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        變直徑圓捆打捆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

        2022-06-16 07:15:16鄧海龍王成軍
        南方農(nóng)機(jī) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:打捆機(jī)曲線圖液壓缸

        鄧海龍 , 王成軍 , 韓 錳

        (1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院,安徽 淮南 232001)

        0 引言

        打捆機(jī)回收秸稈效率高、損失小,且投入成本較低,更容易推廣,是目前應(yīng)用最廣的秸稈回收機(jī)具[1]。圓捆機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用而被廣泛應(yīng)用,但圓捆機(jī)形成草捆的直徑受到壓捆室體積的限制。國(guó)內(nèi)外對(duì)這一問(wèn)題的研究較少,馬斯奇奧(青島)農(nóng)機(jī)制造有限公司[2]在中國(guó)農(nóng)機(jī)展上展示了一種依靠高強(qiáng)度膠帶改變草捆直徑的圓捆機(jī);韓錳等[3]針對(duì)圓捆打捆機(jī)需要換機(jī)才能形成不同直徑草捆的問(wèn)題,基于TRIZ 理論設(shè)計(jì)了一種依靠液壓系統(tǒng)移動(dòng)鋼輥改變壓捆室大小的打捆機(jī)。打捆機(jī)工作存在時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度高、環(huán)境差等問(wèn)題,高強(qiáng)度膠帶需要較大的張緊力,且容易受熱變形,導(dǎo)致使用壽命較短[4];而液壓系統(tǒng)體積小、剛度大、反應(yīng)速度快,循環(huán)使用的情況下并不影響液壓系統(tǒng)的整體性能。因此,采用液壓系統(tǒng)的變直徑圓捆打捆機(jī)擁有更大的發(fā)展?jié)摿εc空間。

        本文根據(jù)變直徑圓捆打捆機(jī)的實(shí)際工作要求與特點(diǎn),改進(jìn)打捆機(jī)壓捆機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)液壓回路,計(jì)算液壓元件,通過(guò)AMESim 建立液壓系統(tǒng)模型,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的合理性。

        1 工作原理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        1.1 工作原理

        秸稈在通過(guò)輸送輥送入壓捆室的同時(shí)鏈條拖動(dòng)壓輥,使所有鋼輥按照相同的方向同速旋轉(zhuǎn)。鋼輥的旋轉(zhuǎn)使秸稈形成一個(gè)草芯,隨著越來(lái)越多的秸稈進(jìn)入壓捆室并不斷地旋轉(zhuǎn)逐漸形成圓形草捆。壓捆室側(cè)面的液壓缸通過(guò)螺栓與鋼輥連接控制壓捆室大小,當(dāng)草捆達(dá)到規(guī)定直徑或當(dāng)草捆的直徑增大到壓捆室最大直徑時(shí),覆膜后打開(kāi)壓捆室放出草捆。

        1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        變直徑圓捆打捆機(jī)包括撿拾、喂入、壓捆機(jī)構(gòu),其中壓捆機(jī)構(gòu)包含前液壓缸、輸送輥、后液壓缸、鋼輥等,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 打捆機(jī)壓捆機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

        液壓缸活塞與鋼輥同軸布置,液壓缸負(fù)載較大,容易產(chǎn)生突變載荷,使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生較大的壓力及流量沖擊。且壓捆機(jī)構(gòu)需使用22 個(gè)液壓缸,數(shù)量多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不利于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

        將液壓缸與鋼輥通過(guò)連桿連接,采用一個(gè)液壓缸連接兩個(gè)鋼棍,可降低液壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度,提高效率,降低成本。改進(jìn)后的壓捆機(jī)構(gòu)如圖2 所示,工作時(shí)前液壓缸伸出,無(wú)桿腔為工作腔;后液壓缸縮回,有桿腔為工作腔。

        圖2 改進(jìn)后打捆機(jī)壓捆機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

        2 液壓回路的設(shè)計(jì)

        2.1 負(fù)載分析

        草芯是保證圓捆機(jī)順利打捆的關(guān)鍵,對(duì)后續(xù)喂入秸稈有較大的牽帶作用。草芯形成過(guò)程中,主要依靠鋼輥對(duì)秸稈的摩擦力及后續(xù)喂入秸稈的推動(dòng)力,此時(shí)草捆對(duì)鋼輥有重力無(wú)張力。成型草捆由外向內(nèi)密度逐漸減??;草捆充實(shí)階段,草捆對(duì)鋼輥無(wú)張力,卷捆所需扭矩緩慢增加;草捆卷壓階段,草捆對(duì)壓輥的張力開(kāi)始出現(xiàn)并呈現(xiàn)緩慢增加后快速上升的趨勢(shì)。其中,前壓捆室液壓缸提供推力,后壓捆室液壓缸提供拉力。

        2.2 液壓系統(tǒng)原理圖

        在打捆機(jī)工作過(guò)程中要求活塞桿具有相同的速度與位移。由于同一鋼輥上的液壓缸負(fù)載、運(yùn)動(dòng)方向和位移相同,可采用剛性同步回路[5-6],如圖3(a)所示。草捆對(duì)鋼輥的壓力是均勻分布的,當(dāng)液壓缸活塞位置不同時(shí),位移大的活塞會(huì)承受更大的載荷,使兩液壓缸活塞處于相同位置。

        圖3 液壓系統(tǒng)回路

        鋼輥由單活塞桿雙作用液壓缸驅(qū)動(dòng),一端有活塞伸出,另一端沒(méi)有活塞,使得液壓缸兩腔有效作用面積不相等。

        當(dāng)工作腔為無(wú)桿腔時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度v1(m/s)和推力F1(N)分別為:

        當(dāng)工作腔為有桿腔時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度v2(m/s)和推力F2(N)分別為:

        式中,q為進(jìn)入液壓缸的流量;D、d分別為液壓缸活塞內(nèi)徑、活塞桿直徑(mm);p1為主工作腔壓力(MPa),農(nóng)業(yè)機(jī)械選擇壓力10 MPa~16 MPa;p2為回油腔壓力(MPa),計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)。

        根據(jù)上式可知,在流量相等的情況下,由于面積A1>A2,所以速度v1<v2,輸出力F1>F2。

        不同鋼輥上的液壓缸,尤其是前后液壓缸,其負(fù)載不同,流量也不同。為保證前后液壓缸在工作時(shí)速度相同,課題組采用節(jié)流調(diào)速回路,使用流量控制閥控制進(jìn)入液壓缸的流量,如圖3(b)所示。

        3 液壓系統(tǒng)的計(jì)算

        變直徑圓捆打捆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

        表1 主要技術(shù)參數(shù)

        3.1 液壓缸的計(jì)算

        液壓缸的負(fù)載力在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是變化的,設(shè)計(jì)中只需考慮最大負(fù)載力。最大負(fù)載發(fā)生在草捆直徑最大時(shí)的后液壓桿上,后液壓缸有桿腔為工作腔。鋼輥主要承受草捆的重力與張力[7],張力是對(duì)壓輥的徑向力,而重力可分解為對(duì)壓輥的徑向力與圓周力,計(jì)算時(shí)只需考慮鋼輥所受的徑向力G,液壓缸與壓輥受力圖如圖4 所示。式中,m為草捆的質(zhì)量(kg);α為重力與徑向力的夾角(°);R為草捆張力(N)。

        圖4 液壓缸與壓輥受力圖

        由此可得液壓缸負(fù)載:

        式中,β為壓捆室與鋼輥中心點(diǎn)連線和液壓缸軸線的夾角。

        由有桿腔為工作腔可得:

        式中,A1=πD2/4,即無(wú)桿腔活塞的有效面積(m2);A2=π(D2-d2)/4,即有桿腔活塞的有效面積(m2);Fmax為液壓缸的最大負(fù)載力(N);ηcm為液壓缸機(jī)械效率,一般取0.90~0.97。

        3.2 液壓泵的計(jì)算

        液壓泵的主要參數(shù)是泵的最大壓力和最大流量[8]。

        1)泵的最大壓力取決于執(zhí)行原件的最大工作壓力,即:

        式中,p1=25 MPa,即液壓缸的最大工作壓力(MPa);∑Δp=0.5 MPa,即系統(tǒng)進(jìn)油路上的總壓力損失(MPa)。

        2)對(duì)于多個(gè)液壓缸同時(shí)動(dòng)作的系統(tǒng),液壓缸的最大流量應(yīng)為:

        式中,qV為系統(tǒng)所需流量;K 為系統(tǒng)的泄露系數(shù),一般取為同時(shí)動(dòng)作的液壓缸的最大總流量(m3/s)。

        此液壓系統(tǒng)共12 個(gè)液壓缸,其中包括4 個(gè)前液壓缸,8 個(gè)后液壓缸,單個(gè)液壓缸的流量:

        式中,V為液壓缸工作速度(m/s),取V=0.05 m/s;得:

        取最大流量qV=140 L/min,來(lái)計(jì)算液壓泵排量:

        式中,n為電機(jī)轉(zhuǎn)速,n=1 460 r/min;η 為電機(jī)效率,η=0.95。

        4 仿真分析

        在AMESim 平臺(tái)[9]中搭建打捆機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)模型,如圖5 所示。

        圖5 液壓系統(tǒng)仿真模型圖

        設(shè)置仿真時(shí)間為10 s;設(shè)置液壓泵的額定壓力為30 MPa、公稱排量為100 mL/r;設(shè)置液壓缸內(nèi)徑和活塞桿外徑尺寸分別為D=80 mm,d=56 mm;設(shè)置液壓缸活塞行程為0~200 mm;設(shè)置三位四通換向閥中位時(shí)間1 s、右位時(shí)間5 s、左位時(shí)間4 s;設(shè)置溢流閥、減壓閥、單向閥等控制液壓系統(tǒng)各個(gè)支路流量與壓力;設(shè)置初始狀態(tài),前液壓缸活塞縮回,后液壓缸活塞伸出,得到前后液壓缸活塞位移曲線圖及速度曲線圖,分別如圖6、圖7 所示。

        圖6 液壓缸活塞位移曲線圖

        圖7 液壓缸活塞速度曲線圖

        由液壓缸活塞位移曲線圖與速度曲線圖可知,前后液壓缸活塞在工作時(shí)位移總體保持一致,從1 s開(kāi)始運(yùn)動(dòng),到5 s 左右停止,其瞬時(shí)速度與平均速度全都符合要求。5 s 到6 s 時(shí)活塞桿達(dá)到行程終點(diǎn),停止運(yùn)動(dòng),此時(shí)活塞速度為零。隨后換向閥換向,液壓缸開(kāi)始卸壓,活塞逐漸返回初始位置。觀察活塞位移與速度曲線圖發(fā)現(xiàn),活塞在返回途中位移與速度不一致,后液壓缸活塞的速度明顯大于前液壓缸活塞。

        液壓缸工作腔流量曲線圖如圖8 所示。由圖8 可知,返回途中前液壓缸無(wú)桿腔與后液壓缸有桿腔流量相同。由于前液壓缸載荷較小,所以使用減壓閥降低該液壓系統(tǒng)支路的壓力,而減壓閥屬于單向閥,液壓油無(wú)法反向流通,同時(shí)由于返回途中進(jìn)出油口改變,導(dǎo)致液壓缸工作腔的流量改變。考慮到活塞返回時(shí)的位移與速度對(duì)工作狀態(tài)沒(méi)有影響,為了保持液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔高效,對(duì)此不再作改動(dòng)。

        圖8 液壓缸工作腔流量曲線圖

        5 結(jié)論

        本文改進(jìn)變直徑圓捆打捆機(jī)壓捆機(jī)構(gòu),使其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性能更好。通過(guò)分析液壓缸的工作狀態(tài),設(shè)計(jì)了一套由剛性同步回路與節(jié)流調(diào)速回路共同組成的液壓系統(tǒng),所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能使所有液壓缸活塞以相同的速度勻速移動(dòng)。

        分析工作時(shí)液壓缸的負(fù)載,使用液壓缸內(nèi)徑為80 mm、活塞桿外徑為56 mm、工作行程為0~200 mm的液壓缸。分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程,使用額定壓力為30 MPa、公稱排量為100 mL/r 的單向定量液壓泵。最后通過(guò)AMESim搭建液壓系統(tǒng)仿真模型,設(shè)置模型參數(shù)進(jìn)行仿真,結(jié)果表明在工作狀態(tài)液壓缸活塞的速度為0.05 m/s,符合工作要求。仿真結(jié)果證明改進(jìn)的壓捆機(jī)構(gòu)與所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)是可行且有效的,為后續(xù)變直徑圓捆打捆機(jī)的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的參考依據(jù)[10]。

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