果園避障旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

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(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院， 新疆 石河子 832000;2.第一師農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站， 新疆 阿拉爾 843300； 3.阿拉爾 萬(wàn)達(dá)農(nóng)機(jī)有限公司， 新疆 阿拉爾 843300)

引言

新疆是全國(guó)林果業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)基地，有“瓜果之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。林果業(yè)作為新疆的特色產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為四大支柱產(chǎn)業(yè)之一。新疆具有發(fā)展林果業(yè)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，2012年全疆果園種植面積101.5萬(wàn)平方公里, 林果產(chǎn)量736.74萬(wàn)噸，均居全國(guó)前列，但由于機(jī)械化水平不高，嚴(yán)重制約了新疆林果業(yè)的發(fā)展。

果園機(jī)械化可以節(jié)約生產(chǎn)成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，是林果業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。耕整地作為果園機(jī)械化的首要和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，可以改善土壤物理特性，抑制雜草和病蟲害，并起到增溫保墑的效果。目前果園中耕一般采用旋耕機(jī)，旋耕機(jī)具有很強(qiáng)的切土、碎土能力，一次作業(yè)就能使土壤松碎，土肥摻和均勻，拖拉機(jī)功率可以得到充分利用，且耕后地表平整，有利于抗旱保墑，提高產(chǎn)量。

通過查閱文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前新疆地區(qū)的果園旋耕作業(yè)存在以下問題：

(1) 由于采用“矮化密植”的園藝種植模式，果樹行距較小，旋耕作業(yè)普遍以微耕機(jī)為主，作業(yè)幅寬受到限制；同時(shí)，機(jī)具操作復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，耕作效果不能滿足農(nóng)藝要求。

(2) 采用大田作業(yè)旋耕機(jī)工作時(shí)，果樹樹干是旋耕作業(yè)時(shí)的障礙物，受耕作對(duì)象的局限，目前旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)為了避讓果樹，在果樹株距之間的區(qū)域存在少耕、漏耕現(xiàn)象。

資料顯示，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于解決果園避障問題的旋耕機(jī)的研究剛剛起步，解決上述技術(shù)難題的新型果園旋耕作業(yè)機(jī)具尚屬空白。因此，研究設(shè)計(jì)一款適于新疆果園種植模式的果園避障旋耕機(jī)迫在眉睫。

1 果園避障旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)

1.1 液壓系統(tǒng)工作原理

果園避障旋耕機(jī)由機(jī)架、旋耕刀工作部件、避障系統(tǒng)以及動(dòng)力分配系統(tǒng)等集成，避障系統(tǒng)由感應(yīng)機(jī)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)等部件組成，果園避障旋耕機(jī)工作原理如圖1所示。

1.果樹 2.機(jī)械觸桿 3.作業(yè)部件 4.調(diào)平液壓缸 5.伸縮液壓缸 6.鉸接平行四桿機(jī)構(gòu) 7.支架輪 8.牽引鉸接點(diǎn) 9.液壓油箱 10.傳動(dòng)箱 11.中間拉桿圖1 果園避障旋耕機(jī)工作原理圖

旋耕機(jī)前進(jìn)作業(yè)時(shí)，感應(yīng)機(jī)構(gòu)未碰觸果樹及障礙物時(shí)機(jī)具正常作業(yè)，液壓系統(tǒng)不工作，如圖1a；當(dāng)碰觸果樹及障礙物后，感應(yīng)機(jī)構(gòu)發(fā)出指令給液壓系統(tǒng)，控制液壓控制閥塊的油路通斷，如圖1b，進(jìn)而控制液壓缸動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)機(jī)架上的平行四桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，由平行四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋耕作業(yè)部件水平橫向移動(dòng)并規(guī)避障礙物，避免對(duì)果樹的損傷和遇到障礙物時(shí)對(duì)機(jī)具的損壞， 如圖1c。當(dāng)避讓過程結(jié)束后，工作部件再次橫向伸出，以此往復(fù)循環(huán)作業(yè)，如圖1d。在工作區(qū)域內(nèi)，可以對(duì)果樹之間的部分進(jìn)行有效耕作，防止出現(xiàn)少耕、漏耕現(xiàn)象。液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

1.液壓油箱 2.液位計(jì) 3過濾器 4.直動(dòng)溢流閥 5.外嚙合齒輪液壓泵 6.可調(diào)節(jié)流閥 7.截止閥 8.壓力閥 9、10.二位四通電磁換向閥 11.二位三通機(jī)動(dòng)換向閥 12.平衡閥 13、14.液壓鎖 15、16.液壓缸圖2 避障機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

果園避障旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)由伸縮缸回路和調(diào)平缸回路組成。液壓伸縮回路包括液壓油箱1、直動(dòng)溢流閥4、外嚙合齒輪式液壓泵5、節(jié)流閥6、截止閥7、二位四通電磁換向閥9、二位三通機(jī)動(dòng)換向閥11、液壓鎖13、伸縮缸15；液壓調(diào)平回路包括液壓油箱1、直動(dòng)溢流閥4、外嚙合齒輪式液壓泵5、二位四通電磁換向閥10、平衡閥12、液壓鎖14、調(diào)平缸16。

1.2 元件選型

1) 液壓缸的選擇

在液壓系統(tǒng)中有兩個(gè)液壓缸，分別為調(diào)平缸和伸縮缸，下面對(duì)兩組液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

(1) 調(diào)平缸 調(diào)平缸控制平行四桿動(dòng)作，活塞直徑(或缸筒內(nèi)徑)公式：

(1)

式中：D—— 活塞直徑或缸筒內(nèi)徑，m

F—— 液壓缸推力，N

ηcm—— 液壓缸的機(jī)械效率，取0.94

p1—— 進(jìn)油路初選壓力，取10 MPa

p2—— 回油路背壓，簡(jiǎn)單系統(tǒng)取0.2 MPa

φ—— 桿徑比，取0.7

由式(1)得：D=0.04 m，按GB/T 2348-1993，將液壓缸內(nèi)徑圓整為D=40 mm，故活塞桿直徑d=40×0.7=28 mm，圓整為d=28 mm，根據(jù)行程要求，按GB/T 321-2005行程第一系列，選擇行程s=320 mm，型號(hào)為YHG1-16 40/28*320LJ-HOt2。

(2) 伸縮缸 伸縮缸的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型同上述調(diào)平缸，型號(hào)為YHG1-16 63/45*500LJ-HOt2，表1為兩缸的參數(shù)。

表1 調(diào)平缸和伸縮缸的參數(shù)

2) 液壓泵的選擇

(1) 泵的最大工作壓力pP(Pa) 系統(tǒng)液壓泵的最大工作壓力取決于調(diào)平缸和伸縮缸在滿載時(shí)的工作壓力，即為5 MPa，泵的最大工作壓力：

pP≥p1+∑Δp

(2)

式中：p1—— 調(diào)平缸和伸縮缸的最大工作壓力之和

∑Δp—— 工作油路的總壓力損失，可以按照表2選??；該系統(tǒng)屬于簡(jiǎn)單系統(tǒng)，選取0.25 MPa

表2 系統(tǒng)總壓力損失的選取

由公式(2)計(jì)算泵的最大工作壓力為：

pP=p1+∑Δp=5+0.25=5.25 MPa

(2) 泵的最大流量qP(L/min) 液壓系統(tǒng)泵的最大流量取決于系統(tǒng)所需流量qV，流量公式為：

qP≥qV=K(∑q)max

(3)

式中：qV—— 系統(tǒng)所需流量，L/min

K—— 系統(tǒng)泄漏系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值為1.1～1.3，該系統(tǒng)屬于大流量系統(tǒng)，取1.15

(∑q)max—— 調(diào)平缸和伸縮缸同時(shí)動(dòng)作時(shí)所需流量之和，L/min

由于本系統(tǒng)中，調(diào)平缸先動(dòng)作，伸縮缸后動(dòng)作，兩缸工作行程互不干擾，由公式(3)計(jì)算液壓系統(tǒng)齒輪泵的最大流量為：

qP≥qV=K(∑q)max=K·(q伸max+q調(diào)max)

=1.15×4.05=4.66 L/min

(3) 選擇液壓泵的規(guī)格 根據(jù)上述計(jì)算得到pP=5.25 MPa，qP=4.66 L/min，由相關(guān)液壓手冊(cè)選擇相應(yīng)的液壓泵。根據(jù)系統(tǒng)所需流量、擬定初選液壓泵的轉(zhuǎn)速、泵的容積效率，可以得到泵的排量參考值為：

(4)

式中：Vg—— 泵排量參考值，L/min

n1—— 初選液壓泵轉(zhuǎn)速，r/min

ηV—— 液壓泵容積效率

由公式(4)計(jì)算得液壓系統(tǒng)泵的排量為：

(4) 選擇液壓泵的型號(hào) 根據(jù)上述計(jì)算得到的壓力、流量和排量等參數(shù)，查相關(guān)液壓手冊(cè)，最終確定泵為CB型外嚙合齒輪泵，型號(hào)為：CB-B。

2 系統(tǒng)仿真分析

2.1 系統(tǒng)建模

在眾多液壓系統(tǒng)仿真軟件中，AMESim可以建立較為復(fù)雜的液壓系統(tǒng)模型，被廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。果園避障旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，齒輪泵同時(shí)驅(qū)動(dòng)伸縮缸和調(diào)平缸，其中伸縮缸控制主機(jī)架快速運(yùn)動(dòng)，調(diào)平缸控制旋耕裝置動(dòng)作。在AMESim環(huán)境下，搭建果園避障旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 果園避障旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型

2.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)模型搭建完成后，參數(shù)設(shè)置如表3所示。

2.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

仿真模型中，仿真時(shí)間設(shè)置為3.5 s，通信間隔為0.01 s，運(yùn)行仿真。圖4為伸縮缸和調(diào)平缸輸出位移曲線；圖5為伸縮缸和調(diào)平缸輸出速度曲線。

(1) 由圖4可以看出，在模擬實(shí)際工況下，伸縮缸和調(diào)平缸的位移曲線從第0.00 s開始，在第1.05 s時(shí)，伸縮缸曲線位于調(diào)平缸下端，且由斜率可以看出在0.00～1.05 s時(shí)液壓泵的油液分別給伸縮缸和調(diào)平缸

表3 參數(shù)設(shè)置

供油，且伸縮缸差動(dòng)連接的速度小于調(diào)平缸的速度(兩缸桿徑比不一樣)；1.05 s時(shí)調(diào)平缸到達(dá)行程終點(diǎn)， 曲線上的波動(dòng)是由于平行四桿機(jī)架在回至初始位置時(shí)慣性力產(chǎn)生的反向作用力導(dǎo)致，由于負(fù)載較大，在0.30 s后恢復(fù)終點(diǎn)位置； 1.05 s之后， 伸縮缸繼續(xù)運(yùn)動(dòng)， 調(diào)平缸停止動(dòng)作， 液壓泵輸出流量均給伸縮缸供油，所以伸縮缸在1.05至1.50 s時(shí)，曲線斜率增大，直至第1.50 s運(yùn)動(dòng)至行程終點(diǎn)。滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)驗(yàn)證了模型的正確性。

圖4 伸縮缸和調(diào)平缸位移曲線

(2) 由圖5可以看出，在0.00～0.05 s時(shí)伸縮缸和調(diào)平缸均已達(dá)到工作速度，且速度曲線平滑沒有波動(dòng)，至1.10 s時(shí)調(diào)平缸運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)速度為零，此時(shí)油泵只給差動(dòng)連接的伸縮缸回路供油，流量增加導(dǎo)致伸縮缸速度增大，到第1.50 s時(shí)，伸縮缸運(yùn)動(dòng)至行程終點(diǎn)速度變?yōu)榱?。符合設(shè)計(jì)要求，再次驗(yàn)證了系統(tǒng)中各元件選型及其工作參數(shù)設(shè)置的合理性。

圖5 伸縮缸和調(diào)平缸輸出速度曲線

(3) 結(jié)合圖4、圖5，液壓系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)機(jī)械觸桿碰到障礙物時(shí)，調(diào)平缸和伸縮缸分別以0.304 m/s和0.25 m/s的速度動(dòng)作,1.05 s時(shí)，調(diào)平缸運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)，此時(shí)避免主機(jī)架與障礙物碰撞，需要伸縮缸帶動(dòng)機(jī)架迅速退回，油液均給伸縮缸供油，所以回路差動(dòng)連接速度增大至0.50 m/s，當(dāng)機(jī)械觸桿離開障礙物時(shí)，伸縮缸復(fù)位，速度降為0.00 m/s，完成一次避障運(yùn)動(dòng)，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

(1) 通過對(duì)果園避障旋耕機(jī)的工況進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的液壓系統(tǒng)，并對(duì)主要元件進(jìn)行了選型；

(2) 液壓系統(tǒng)采用單泵供雙回路工作方式，且伸縮缸回路采用差動(dòng)連接方式，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、響應(yīng)快，各個(gè)子系統(tǒng)工作相互獨(dú)立穩(wěn)定、操作便捷、系統(tǒng)能耗小、效率高；

(3) 運(yùn)用AMESim仿真軟件搭建果園避障旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)中的元件進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置，通過HCD庫(kù)搭建同步閥模型得到伸縮缸和調(diào)平缸速度分別為0.304 m/s和0.250 m/s，且差動(dòng)連接速度為0.500 m/s，滿足實(shí)際工作的要求，驗(yàn)證了該模型的正確性，為產(chǎn)品的開發(fā)和進(jìn)一步改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

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