邊鑫磊，買買提明·艾尼，尼加提·玉素甫

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

0 前言

在實(shí)際采棉過程中，為防止采棉機(jī)采摘頭中滾筒、脫棉刷以及相關(guān)工作部件出現(xiàn)卡死不轉(zhuǎn)等故障，設(shè)計(jì)了采棉頭間距控制液壓系統(tǒng)，將兩組對用的采棉頭分離，拉開距離以防止采摘頭摘錠刮擦棉株、破壞棉田[1]。在棉箱集棉完成時(shí)，雙液壓缸驅(qū)動焊接在棉箱上的四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動棉箱翻轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，利用蓄能器將采棉箱翻轉(zhuǎn)下降時(shí)的重力勢能回收[2]，用于驅(qū)動采棉頭防卡系統(tǒng)中的液壓缸運(yùn)動，調(diào)節(jié)一對采棉頭之間的間距，達(dá)到保護(hù)采棉裝置的目的，提升采棉機(jī)安全采棉時(shí)間，降低采棉頭卡死的故障率。通過MATLAB和AMESim對采棉頭防卡液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)壓力和流量均滿足要求。

1 牽引式新型采棉機(jī)總體結(jié)構(gòu)

牽引式新型采棉機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其牽引動力由東方紅LX-1304大功率拖拉機(jī)提供，并且在采棉的實(shí)際工況中，為提高采棉機(jī)性能對拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些改進(jìn)。此新型采棉機(jī)基本結(jié)構(gòu)由車架、采棉頭、風(fēng)機(jī)、采棉箱、液壓系統(tǒng)等基本部件組成。棉箱由2個(gè)同步運(yùn)動的液壓缸驅(qū)動，在棉箱翻轉(zhuǎn)卸棉過程中,將棉箱的重力勢能收集進(jìn)蓄能器[3]，為采棉頭防卡油缸提供動力。采棉頭由2個(gè)相同的垂直摘錠組成，安裝在導(dǎo)軌式升降架上，當(dāng)采棉過程摘錠中滾筒、脫棉刷等發(fā)生故障時(shí)，蓄能器中高壓油通過單個(gè)獨(dú)立工作的液壓缸控制3組采棉頭間距，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約能源的目的[4]。新型采棉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 新型采棉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 液壓系統(tǒng)

根據(jù)采棉機(jī)采棉工作要求，采棉機(jī)液壓驅(qū)動原理如圖2所示。

圖2 采棉機(jī)液壓驅(qū)動原理

2.1 液壓缸的選擇

棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)由2個(gè)液壓缸同步工作，在極限工況下液壓缸的推力：

(1)

式中：F為液壓缸推力；m為棉箱箱體質(zhì)量；m1為棉箱滿載時(shí)棉花質(zhì)量。

液壓缸缸筒直徑：

(2)

式中：ηm為液壓缸效率；p1為進(jìn)油路初選壓力，取16 MPa；p2為回油路背壓，取0.5 MPa；φ為桿徑比，取0.7。

求得采棉箱翻轉(zhuǎn)液壓缸直徑D為79.78 mm,按GB/T 2348—1993,經(jīng)計(jì)算圓整后的采棉箱翻轉(zhuǎn)液壓缸缸筒直徑D為80 mm、活塞桿直徑d為55 mm。液壓缸活塞行程為50 mm。采棉頭防卡液壓缸計(jì)算選型過程同棉箱翻轉(zhuǎn)液壓缸[5]，表2所示為棉箱翻轉(zhuǎn)液壓缸和防卡液壓缸參數(shù)。

表2 新型采棉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 蓄能器的選擇

對防卡液壓系統(tǒng)中蓄能器進(jìn)行選型，選取供油平均壓力為4 MPa[6]。設(shè)計(jì)要求為蓄能器最小供油量大于液壓缸活塞完成一個(gè)行程循環(huán)的液壓油容積:

(3)

式中：D為轉(zhuǎn)向液壓缸活塞直徑；d為液壓缸活塞桿直徑；L為液壓缸活塞桿行程。

要求采棉頭防卡液壓系統(tǒng)的蓄能器在正常工況下具備大于防卡油缸一個(gè)循環(huán)動作所需求的能量。采棉頭防卡液壓缸活塞直徑為32 mm，活塞桿直徑為18 mm，行程取300 mm。計(jì)算得蓄能器能提供3個(gè)防卡油缸正常工作的最小有效容積ΔV=0.813×3=2.44 L，選取最小有效容積的3倍作為轉(zhuǎn)向蓄能器的有效體積，即7 L。

(4)

式中：V0為蓄能器體積(L)；p0為蓄能器充氣壓力，取3.5 MPa;p1為蓄能器最低工作壓力,取4 MPa；p2為蓄能器最高工作壓力,取7 MPa；n為氣體多變指數(shù)，絕熱時(shí)為1.4。

選取蓄能器供油壓力最大值為7 MPa,由式(4)得出蓄能器體積為23.33 L[7]。

2.3 液壓泵的選擇

液壓泵的工作壓力pB應(yīng)滿足：

pmax≥pg+∑Δp

(5)

液壓泵的工作流量：

QB>K(∑Q)max

(6)

其中:pg為系統(tǒng)工作壓力;∑Δp為壓力損失; ∑ΔQ為節(jié)能系統(tǒng)各執(zhí)行元件最大流量;pmax為系統(tǒng)最大工作壓力,為16 MPa。棉箱翻轉(zhuǎn)液壓缸流量為18.1 L/min、采棉頭防卡液壓缸流量為4.35 L/min、棉花壓實(shí)液壓系統(tǒng)流量為2.9 L/min，因此液壓泵最大輸出流量大于等于25.35 L/min。

3 液壓系統(tǒng)建模與仿真分析

3.1 棉箱翻轉(zhuǎn)2DMechanical桿組仿真模型

棉箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。應(yīng)用AMESim中2DMechanical搭建桿組仿真模型如圖4所示，為使棉箱質(zhì)量參數(shù)更貼近實(shí)際工況，將用等效力矩法求得的棉箱質(zhì)量輸入到2DMechanical仿真模型三節(jié)點(diǎn)剛體模型中。

圖3 棉箱結(jié)構(gòu) 圖4 集棉箱平面連桿結(jié)構(gòu)

液壓缸作為棉箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力源，通過帶動圖3中平面轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)完成卸棉動作。劉念等人[8]利用等效力矩法，將液壓缸驅(qū)動平面連桿機(jī)構(gòu)所承載的全部負(fù)載轉(zhuǎn)換為等效質(zhì)量和等效阻尼系數(shù)：

(7)

(8)

根據(jù)式(7)，平面轉(zhuǎn)動負(fù)載折算后的棉箱等效質(zhì)量為5 400 kg。棉箱卸棉過程中的位置變化如圖5—圖6所示。圖7所示為棉箱2D機(jī)械庫模型。圖8所示為棉箱翻轉(zhuǎn)受力曲線，可知：在0.5～5.5 s內(nèi)，棉箱翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿伸出，棉箱側(cè)翻時(shí)液壓缸受力為3.82～9.67 kN；5～15 s內(nèi)，換向閥處于中位，采棉箱處于卸棉狀態(tài)，液壓缸鎖死不動；20～24.5 s內(nèi)，液壓缸活塞桿縮回，棉箱復(fù)位時(shí)翻轉(zhuǎn)液壓缸受力為4.92～11.24 kN。

圖5 棉箱卸棉起始位置 圖6 棉箱卸棉終止位置

圖7 棉箱2D機(jī)械庫模型 圖8 棉箱翻轉(zhuǎn)受力曲線

3.2 液壓系統(tǒng)建模

使用AMESim對節(jié)能液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模[9]，如圖9所示，執(zhí)行元件模型參數(shù)如表3所示。

圖9 采棉機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng)模型

表3 仿真模型主要參數(shù)

3.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

以棉箱翻轉(zhuǎn)一個(gè)循環(huán)工況為例進(jìn)行分析，在卸載棉花時(shí)，收集采棉箱下降一次過程中蓄能器的重力勢能。如圖10—圖15所示，分別為棉箱翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞位移曲線、活塞速度、蓄能器壓力、蓄能器體積、采棉頭防卡液壓缸活塞位移、采棉頭防卡液壓缸活塞速度的變化曲線。

圖10 棉箱翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞位移曲線 圖11 棉箱翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞速度曲線

圖12 蓄能器壓力曲線 圖13 蓄能器體積曲線

圖14 采棉頭防卡液壓缸活塞位移曲線 圖15 采棉頭防卡液壓缸活塞速度曲線

由圖10和圖11可知：在0～5 s內(nèi)，棉箱翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿以0.099 m/s的速度伸出，棉箱下降；在5～15 s內(nèi)，換向閥處于中位，采棉箱處于卸棉狀態(tài)，液壓缸鎖死不動；在15～24.5 s內(nèi)，液壓缸活塞桿以0.053 m/s的速度縮回，棉箱復(fù)位?？梢?，引入了能量回收系統(tǒng)的棉箱翻轉(zhuǎn)卸棉運(yùn)動狀態(tài)平穩(wěn)無異常。

由圖12和圖13可知：棉箱下降時(shí)蓄能器壓力5 MPa逐漸增加到5.58 MPa，體積由23 L逐漸減小到21.9 L；當(dāng)防卡系統(tǒng)位置不變時(shí)，蓄能器的壓力和體積分別穩(wěn)定在5.58 MPa和21.9 L；當(dāng)采棉頭防卡油缸兩次往返工作后，蓄能器處于釋放狀態(tài)，壓力逐漸減小，體積逐漸增大。可見，蓄能器有效地完成了棉箱卸棉時(shí)勢能的回收存儲以及防卡油缸工作時(shí)回收能量的釋放。

由圖14和圖15可知：在0～30 s內(nèi)，采棉頭防卡油缸穩(wěn)定不動，此時(shí)蓄能器收集能量，采棉箱處于一個(gè)卸棉循環(huán)狀態(tài)；在30～34 s內(nèi)，采棉頭液壓缸活塞桿以0.082 m/s的速度伸出，采棉頭摘錠分離；在39.5～43 s內(nèi)，液壓缸活塞桿以0.088 m/s的速度縮回，摘錠間距減??；在43.5～46 s內(nèi)，采棉頭液壓缸活塞桿以0.078 m/s的速度第二次伸出，活塞行程達(dá)到0.2 m，蓄能器能量不足以支持3個(gè)液壓缸活塞運(yùn)動至端點(diǎn)；53.5～57.5 s內(nèi)，液壓缸活塞桿以0.049 m/s的速度縮回，摘錠復(fù)位。

當(dāng)蓄能器壓力在5～5.58 MPa內(nèi)變化時(shí)，由圖16可知：防卡油缸在工作時(shí)兩腔最大的壓力為5.3 MPa，沒有超過系統(tǒng)最大工作壓力7 MPa的要求；在液壓缸執(zhí)行快進(jìn)動作的前0.2 s，液壓缸兩腔壓差有一定的波動，0.2 s后兩腔壓差穩(wěn)定在0.8 MPa，壓力損失較小。圖17所示為防卡液壓缸有桿腔和無桿腔的流量變化曲線，可知：液壓缸執(zhí)行快進(jìn)動作時(shí)前0.2 s，無桿腔流量有一定的波動，0.2 s后無桿腔入口流量穩(wěn)定在3.96 L/min、有桿腔出口流量穩(wěn)定在2.73 L/min。

圖16 防卡液壓缸無桿腔和有桿腔壓力曲線 圖17 防卡液壓缸無桿腔和有桿腔流量曲線

4 結(jié)論

針對采棉箱卸棉過程中大量能量消耗在單向節(jié)流閥等回路中的問題，本文作者設(shè)計(jì)了能量回收方案，并且將回收的能量用于驅(qū)動采棉頭防卡液壓機(jī)構(gòu)。由于防卡機(jī)構(gòu)在實(shí)際工況中工作次數(shù)少并且所需能量低，通過仿真與試驗(yàn)研究得到該方案可保證采棉箱在翻轉(zhuǎn)卸棉過程中減小油缸活塞速度波動并且具有可控性。

采棉箱翻轉(zhuǎn)一個(gè)循環(huán)過程中可供3個(gè)防卡液壓缸同時(shí)進(jìn)行2次有效工作循環(huán)、供單個(gè)防卡油缸往返4次以上。在動作轉(zhuǎn)換時(shí)，液壓系統(tǒng)的流量和壓力波動較小，滿足設(shè)計(jì)要求。所設(shè)計(jì)的棉箱能量回收利用方案在節(jié)能性上具有可行性。對能量回收利用采棉頭動力系統(tǒng)中的液壓馬達(dá)、液壓泵和采棉機(jī)行進(jìn)速度的參數(shù)匹配及優(yōu)化可開展進(jìn)一步的研究。