減小，直至滿足要求。

2.2 負(fù)載敏感變量柱塞泵建模建立及分析

利用AMESim軟件的HCD模塊對(duì)負(fù)載敏感變量柱塞泵進(jìn)行建模，如圖9所示。為了驗(yàn)證模型建立的正確性及實(shí)現(xiàn)后續(xù)的仿真研究和動(dòng)態(tài)性能分析，在AMESim中用一個(gè)用施加外部信號(hào)的比例溢流閥來測(cè)試負(fù)載敏感回路。設(shè)定變量泵排量為75mL/r,轉(zhuǎn)速為 2 000r/min，壓力切斷閥設(shè)定壓力為30MPa。節(jié)流口半開，比例溢流閥信號(hào)設(shè)置兩組數(shù)據(jù)，分別設(shè)定為0～5s內(nèi)恒定值100mA和0～5s內(nèi)從0mA升到最大值200mA,仿真得到兩種狀態(tài)下泵出口流量曲線和負(fù)載和泵出口壓力曲線，如圖10、圖11所示。

圖9 負(fù)載敏感變量柱塞泵

圖10 泵出口流量曲線

圖11 負(fù)載和泵壓力曲線

由圖10、圖11可得出結(jié)論：當(dāng)負(fù)載壓力不變或者增大時(shí)，泵輸出流量基本穩(wěn)定；當(dāng)超過壓力切斷閥設(shè)定壓力時(shí)，泵輸出流量減小到幾乎為零；在變量泵穩(wěn)定工作時(shí)，泵出口壓力與負(fù)載壓力保持恒定的壓差。根據(jù)曲線可知，AMESim仿真結(jié)果和變量泵實(shí)際工作情況基本一致。

3 仿真模型建立及分析

根據(jù)大型拖拉機(jī)后懸掛液壓系統(tǒng)原理，利用AMESim可將犁深控制閥主要組成部分進(jìn)行搭建連接，建立拖拉機(jī)后懸掛液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖 12所示。質(zhì)量塊M表示后懸掛總質(zhì)量，在質(zhì)量塊上施加一個(gè)外力信號(hào)，代表土壤阻力。設(shè)置仿真時(shí)間為10s，分別在2s和5s時(shí)給比例提升閥和比例下降閥施加信號(hào)。在仿真過程中，給液壓缸施加一個(gè)隨機(jī)的力信號(hào)來模擬真實(shí)情況下的土壤阻力。運(yùn)行仿真結(jié)果如圖13～圖15所示。

圖12 拖拉機(jī)后懸掛液壓提升系統(tǒng)HCD模型

圖13 系統(tǒng)流量曲線

圖14 系統(tǒng)壓力曲線

圖15 懸架提升位移曲線

由圖13～圖15可以看出：當(dāng)提升控制閥打開時(shí)，在經(jīng)過1個(gè)短暫的延遲后，變量柱塞泵出口流量迅速增大，系統(tǒng)壓力隨之增大，液壓缸活塞向上運(yùn)行；當(dāng)下降控制閥通電打開時(shí)，提升控制閥關(guān)閉，液壓缸活塞受重力作用下降，系統(tǒng)壓力減小。另外，雖然受土壤阻力影響，但液壓缸活塞在運(yùn)行過程中，速度保持穩(wěn)定。在提升控制閥關(guān)閉的時(shí)候，負(fù)載敏感系統(tǒng)LS閥中(PP-PL)A>FS, LS閥芯右移，壓力油進(jìn)入負(fù)載敏感泵無桿腔，使變量泵排量迅速減小至僅維持泄露，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4 結(jié)論

通過對(duì)大型拖拉機(jī)后懸掛液壓系統(tǒng)的研究，利用AMESim中的HCD模塊對(duì)大型拖拉機(jī)后懸掛犁深控制閥和負(fù)載敏感系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，對(duì)后懸掛液壓提升的工作過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：當(dāng)大型拖拉機(jī)后懸掛應(yīng)用負(fù)載敏感系統(tǒng)時(shí)，可以減小能源的浪費(fèi)；當(dāng)工作系統(tǒng)的負(fù)載需求改變時(shí)，通過負(fù)載敏感泵可以順利地完成調(diào)節(jié)工作，節(jié)約了人力。仿真結(jié)果符合實(shí)際情況下拖拉機(jī)工作狀態(tài)，為后續(xù)基于AMESim/Simulink力位綜合控制耕深研究提供了仿真模型。