林云龍，楊發(fā)展，扈偉昊，黃珂

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，山東青島 266520)

0 前言

大姜是一種具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的藥食兩用作物，實(shí)現(xiàn)其高效機(jī)械化種植對(duì)于降低農(nóng)戶(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效益、加速農(nóng)民脫貧致富具有重要意義。文獻(xiàn)[1]中闡述了現(xiàn)有大姜機(jī)械化種植技術(shù)，結(jié)果表明：采用帶輸送+V形擋塊相結(jié)合的播種原理可以有效實(shí)現(xiàn)大姜低損、精準(zhǔn)種植。故采用該播種原理設(shè)計(jì)了一種新型大姜播種一體機(jī)，并采用液壓控制的方式提高其作業(yè)性能。

利用AMESim軟件與MBD技術(shù)聯(lián)合仿真可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換，為評(píng)價(jià)液壓系統(tǒng)及機(jī)具開(kāi)發(fā)提供了一種有效手段[2-5]。由于所提出的大姜播種機(jī)液壓系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)整機(jī)同步升降及播種裝置的平穩(wěn)布放，要求機(jī)液耦合協(xié)同作業(yè)。

因此，本文作者采用AMESim與RecurDyn聯(lián)合仿真的方式對(duì)構(gòu)建的液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為大姜播種機(jī)的研制提供理論依據(jù)。

1 大姜播種機(jī)設(shè)計(jì)及液壓系統(tǒng)組成

現(xiàn)有的大姜播種機(jī)主要為單行人工輔助作業(yè)，其效率低且自動(dòng)化一體化程度不高。為滿(mǎn)足大姜機(jī)械化聯(lián)合作業(yè)，如圖1所示，設(shè)計(jì)了集開(kāi)溝、起壟和播種于一體的雙行大姜播種機(jī)，主要包括旋耕開(kāi)溝裝置、雙圓盤(pán)起壟裝置、輸送播種裝置和升降行走裝置。其中升降行走裝置通過(guò)液壓缸Ⅰ(a、b、c、d)進(jìn)行升降調(diào)節(jié)，從而帶動(dòng)整機(jī)實(shí)現(xiàn)行走與工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。因姜種與油菜基質(zhì)塊苗兩者質(zhì)量相差不大，且?guī)剿兔缪b置與水平面夾角為30°時(shí)油菜基質(zhì)塊苗可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸送[6]，故輸送播種裝置利用液壓缸Ⅱ?qū)崿F(xiàn)該裝置與地面的角度調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足30°傾角的工作狀態(tài)，從而使人工放置于輸送播種裝置上的姜種能夠平穩(wěn)下落至種溝。

圖1 大姜播種機(jī)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)圖

多缸同步回路以PID信號(hào)控制為主要手段，通過(guò)增益補(bǔ)償?shù)姆绞綔p少同步誤差[7]；但該控制方法較為復(fù)雜，對(duì)操作人員的要求較高且不利于農(nóng)業(yè)機(jī)具的推廣。故將2個(gè)液壓缸Ⅰ(圖1中a、b或者c、d)構(gòu)成一套同步回路子系統(tǒng)(圖2(a))，液壓缸Ⅱ則單獨(dú)采用一套順序回路子系統(tǒng)(圖2(b))以減緩因多個(gè)執(zhí)行器在不同工作壓力下同時(shí)運(yùn)作產(chǎn)生的固有壓力損失[8]。

圖2 大姜播種機(jī)液壓系統(tǒng)原理

查閱標(biāo)準(zhǔn)可知，人體體重最大偏差在50 kg以?xún)?nèi)[9]；此外，分流閥在偏載500 N以?xún)?nèi)仍有較好的同步性[10]，故同步回路采用負(fù)載敏感變量泵與分流閥相結(jié)合的方式以滿(mǎn)足變負(fù)載下的同步頂升作業(yè)。采用M形三位四通換向閥實(shí)現(xiàn)卸荷，以防止油溫過(guò)高，并通過(guò)單向閥實(shí)現(xiàn)雙端鎖緊。為避免機(jī)具下降過(guò)快，設(shè)計(jì)的回油管路內(nèi)應(yīng)有一定的背壓[11]，故采用平衡閥使回油管路內(nèi)產(chǎn)生背壓以減少高壓下油液沖擊進(jìn)而減緩油缸回程的速度。

順序回路通過(guò)布置于液壓缸Ⅰ上的行程開(kāi)關(guān)19.1和19.2以實(shí)現(xiàn)電磁換向閥12左、右兩位的換向，以滿(mǎn)足液壓缸Ⅱ在4個(gè)液壓缸Ⅰ均為0 mm行程時(shí)開(kāi)始工作。同時(shí)，采用行程開(kāi)關(guān)19.3控制電磁換向閥12調(diào)至中位以滿(mǎn)足輸送播種裝置30°傾角工況下的行程調(diào)節(jié)。為保證液壓缸Ⅱ的鎖緊，采用節(jié)流閥及液控單向閥組以減少其工作腔的壓力波動(dòng)，進(jìn)而減緩噪聲和振動(dòng)[12]。此外，液壓延時(shí)器通過(guò)改變其阻尼孔直徑可改變其延時(shí)效率[13]，故為減緩信號(hào)短時(shí)輸入引起的激振現(xiàn)象，采用可調(diào)節(jié)流閥減緩油液流速，實(shí)現(xiàn)阻尼延時(shí)。

整個(gè)液壓系統(tǒng)中的元件相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)新的閥組，在滿(mǎn)足播種機(jī)工作需求的同時(shí)，可維護(hù)性較好，滿(mǎn)足惡劣環(huán)境下田間作業(yè)的需要。

2 大姜播種機(jī)液壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

液壓缸Ⅰ選用標(biāo)準(zhǔn)拉桿式結(jié)構(gòu)，通過(guò)方形法蘭與行走輪架固接，其額定工作壓力為10 MPa，考慮人體及姜種質(zhì)量取整機(jī)工作質(zhì)量為2 200 kg。由于牽引機(jī)在該大姜播種機(jī)提升過(guò)程中提供部分支撐力，取其為5 000 N，重力加速度g取9.8 m/s2，故等效總負(fù)載為16 560 N。假設(shè)4個(gè)液壓缸Ⅰ將整機(jī)完全頂升并承載重力平均分布，故單個(gè)液壓缸Ⅰ的負(fù)載約為4 140 N。液壓缸Ⅰ頂升整機(jī)過(guò)程中，載荷滿(mǎn)足：

(1)

式中：Fp1為液壓缸Ⅰ所提供的推力，N；p1為液壓缸Ⅰ工作壓力，取10 MPa；A1為液壓缸Ⅰ活塞桿截面面積，mm2；D1為液壓缸Ⅰ缸徑，mm；d1為液壓缸Ⅰ桿徑，mm；φ1為液壓缸Ⅰ的速比，取推薦值φ1=1.33。

為使整機(jī)升降運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，取D1=50 mm、d1=30 mm，保證能夠?yàn)橐簤焊注裉峁┹^大的推力。在牽引機(jī)牽引下，升降行走裝置布置的液壓缸Ⅰ經(jīng)回油孔回油后，使得旋耕開(kāi)溝裝置入土，調(diào)整圓盤(pán)起壟裝置壓實(shí)土壤并擠壓起壟；輸送播種裝置布置的液壓缸Ⅱ經(jīng)進(jìn)油孔進(jìn)油后將它下放至種床，在工作狀態(tài)下的大姜播種機(jī)結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 液壓缸布置簡(jiǎn)圖

圖3中：ABCDE表示輸送播種裝置；O1、O2為液壓缸Ⅰ與機(jī)架的鉸接點(diǎn)；E為輸送播種裝置與機(jī)架的鉸接點(diǎn)；M1、M2分別為圓盤(pán)起壟裝置與旋耕開(kāi)溝裝置運(yùn)動(dòng)中心點(diǎn)；LCL表示液壓缸Ⅱ在工作狀態(tài)下的總長(zhǎng)度，mm。LAB=60 mm；LCD=300 mm；LDE=130 mm；LEJ=182.5 mm；LLJ=30 mm。

如圖3(a)所示，為避免輸送播種裝置與座椅安裝板出現(xiàn)干涉，設(shè)置20°<θ<30°。圖3(b)為液壓缸Ⅱ以30°傾角工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)布局，由幾何關(guān)系可得式(2)：

(2)

故為滿(mǎn)足工作狀態(tài)下輸送播種裝置結(jié)構(gòu)要求，需滿(mǎn)足LBC=1 194.26 mm，取LBC=1 200 mm。為實(shí)現(xiàn)理論耕深150 mm，旋耕刀選用T260型[14]，液壓缸Ⅰ行程s1=160 mm。輸送播種裝置在下放至種床過(guò)程中，液壓缸Ⅱ的長(zhǎng)度及行程滿(mǎn)足：

(3)

如圖4所示，輸送播種裝置在液壓缸Ⅱ所提供的拉力下保持平衡，故由力矩平衡原理可得：

圖4 液壓缸Ⅱ受力分析簡(jiǎn)圖

(4)

式中：G2為輸送播種裝置重力，N；F2為液壓缸Ⅱ工作拉力，N。

代入已知幾何條件，由式(4)可得F2=7.29sin(θ+77.20°)G2，因θ范圍為(20°，30°)，故F2與θ成反比，液壓缸Ⅱ所提供的拉力應(yīng)大于θ=20°時(shí)的工作拉力F2。

(5)

式中：Fp2為液壓缸Ⅱ所提供的拉力，N；p2為液壓缸Ⅱ工作壓力，取16 MPa；A2為液壓缸Ⅱ活塞桿工作截面面積，mm2；D2為液壓缸Ⅱ缸徑，mm；d2為液壓缸Ⅱ桿徑，mm；φ2為液壓缸Ⅱ的速比，取推薦值φ2=1.33。

圖4中：R1為輸送播種裝置質(zhì)心，LDR1=572 mm。

輸送播種裝置總重力G2<700 N，故液壓缸Ⅱ選用標(biāo)準(zhǔn)型HSG工程液壓缸，缸徑D2=50 mm，桿徑d2=25 mm?？紤]播種傾角范圍，因HSG工程液壓缸采用耳環(huán)連接，其安裝距離X=280+s2，參考式(3)將液壓缸Ⅱ的行程設(shè)計(jì)為s2=60 mm，即液壓缸Ⅱ伸出30 mm時(shí)即可滿(mǎn)足工作需求。

根據(jù)執(zhí)行部件最大運(yùn)動(dòng)速度，液壓系統(tǒng)最大流量有以下關(guān)系式：

(6)

其中：Q為系統(tǒng)最大流量，L/min；v為液壓缸最大運(yùn)動(dòng)速度，mm/s；D為液壓缸缸徑，mm；d為液壓缸活塞桿直徑，mm；K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，取1.3。

取液壓缸容積效率為1，由于液壓缸Ⅰ回程速度較大取45 mm/s；液壓缸Ⅱ活塞桿伸出時(shí)速度較大取20 mm/s，故由式(6)計(jì)算可得同步回路子系統(tǒng)最大流量為8.82 L/min。為減少閥前壓力補(bǔ)償欠流量下的同步誤差，取同步回路子系統(tǒng)流量為10 L/min；順序回路子系統(tǒng)最大流量為3.06 L/min，取順序回路子系統(tǒng)流量為3 L/min，故可得液壓系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 大姜播種機(jī)液壓系統(tǒng)參數(shù)

3 聯(lián)合仿真建模及系統(tǒng)特性分析

3.1 大姜播種機(jī)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型

如圖5所示，為保證較小的失真度，將SolidWorks建立的簡(jiǎn)化模型轉(zhuǎn)換為parasolid(.x_t)格式導(dǎo)入RecurDyn中，采用材料庫(kù)設(shè)置各部件材料。由于ecurDyn將同一部件上的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副約束定義為冗余而影響分析結(jié)果，故采用襯套力(Bushing)代替轉(zhuǎn)動(dòng)副以表達(dá)各機(jī)構(gòu)間的約束關(guān)系；將其他部件簡(jiǎn)化為載荷力并通過(guò)添加平移力(Translation)的方式施加于機(jī)體上。

為探究人體體重偏載對(duì)系統(tǒng)的影響，將左右兩側(cè)座椅及人體負(fù)載平移力分別設(shè)置為-1 000 N及-1 500 N。以座椅及人體負(fù)載為例(其余部件簡(jiǎn)化方式相同)，將平移力逐步添加到該過(guò)程中，首先在三維建模軟件中測(cè)量包括人體模型在內(nèi)的座椅重心及安裝中心，坐標(biāo)分別為(-375.0，602.5，1 453.5)mm和(-375.0，200.0，1 453.5)mm，因RecurDyn與AMESim軟件之間數(shù)據(jù)交換采用MKS單位制(m、kg、s、N、(°))，將上述坐標(biāo)統(tǒng)一換算為MKS單位后，分別在地面(Ground)及機(jī)架上創(chuàng)建部件質(zhì)心Marker點(diǎn)及部件安裝中心Marker點(diǎn)；其次定義各個(gè)部件的負(fù)載力表達(dá)式；最后在重力方向(y方向)上添加平移力。

3.2 聯(lián)合仿真模型的建立

如圖6所示，AMESim液壓庫(kù)建模采用文獻(xiàn)[15]中的分流閥模型與參數(shù)設(shè)置，將行程開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化為位移傳感器模型并基于表1構(gòu)建液壓系統(tǒng)。聯(lián)合仿真以RecurDyn為主控軟件，AMESim為輔助軟件，采用FMI模塊通過(guò)創(chuàng)建工況輸入(GPlant_in)及輸出(GPlant_out)實(shí)現(xiàn)兩軟件的數(shù)據(jù)交換；AMESim將液壓缸位移輸入RecurDyn以控制液壓缸運(yùn)動(dòng)，RecurDyn將液壓缸軸向壓力反饋給AMESim作為液壓缸的負(fù)載力。

圖6 AMESim聯(lián)合仿真模型

如圖7所示，設(shè)置M形三位四通換向閥信號(hào)輸入值，設(shè)置步長(zhǎng)0.01 s，以40 s為一周期，分析2個(gè)循環(huán)周期下的系統(tǒng)性能。M形三位四通換向閥在輸入正值時(shí)左位工作，液壓缸Ⅰ無(wú)桿腔進(jìn)油，系統(tǒng)將整機(jī)舉升；輸入負(fù)值時(shí)右位工作，液壓缸Ⅰ有桿腔進(jìn)油，機(jī)具下降；輸入零值時(shí)中位工作，系統(tǒng)鎖緊。

圖7 仿真信號(hào)設(shè)置

3.3 仿真特性分析

液壓缸Ⅰ、Ⅱ的位移及速度曲線(xiàn)分別如圖8(a)、圖8(b)所示，4個(gè)液壓缸Ⅰ具有相同的運(yùn)動(dòng)特性，且液壓缸Ⅰ、Ⅱ的各運(yùn)動(dòng)特性曲線(xiàn)呈周期性變化。液壓缸Ⅰ以約30 mm/s的速度開(kāi)始頂升，在約5 s時(shí)到達(dá)最大行程160 mm；在5～20 s時(shí)間段內(nèi)保持160 mm，之后以45 mm/s速度開(kāi)始復(fù)位，約24 s時(shí)恢復(fù)初始位置并維持至40 s。液壓缸Ⅱ在液壓缸Ⅰ位移均為0 mm時(shí)以約10 mm/s速度開(kāi)始工作，下放輸送播種裝置；隨后保持在30 mm最大行程，然后在液壓缸Ⅰ開(kāi)始頂升時(shí)以約20 mm/s的速度復(fù)位，將輸送播種裝置收回。液壓缸Ⅱ 2個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度基本一致，在25～40 s及65～80 s時(shí)間段內(nèi)速度波動(dòng)較大，但液壓缸Ⅱ仍保持在30 mm行程范圍內(nèi)。

圖8 液壓缸運(yùn)動(dòng)性能曲線(xiàn)

液壓缸Ⅰ無(wú)桿腔壓力如圖8(c)所示，0～5 s內(nèi)壓力基本保持在2.2 MPa，結(jié)合圖8(a)，無(wú)桿腔進(jìn)油將活塞桿伸出，經(jīng)計(jì)算液壓缸Ⅰ所提供的推力約為4 320 N，滿(mǎn)足要求；5～20 s內(nèi)壓力基本保持在系統(tǒng)最大壓力10 MPa，液壓缸Ⅰ鎖緊；20～25 s內(nèi)壓力維持在6 MPa以上，結(jié)合圖8(a)，說(shuō)明液壓缸Ⅰ在回程時(shí)保持約6 MPa的背壓，減緩了活塞桿的下降速度。液壓缸Ⅱ有桿腔壓力如圖5(d)所示，結(jié)合圖8(a)，液壓缸Ⅱ在0 mm行程時(shí)其有桿腔壓力均約16 MPa，表明其鎖緊性能較好。整個(gè)液壓系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了同步順序協(xié)調(diào)作業(yè)，提高了大姜播種機(jī)的工作效率。

由于液壓缸Ⅰ軸向負(fù)載隨位移輸入信號(hào)呈周期性變化，故繪制其一個(gè)周期內(nèi)的負(fù)載壓力變換曲線(xiàn)如圖9所示，4個(gè)液壓缸Ⅰ的軸向負(fù)載變化趨勢(shì)基本一致，均在0～5 s和20～25 s時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)并趨于平穩(wěn)，即在液壓缸Ⅰ頂升及下降過(guò)程中其負(fù)載壓力變化較大而油缸鎖緊后受力平穩(wěn)，表明液壓缸Ⅰ同步及鎖緊性能較好。此外，由于a、b兩缸距播種機(jī)重心較c、d兩缸近，承載了較大的負(fù)載；a、b兩缸負(fù)載均為負(fù)值即沿液壓缸活塞桿向下的壓力，且所受負(fù)載力均大于c、d兩缸并且在油缸鎖緊階段(5～20 s和25～40 s)a、b兩缸所受軸向負(fù)載約為-5 500 N，c、d兩缸所受軸向負(fù)載約為-1 800 N。a與c缸或者b與d缸的累加負(fù)載力約為-7 300 N，此值與理論計(jì)算值-8 280 N相差較大，這是由于理論計(jì)算將兩側(cè)行走機(jī)構(gòu)的質(zhì)量包括在內(nèi)，為液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算保留一定裕量。因此a、b兩缸與c、d兩缸分別使用兩套獨(dú)立的同步系統(tǒng)避免了較大偏載對(duì)同步性能的影響。

a、b兩缸與c、d兩缸均在約2.25 s時(shí)負(fù)載力相差最大，分別為443.62 N和334 N；表明在整機(jī)頂升整個(gè)時(shí)間段內(nèi)約中間點(diǎn)的偏載最大，且在該偏載下液壓系統(tǒng)仍保持較好同步性。負(fù)載敏感同步系統(tǒng)的合理配置提高了整機(jī)工作協(xié)調(diào)性并為播種機(jī)作業(yè)提供了保障。

液壓缸Ⅱ軸向負(fù)載方向參考點(diǎn)及變化曲線(xiàn)如圖10所示，其負(fù)載力沿參考點(diǎn)坐標(biāo)z軸方向且負(fù)載力大小以約5 000 N為基準(zhǔn)上下波動(dòng)，結(jié)合其運(yùn)動(dòng)特性(圖8)可知液壓缸Ⅱ因軸向負(fù)載的變化引起活塞桿運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生波動(dòng)，但其位移變化不大，由此說(shuō)明采用壓力補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢杂行У卦黾悠溥\(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，減緩姜種因輸送播種裝置振動(dòng)造成的落種不均現(xiàn)象。

圖10 液壓缸Ⅱ軸向負(fù)載

為驗(yàn)證液壓缸強(qiáng)度是否滿(mǎn)足整機(jī)工作需求，因a、b兩缸負(fù)載力較大，且液壓缸b負(fù)載力相對(duì)較大，故采用G-Manager模塊將液壓缸b耳環(huán)與液壓缸Ⅱ活塞桿轉(zhuǎn)換為柔性體，并分別設(shè)置兩柔性體與相鄰部件的接觸關(guān)系；經(jīng)聯(lián)合仿真后獲得液壓缸b耳環(huán)與液壓缸Ⅱ活塞桿的應(yīng)力云圖分別如圖11(a)、圖11(b)所示。

圖11 液壓缸應(yīng)力云圖

液壓缸b耳環(huán)在約21.6 s時(shí)，即整機(jī)下降過(guò)程中出現(xiàn)了最大應(yīng)力值，為67.07 MPa，液壓缸Ⅱ活塞桿在約40.11 s時(shí)即輸送播種裝置提升過(guò)程中最大應(yīng)力為6.95 MPa，均在45鋼許用應(yīng)力355 MPa以下，液壓缸最大應(yīng)力產(chǎn)生時(shí)刻均在其軸向負(fù)載力最大時(shí)段內(nèi)，與理論計(jì)算相符合且滿(mǎn)足整機(jī)工作需求。

4 結(jié)論

為推進(jìn)大姜機(jī)械化種植進(jìn)程，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)適于大姜精量高可靠性作業(yè)機(jī)具，在闡明雙行大姜播種機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于該機(jī)具的同步-順序控制液壓系統(tǒng)，通過(guò)理論計(jì)算獲得了液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，并采用RecurDyn與AMESim軟件建立了機(jī)械-液壓聯(lián)合仿真環(huán)境，通過(guò)仿真分析獲得結(jié)論如下：

(1)采用兩套相同的負(fù)載敏感子系統(tǒng)獨(dú)立控制雙缸同步作業(yè)，避免了較大偏載對(duì)同步性能的影響，同時(shí)該負(fù)載敏感子系統(tǒng)在偏載500 N以?xún)?nèi)有較好的同步性。

(2)利用行程開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)液壓缸Ⅱ與液壓缸Ⅰ之間的順序控制，通過(guò)壓力補(bǔ)償方式降低了負(fù)載變化對(duì)液壓缸Ⅱ的影響，并進(jìn)一步提高了輸送播種裝置的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，為姜種的精準(zhǔn)種植提供了保障。

(3)經(jīng)剛?cè)狁詈戏抡娴玫揭簤焊注穸h(huán)處最大應(yīng)力為67.07 MPa，液壓缸Ⅱ活塞桿最大應(yīng)力僅為6.95 MPa。各液壓執(zhí)行部件均有較高的強(qiáng)度，滿(mǎn)足大姜播種機(jī)高可靠性工作需求。