柯春鵬 丁問司

摘要：結合目前我國采棉機的發(fā)展現狀，設計一款雙排三行采棉機的液壓系統(tǒng)，并通過AMESim軟件對其中采用負載敏感液壓技術的采棉頭仿形系統(tǒng)進行仿真分析。結果表明，該采棉頭仿形系統(tǒng)在提升過程中能很好地實現速度的穩(wěn)定控制;但在速度下降過程中，下降速度隨液壓缸承受負載的增大而增大。而通過在液壓缸下腔添加平衡閥能很好地解決此問題，但須對平衡閥的設定壓力和控制比這2個主要參數進行合理設置。

關鍵詞：采棉機;液壓系統(tǒng);負載敏感系統(tǒng);平衡閥;仿真分析;AMESim

中圖分類號： TH137;S225.91+1? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）11-0170-08

收稿日期：2020-11-07

基金項目：廣東省科技計劃 （ 編號：2017B010136113）

作者簡介：柯春鵬（1995—），男，廣東湛江人，碩士研究生，主要從事液壓系統(tǒng)設計及控制相關研究。E-mail：1127148686@qq.com。

通信作者：丁問司，博士，教授，主要從事流體傳動與控制科學研究。E-mail：wsding@scut.edu.cn。

棉花是我國重要的經濟作物之一，而近年來用工難問題日益顯著，我國采棉的機械化發(fā)展迫在眉睫[1]。我國采棉機的研發(fā)始于20世紀50年代，曾研發(fā)了幾種垂直摘錠式采棉機，但由于采棉效果不好，采棉機的機械化發(fā)展被擱置。直到20世紀90年代，我國開始真正重視采棉機自主研發(fā)，貴州平水機械有限責任公司與中國農業(yè)機械化科學研究院于2002年共同研制出首臺4MZ-5大型自走式摘錠式采棉機[2]。然而，摘錠式采棉機的采棉頭結構比統(tǒng)收式采棉機復雜很多，且制造成本昂貴。為減輕我國棉農的壓力，新疆農業(yè)科學院于2009年研制出4MCS-300梳齒式棉花聯合采收機，其采凈率超過90%[3]。為進一步提高統(tǒng)收式采棉機的采凈率，本研究創(chuàng)新地提出采用雙排三行采棉機的方案，采棉作業(yè)時，前排3個采棉頭同時進行采棉工作，后排采棉頭則對前排遺漏的棉鈴進行采摘，預估采凈率達99%以上。

目前，液壓技術已被廣泛應用于農機行業(yè)中[4]，但關于采棉機液壓系統(tǒng)的研究甚少。王建潭等設計了具有可拼裝式采棉頭的采棉機，但該液壓系統(tǒng)適用范圍較窄，不適用于中大型采棉機[5]。基于此，本研究研發(fā)了一款雙排三行采棉機液壓系統(tǒng)，并對其中較重要的采棉頭仿形系統(tǒng)進行AMESim仿真分析。

1 采棉機系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 采棉機系統(tǒng)組成

本研究研發(fā)的采棉機系統(tǒng)主要由以下7個部分組成。

（1）行走系統(tǒng)：由液壓泵控制馬達來完成作業(yè)，一般采用液壓驅動方式，以實現大功率傳動及無級調速，傳動結構簡單[6]。

（2）轉向系統(tǒng)：采用前橋驅動，后橋轉向形式，由組合閥控制左右2個液壓缸實現轉向。

（3）采摘系統(tǒng)：采用雙排滾筒式軟摘錠采摘方式，摘錠由滾筒及其上面按一定方式排列的數百個鋼棒組成[7]。工作時，采棉頭滾筒帶動鋼棒從棉株根部往上對棉株進行擊打帶出棉鈴，隨著鋼棒的縮回，棉鈴被風機吹進輸棉管道內。

（4）仿形系統(tǒng)：采棉頭仿形系統(tǒng)由高度感應系統(tǒng)的4個升降液壓缸組成，其中高度感應系統(tǒng)把高度信號傳給控制器控制采棉頭升降液壓缸移動，實現仿形動作。

（5）風力輸送系統(tǒng)：采棉機風力輸送系統(tǒng)由風機、輸棉通道、操控裝置等組成。從摘錠摘下的棉花受風機正壓力進入輸棉管道內。輸棉管道內的負壓使棉花進入清雜機構，也是棉花輸送的主要動力。

（6）清花系統(tǒng)：采用氣力-機械復合式清雜方法，在風力輸棉過程中，重質雜質自行掉落完成初步清雜;而后帶有輕質雜質的棉雜混合物經過刺釘滾筒式清雜機構與鋸齒滾筒式清雜機構實現二次復合清理，可達到較好的清雜效果[8]。

（7）棉箱升降與卸棉系統(tǒng)：采棉機棉箱包括可升降外棉箱與內棉箱。在公路運輸時，內棉箱降至最低以提高采棉機的通過性。在作業(yè)時，內棉箱升高以增加棉箱容量，減少卸棉次數。棉箱底部裝有卸棉鏈耙，當采棉機卸棉時，棉箱門打開，啟動鏈耙以幫助將棉箱內的棉花卸空。

1.2 采棉機工作原理

如圖1所示，采棉機作業(yè)時，液壓泵控制馬達驅動前輪行走。行進過程中采棉頭采摘系統(tǒng)將棉鈴從棉株上摘下，再通過風力輸送系統(tǒng)把棉花送進棉箱內。同時當采棉頭離地面的高度發(fā)生變化時，仿形系統(tǒng)會使采棉頭做出相應的升降動作。在棉箱快要裝滿時，由于棉箱頂部布滿絮狀物、樹枝等，大大減弱棉花風送效果，所以啟動棉箱內的絞龍壓實機幫助棉花均勻分布，壓實棉花。待棉箱裝滿后，采棉機行駛到卸棉位置，棉箱升降系統(tǒng)與卸棉系統(tǒng)開始工作，外棉箱提升到可裝車位置后棉箱門打開，卸棉鏈耙開始工作，把棉花輸送到收棉花的車內，隨后采棉機再返回地里繼續(xù)工作。

2 采棉機液壓系統(tǒng)設計

2.1 液壓系統(tǒng)的組成及原理

如圖2所示，采棉機的液壓系統(tǒng)主要包括以下8大系統(tǒng)：行走系統(tǒng)、清花系統(tǒng)、風力輸送系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、采棉頭采摘和棉花壓實系統(tǒng)、采棉頭仿形和外棉箱升降系統(tǒng)、內棉箱升降系統(tǒng)、卸棉蛟龍和棉箱門開啟系統(tǒng)。各系統(tǒng)的組成及工作原理如下。

如圖3所示，采棉機行走系統(tǒng)采用了變量泵+定量馬達的閉式容積調速回路?？梢酝ㄟ^調節(jié)液壓泵排量或者液壓泵輸入軸轉速進而調節(jié)馬達轉速，改變行走速度。考慮到實際使用情況，行走液壓系統(tǒng)中還須添加一些實用回路。

排熱油措施：雖然閉式容積調速回路沒有可調液阻，不會引起液壓油發(fā)熱，但循環(huán)過程中液壓泵和馬達摩擦產生的能耗會使液壓油發(fā)熱， 因此須要排出熱油。即補油泵從油箱中吸入冷液壓油，通過補油閥將其壓入循環(huán)回路中低壓側。同時，沖洗梭閥使低壓側始終與背壓閥相連，排出熱油。

過載保護措施：為了防止受到過大正向或負向負載引起高壓損壞液壓元件，故在回路中加入多功能閥，包括壓力限制閥與高壓溢流閥。當系統(tǒng)壓力達到壓力限制閥的設定值時，壓力限制閥打開，高壓油通過壓力限制伺服控制缸的低壓側，減少泵的排量。高壓溢流閥相當于系統(tǒng)的二級壓力限制閥，設定壓力比壓力限制閥高，在系統(tǒng)出現瞬時壓力峰值時可短暫開啟回油，以減少溢流發(fā)熱。

故障拖車措施：采棉機發(fā)生故障后須在發(fā)動機不能啟動情況下移動到維修區(qū)修理，故要在回路中設置旁通閥。當液壓泵主軸不能旋轉時，旁通液壓馬達可解決采棉機的短距離拖車問題[9]。

清花系統(tǒng)采用變量泵+定量馬達的閉式容積調速回路，回路原理與行走系統(tǒng)基本一致，易于實現清花馬達的無級變速。

大風機系統(tǒng)也是采用變量泵+定量馬達的閉式容積調速回路，基本原理與行走系統(tǒng)、清花系統(tǒng)一致。

轉向系統(tǒng)采用的是閉芯無負載反應的負載傳感全液壓轉向系統(tǒng)。液壓泵的液壓油經過優(yōu)先閥、方向控制閥，再通過轉向器控制2個單桿活塞缸運動，進而驅動轉向機構運動，實現車輪轉向。同時在回路中設置了蓄能器及防過載溢流閥。

如圖4所示，采棉頭采摘、棉花壓實系統(tǒng)系統(tǒng)由負載敏感變量泵、負載敏感液壓閥組、采棉頭馬達和絞龍馬達等組成。其原理參考丹佛斯（Danfoss）的PVG32 閥組[10]。

采棉頭仿形、外棉箱升降系統(tǒng)由負載敏感變量泵、負載敏感閥組、雙向液壓鎖和采棉頭升降油缸、外棉箱升降油缸組成。工作原理與采摘系統(tǒng)類似?？紤]到升降油缸在負載重力作用下會由于油液從液壓缸內徑與缸筒間隙泄露而自動伸出，故添加了雙向液壓鎖?？梢試烂芊忾]液壓缸兩腔的油液，防止活塞因外力作用而產生移動。

內棉箱升降系統(tǒng)由變量泵、三位四通換向閥、雙通道單向節(jié)流閥、液控單向閥、液壓缸等組成。其中3個液壓缸須同時運動，以防止升降過程中出現卡死現象。液控單向閥接于液壓缸下腔的回路，可以防止液壓缸在重力負載作用下引起下滑。雙通道單向節(jié)流閥可以使液壓缸回油腔始終與節(jié)流閥相連，屬于出口節(jié)流回路，在負載波動時，使液壓缸運動較平緩。

卸棉絞龍、棉箱門開啟系統(tǒng)由變量泵、二位三通換向閥、三位四通換向閥、雙向液壓鎖、雙通道單向節(jié)流閥和液壓缸等組成。其中三位四通換向閥用于液壓缸與馬達的各自換向，而二位三通換向閥用于同時換向。

2.2 液壓系統(tǒng)的特點

行走系統(tǒng)、清花系統(tǒng)以及風力輸送系統(tǒng)為變量泵控制的定量馬達閉式容積回路，其余液壓系統(tǒng)為開式回路。這樣設計是考慮到閉式回路可輕易實現雙向運動，對于須雙向運動的馬達，若依靠馬達換向會經過排量為0的點，而此時馬達的理論轉速無窮大[11]。而對于液阻控制回路，若采用閉式回路，參與工作的液壓油體積較小，熱容量較小，容易升溫和降溫，所以對于發(fā)熱較多的液阻控制回路，宜采用開式回路。

采棉頭采摘和棉箱壓實系統(tǒng)、副棉箱升降系統(tǒng)、卸棉絞龍、棉箱門開啟系統(tǒng)采用同一液壓源，屬于單泵多執(zhí)行器的簡單液阻液壓控制回路。其中副棉箱升降油缸在采摘作業(yè)前及卸棉后工作，而采棉頭采摘馬達和壓實絞龍馬達在采棉機作業(yè)過程中將同時工作，棉箱門油缸及卸棉絞龍馬達在卸棉過程中工作，且棉箱門開啟完成后卸棉絞龍才開始工作。這幾個系統(tǒng)的工作互不干擾，采用同一液壓源可減少能耗，節(jié)約運行成本[12]。

采棉頭仿形、主棉箱升降系統(tǒng)采用1個負載敏感泵和負載敏感閥組，屬于單泵多執(zhí)行器的負載敏感回路。負載敏感泵只產生液壓缸動作所需流量，體現了節(jié)能的優(yōu)點。且壓力補償閥可保證比例伺服閥的壓差恒定，每個工作模塊的流量只與比例伺服閥開度有關，可實現穩(wěn)定控制。

3 液壓系統(tǒng)仿真分析

對此液壓系統(tǒng)中比較重要的采棉頭仿形系統(tǒng)進行仿真分析。采棉機設計了前后2排各3個，共計6個采棉頭，采棉頭仿形液壓系統(tǒng)有4個液壓缸，前排與后排采棉頭各用2個液壓缸來實現采棉頭的提升與下降。

3.1 仿真模型建立

帶有負載感應功能的采棉頭仿形系統(tǒng)主要由5個部分組成，分別為具有負載感應和壓力補償功能的可變排量泵（區(qū)域1）、局部壓力補償閥（區(qū)域2）、負載感應方向控制閥（區(qū)域3）、防震和防氣蝕閥（區(qū)域4）、平衡閥（區(qū)域5）（圖5），搭建該模型使用了標準液壓庫、信號庫和平面機械庫等。

3.2 仿真參數設置

本研究所有原件都直接采用系統(tǒng)默認子模型，仿真時長設置10 s，步長0.01 s。當圖6中k信號取值為1，表示平衡閥不起作用;k信號取值為0則現穩(wěn)定控制（采棉頭運動速度只與液壓比例伺服閥開度有關，而與負載大小、方向無關[13]）。通過批處理方法進行控制變量研究（表5），其中處理1、處理2、平衡閥起作用。相關原件參數如表1、表2、表3、表4所示，HYDCONLSPCO、HYDLPCO、HYDSVLSO均表示閥的AMESim模型名稱。

3.3 仿真結果分析

為了驗證該負載敏感采棉頭仿形系統(tǒng)能夠實處理3研究液壓比例伺服閥開度對采棉頭運動速度的影響，而處理3、處理4、處理5研究負載質量對采棉頭運動速度的影響。如圖6所示，仿真時長10 s，前排采棉頭在0.5～5.0 s從底部提升，然后5.0～9.5 s從頂部下降。后排采棉頭由于與前排采棉頭有一定距離，所以比前排采棉頭動作慢0.5 s。

如圖7所示，隨著伺服閥開度的增大，采棉頭升降速度隨之增大;在提升過程中（模擬的前5 s），負載質量對穩(wěn)定的采棉頭速度沒有影響。 因此， 在舉

升過程中，采棉頭通過調整活塞腔中的壓力維持正常工作，從而獨立于負載質量以具有相同的舉升速度。但在下降階段，由于承受的是負值負載，負載決定了背壓腔的壓力，排出背壓腔的流量決定了運動速度[14];所以隨著負載質量的增加，采棉頭下降速度隨之增加，此時負載敏感系統(tǒng)沒有起到穩(wěn)定控制的作用。

為了使得采棉頭在下降受到負值負載的情況下仍然能夠保持流量的恒定，實現精確控制，本研究在液壓缸的下腔添加了平衡閥。平衡閥是為了滿足作業(yè)中負載保持功能、下降減速功能、溢流功能、低液阻上升等[15]功能。所以，平衡閥對于要承受負值負載的系統(tǒng)具有重要的意義，了解平衡閥的各項參數對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也有很大作用。

平衡閥模型及工作原理如圖8所示。平衡閥把液壓缸的上腔壓力作為控制壓力，利用這一端口壓力的變化來控制節(jié)流口的開啟量。因為液壓缸上腔的壓力取決于進入該腔的流量與活塞實際下降所需的流量之差。所以當負載下降太快時，液壓缸上腔需要的流量大于進入流量，壓力會降低，就會關小平衡閥節(jié)流口，從而降低液壓缸下腔的流量，以通過控制輸入上腔的流量來控制下降速度。

平衡閥較重要的參數是設定壓力和控制比。設定壓力是閥門開始打開的壓力，控制比是控制壓力與負載口壓力的作用面積之比。這2個參數的相關方程計算公式如下：

力平衡方程式：

F+PB+SB=PASA。（1）

平衡閥開啟條件：

PA+PBKC>PS。（2）

結合公式（1）、公式（2）得：

PB>（PS-PF）/（KC+KA）。（3）

式中：F表示負載力;PA 表示負載口壓力;PB表示控制口壓力;PF表示負載壓力，即PF=F/SA;PS表示設定壓力;SA表示活塞面積;SB表示有桿腔環(huán)形面積;KA表示液壓缸無桿腔與有桿腔面積比;KC表示控制比。

由公式（3）可以看出，設定壓力越高，負載壓力越低，控制比越小，則需要控制壓力越高。由于負載壓力不受平衡閥控制，所以通過調節(jié)合適的設定壓力與控制比使采棉頭穩(wěn)定運行至關重要。

在采棉頭提升過程測得無桿腔穩(wěn)定壓力為180 MPa，考慮到1.15的安全系數[16]，算得壓力為207 MPa，取設定壓力為210 MPa。設置k信號值為1，平衡閥設定壓力為210 MPa，控制比設置為0.5、1.0、2.0進行批處理仿真，得到圖9。該曲線表明較高控制比導致更多的振蕩，當工作中負載振幅變化較大時，優(yōu)先使用低控制比。

因此，本系統(tǒng)的平衡閥參數設置如下：壓力為210 MPa，控制比為0.5。對添加了平衡閥作用的采棉頭仿形系統(tǒng)進行表5所示的批處理仿真分析，得到圖10?？梢钥闯觯胶忾y僅在采棉頭下降過程中才會打開，實現了下降減速功能。使采棉頭下降時獨立于負載質量而具有相同的穩(wěn)定下降速度。在上升過程中，液壓油流經單向閥實現低液阻上升功能。

4 結論

（1）本研究設計的液壓系統(tǒng)能很好地滿足采棉機的各項功能要求，原理簡單，安全可靠。且設計了雙排采棉頭采摘的方案，把采棉機的采凈率提高到最大。

（2）該采棉機的采棉頭仿形系統(tǒng)采用負載敏感系統(tǒng)，負載感應變量泵只提供液壓缸需要的流量，比其他調速回路效率高，具有節(jié)能的優(yōu)點。而且由于通過伺服閥的壓差保持恒定，系統(tǒng)流量只與伺服閥開度有關，具有穩(wěn)定控制的優(yōu)點。

（3）用AMESim軟件對采棉機采棉頭仿形系統(tǒng)進行仿真分析，發(fā)現在采棉頭下降過程中通過液壓缸的流量不能實現穩(wěn)定控制，通過在液壓缸下腔添加平衡閥很好地解決該問題。同時對平衡閥某些重要參數對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進行了研究，發(fā)現較

高的控制比導致更多的振蕩和更少的馬達能量消耗，當工作中負載振幅變化較大時，優(yōu)先使用低控制比。

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