羅艷蕾，鄧行，穆洪云，杜威

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

0 前言

我國山地面積約占全國陸地總面積的33%，山地地區(qū)的耕地面積占我國耕地面積的比重很大，實(shí)現(xiàn)山地農(nóng)作物機(jī)械自動(dòng)化收割至關(guān)重要。收割機(jī)作為農(nóng)作物收割的自動(dòng)化機(jī)器，對實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的目標(biāo)意義重大。收割效率高的收割機(jī)往往可以降低農(nóng)民勞動(dòng)量和增加收益。然而現(xiàn)在的收割機(jī)大多都是在平原地帶設(shè)計(jì)使用，山地收割機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用較為稀缺。

平原地帶采用的收割機(jī)工作環(huán)境大多為平地，地形簡單；而山地采用的收割機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多變，收割機(jī)在山地作業(yè)時(shí)耕地的坡度大且地形復(fù)雜。山地液壓收割機(jī)在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)爬坡作業(yè)和下坡作業(yè)等復(fù)雜工況，這就要求收割機(jī)在多種復(fù)雜工況下確保工作回路不受行走回路的影響，持續(xù)穩(wěn)定工作。山地收割機(jī)的核心是工作回路的設(shè)計(jì)，工作回路的穩(wěn)定性直接影響著收割機(jī)的工作質(zhì)量。

負(fù)載敏感技術(shù)因具有很好的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和先進(jìn)性，近年來被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的液壓控制系統(tǒng)?；谪?fù)載敏感技術(shù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠感受系統(tǒng)壓力流量的需求，然后控制油泵僅提供需要的流量和壓力。負(fù)載敏感系統(tǒng)中采用的液壓源通常是定量泵或變量泵，使用定量泵的負(fù)載敏感系統(tǒng)是通過控制系統(tǒng)壓力來改變流量的大小，而使用變量泵則是通過控制變量泵的排量來改變流量的大小。將使用變量泵的負(fù)載敏感系統(tǒng)應(yīng)用到山地液壓收割機(jī)上，使工作回路效率提高且更加容易控制。

1 山地收割機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理分析

山地液壓收割機(jī)的工作回路主要由收割刀機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)和升降2個(gè)動(dòng)作組成，收割機(jī)的設(shè)計(jì)和工作要求是在它工作過程中能確保這2個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行且互不干涉。此研究基于負(fù)載敏感技術(shù)設(shè)計(jì)出一套山地液壓收割機(jī)液壓系統(tǒng)回路，其原理如圖1所示。在該回路中，液壓缸14控制收割刀機(jī)構(gòu)的升降，馬達(dá)15控制收割刀機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)行，互不干涉。先導(dǎo)泵5通過先導(dǎo)閥17為先導(dǎo)控制手柄16提供先導(dǎo)油液，再通過先導(dǎo)控制手柄控制電液多路閥10的閥芯位移，調(diào)節(jié)閥開口大小。壓力補(bǔ)償閥13保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)和多路閥之間壓力差恒定，壓力補(bǔ)償閥13與單向閥12并聯(lián)保證工作回油。壓力補(bǔ)償閥13位于電液多路閥10后，采用閥后補(bǔ)償?；芈分型ㄟ^梭閥11先比較出各回路中的最大負(fù)載壓力，再通過梭閥比較出收割刀機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)和升降回路中的最大負(fù)載壓力，然后傳遞給負(fù)載敏感閥9的彈簧腔。通過負(fù)載敏感閥的閥芯受力平衡控制變量泵4的輸出，使變量泵提供的流量在滿足兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作的同時(shí)確保壓力始終比兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大負(fù)載壓力高出一個(gè)常數(shù)值。

圖1 山地收割機(jī)工作回路原理

先導(dǎo)控制手柄通過控制電液多路閥開口大小來控制收割機(jī)的動(dòng)作。當(dāng)單獨(dú)操控收割機(jī)某一回路的先導(dǎo)控制手柄時(shí)，可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)收割刀機(jī)構(gòu)的升降或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。當(dāng)同時(shí)操控收割機(jī)兩回路中的先導(dǎo)控制手柄時(shí)，可實(shí)現(xiàn)收割刀機(jī)構(gòu)升降和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合動(dòng)作。

2 山地收割機(jī)液壓系統(tǒng)建模

為研究所設(shè)計(jì)的收割機(jī)工作回路是否滿足其設(shè)計(jì)和工作要求，根據(jù)圖1在液壓仿真軟件AMESim中搭建出山地收割機(jī)的工作回路仿真模型，如圖2所示，為后面分析不同工況下液壓系統(tǒng)的輸出特性做好準(zhǔn)備。仿真模型的主要數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 山地收割機(jī)工作回路仿真模型

表1 山地收割機(jī)工作回路仿真模型主要數(shù)據(jù)

3 山地收割機(jī)液壓系統(tǒng)特性分析

3.1 變負(fù)載工況系統(tǒng)特性分析

由于山地液壓收割機(jī)的工作地點(diǎn)大多為山丘以及不平坦的土地，要求收割機(jī)在變負(fù)載的工況下正常運(yùn)作。在圖2所示的仿真模型中，設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸的外負(fù)載力在0～4 s內(nèi)從0增加到26 000 N，執(zhí)行機(jī)構(gòu)馬達(dá)的外負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0～4 s內(nèi)從0增加到40 N·m，以此來模仿負(fù)載變化的工況。將多路閥的最大閥芯位移設(shè)置為0.5 mm，并且給予信號為40 mA使多路閥閥芯位移為0.5 mm，研究該液壓系統(tǒng)的響應(yīng)。系統(tǒng)設(shè)置仿真時(shí)間為4 s，模型仿真得到液壓缸和馬達(dá)回路中多路閥前、后壓力與流量曲線如圖3所示。

圖3 多路閥開口前后壓力與流量曲線

由圖3可知：當(dāng)升降液壓缸回路外負(fù)載力逐漸增加時(shí)，多路閥前后壓力初始處于波動(dòng)狀態(tài)，波動(dòng)過后開始線性升高，并且多路閥前后壓力差始終保持恒定；當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)回路外負(fù)載轉(zhuǎn)矩逐漸增加時(shí)，多路閥前后壓力起初處于波動(dòng)狀態(tài)，波動(dòng)過后開始線性升高，并且多路閥前后壓力差始終保持恒定。在圖3中，多路閥閥芯位移不變時(shí)，兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路中流過多路閥的流量剛開始處于波動(dòng)狀態(tài)，波動(dòng)過后流量大小基本保持不變。分析可得：各回路流過多路閥的流量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)所受外負(fù)載無關(guān)。

3.2 突變負(fù)載工況特性分析

由于山地液壓收割機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，因此要分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)受突變負(fù)載工況。設(shè)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸的外負(fù)載力在0～3 s內(nèi)為26 000 N，在3～4 s內(nèi)增加到40 000 N；執(zhí)行機(jī)構(gòu)馬達(dá)的外負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0～3 s內(nèi)為40 N·m，在3～4 s內(nèi)增加到80 N·m，模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)所受負(fù)載突增的工況。系統(tǒng)設(shè)置仿真時(shí)間為6 s，執(zhí)行機(jī)構(gòu)所受負(fù)載突增時(shí)多路閥流量曲線如圖4所示。

圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)所受負(fù)載突增時(shí)多路閥流量曲線

設(shè)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸的外負(fù)載力在0～3 s內(nèi)為26 000 N，在3～4 s內(nèi)降低到13 000 N；執(zhí)行機(jī)構(gòu)馬達(dá)的外負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0～3 s內(nèi)為40 N·m，在3～4 s內(nèi)降低到20 N·m，模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)所受負(fù)載驟降的工況。系統(tǒng)設(shè)置仿真時(shí)間為6 s，執(zhí)行機(jī)構(gòu)所受負(fù)載驟降時(shí)多路閥流量曲線如圖5所示。

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)所受負(fù)載驟降時(shí)多路閥流量曲線

分析圖4可知:當(dāng)兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)外負(fù)載急劇上升時(shí)，液壓缸回路多路閥流量也明顯上升，液壓馬達(dá)回路多路閥流量下降，隨后與外負(fù)載一樣保持恒定；分析圖5可知:當(dāng)兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)外負(fù)載急劇下降時(shí)，多路閥流量變化不明顯。

3.3 多路閥不同開口工況系統(tǒng)特性分析

為研究多路閥開口不同的工況，分別給予多路閥信號值為25、30、35、40 mA，使多路閥的閥芯位移為0.312 5、0.375、0.437 5、0.5 mm，進(jìn)而模擬改變多路閥開口量大小。設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸的外負(fù)載力在0～4 s內(nèi)從0增加到26 000 N，執(zhí)行機(jī)構(gòu)馬達(dá)的外負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0～4 s內(nèi)從0增加到40 N·m，研究2個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于多路閥不同閥芯位移量下的系統(tǒng)特性。仿真時(shí)間設(shè)為4 s，得到多路閥不同閥芯位移量的流量曲線如圖6所示。

圖6 多路閥不同閥芯位移量時(shí)流量曲線

分析圖6可知:各多路閥的流量大小和多路閥閥芯位移量成正比關(guān)系。

3.4 流量飽和工況系統(tǒng)特性分析

當(dāng)山地液壓收割機(jī)處于下坡狀態(tài)工作時(shí)，收割機(jī)行走速度加快，導(dǎo)致行走馬達(dá)所需的流量增大，而流向工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量減少，導(dǎo)致收割機(jī)工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的流量不足，出現(xiàn)系統(tǒng)流量飽和的情況。為研究文中所設(shè)計(jì)的山地收割機(jī)系統(tǒng)是否具有抗流量飽和功能，將上述所搭建的AMESim仿真模型改變動(dòng)力源轉(zhuǎn)速來模擬收割機(jī)下坡狀態(tài)工作導(dǎo)致的流量飽和工況。設(shè)定液壓缸在0～8 s內(nèi)外負(fù)載力為26 000 N；液壓馬達(dá)在0～8 s內(nèi)外負(fù)載轉(zhuǎn)矩為40 N·m；兩處回路多路閥信號在0～8 s內(nèi)為40 mA；動(dòng)力源在0～4 s內(nèi)轉(zhuǎn)速為1 700 r/min，在4～5 s內(nèi)下降到1 300 r/min，在5～8 s內(nèi)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min。仿真時(shí)間設(shè)置為8 s，得到流量飽和后多路閥前后壓差如圖7所示；流量飽和后各處流量曲線如圖8所示；流量飽和后各處速度曲線如圖9所示。

圖7 流量飽和后多路閥前后壓差曲線

圖8 流量飽和后各處流量曲線

圖9 流量飽和后各處速度曲線

分析圖7—圖9可知，系統(tǒng)在第5 s達(dá)到流量飽和狀態(tài)。液壓缸回路多路閥在0～4 s內(nèi)前后壓差為3.6 MPa，在流量飽和后壓差為2.5 MPa；液壓馬達(dá)回路多路閥在0～4 s內(nèi)前后壓差為2.3 MPa，在流量飽和后壓差為1.6 MPa。當(dāng)液壓泵供給的流量從117 L/min下降到91 L/min時(shí)，液壓缸的流量從61 L/min下降到51 L/min，液壓馬達(dá)的流量從48 L/min下降到40 L/min;液壓缸的速度從0.16 m/s下降到0.13 m/s，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速從800 r/min下降到664 r/min。分析數(shù)據(jù)可知：在發(fā)生流量飽和后，液壓缸和液壓馬達(dá)的流量減小，其速度也相應(yīng)減小到一定值之后保持穩(wěn)定，且兩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量大小和多路閥前后壓差大小成正比關(guān)系。因此可以得出所設(shè)計(jì)的山地收割機(jī)工作回路具有抗流量飽和能力，穩(wěn)定特性優(yōu)良,且各執(zhí)行機(jī)構(gòu)能獨(dú)立運(yùn)行，互不干涉。

4 結(jié)論

本文作者設(shè)計(jì)出山地液壓收割機(jī)的工作回路，利用AMESim軟件搭建出仿真模型。分別分析了收割機(jī)液壓系統(tǒng)在變負(fù)載工況、突變負(fù)載工況、不同開口多路閥工況和流量飽和工況下系統(tǒng)的不同輸出特性。仿真結(jié)果表明：該液壓系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)行，互不干涉，又可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作，能夠依據(jù)收割刀機(jī)構(gòu)的升降和旋轉(zhuǎn)所需的不同負(fù)載等比例分配所需的流量，提升了山地收割機(jī)在工作過程中的效率。且在該系統(tǒng)中，收割機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的流量大小取決于多路閥開口量的大小，與外界負(fù)載無關(guān)。收割機(jī)工作系統(tǒng)在發(fā)生流量飽和時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)回路中多路閥的前后壓差來按比例分配變量泵所輸出的流量，保證各執(zhí)行機(jī)構(gòu)不受流量飽和的影響，仍可以持續(xù)正常工作，系統(tǒng)的穩(wěn)定特性優(yōu)良。所設(shè)計(jì)的變流量閥后補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)山地液壓收割機(jī)的工作需求，為基于負(fù)載敏感技術(shù)的山地收割機(jī)工作回路設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。