籽棉運(yùn)模車液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

， ， 　， 玉剛， ， (1. 石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院, 新疆 石河子　832003；2. 新疆天鵝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備有限公司, 新疆 五家渠　831300；3. 兵團(tuán)棉花加工機(jī)械工程技術(shù)研究中心, 新疆 五家渠　831300)

引言

隨著市場對棉花的需求日益增加，目前國內(nèi)的三大產(chǎn)棉區(qū)域：新疆棉區(qū)、黃淮流域棉區(qū)和長江流域棉區(qū)的種植面積及產(chǎn)量逐年遞增。尤其新疆棉區(qū)的籽棉種植面積從2005年至2013年，種植面積由1747萬畝增加到169.2萬公頃，產(chǎn)量也由197萬噸增長到340萬噸[1]。在棉花播種、田間管理、收獲、轉(zhuǎn)運(yùn)、加工等環(huán)節(jié)中，籽棉田間轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)械化水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他環(huán)節(jié)。國內(nèi)現(xiàn)有的籽棉運(yùn)輸工具是將農(nóng)用拖拉機(jī)的料斗進(jìn)行自行改裝，料斗大小不一，質(zhì)量難以保證，存在安全隱患；而且籽棉裝車后未經(jīng)過壓實(shí)，載重量小，需要通過人工裝卸，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。

籽棉運(yùn)模車是一種集棉模自動裝卸、運(yùn)輸于一體的農(nóng)業(yè)田間儲運(yùn)設(shè)備，壓制成棉模后的籽棉既有利于棉花的儲存，又克服了大規(guī)模機(jī)械化采收與棉花加工廠有限生產(chǎn)能力之間的矛盾。籽棉采收后堆放在田間地頭，由打模機(jī)壓制成棉模，外形尺寸一般為9800 mm×2150 mm×2400 mm，重量約為10 t，一般車輛無法進(jìn)行裝卸和運(yùn)送，需要專用的運(yùn)模車進(jìn)行田間轉(zhuǎn)運(yùn)。

1　籽棉運(yùn)模車液壓系統(tǒng)

1.1　液壓系統(tǒng)工作原理

籽棉運(yùn)模車裝卸棉模的全過程均由液壓系統(tǒng)控制，主要分為棉模自動裝卸系統(tǒng)和車架升舉系統(tǒng)兩部分，其工作過程為：籽棉運(yùn)模車靠近棉模后，由車架升舉系統(tǒng)將運(yùn)模車后橋前移，再由升舉油缸控制車架傾斜，使履帶行走輪與地面接觸，車架后部的起模鏈輪的鉤齒與棉模前底部接觸；啟動棉模自動裝卸系統(tǒng)，履帶行走輪控制整車后移的同時(shí)，棉模提升馬達(dá)控制車架上安裝的多組帶鉤齒的抓模鏈條沿車架移動的反方向轉(zhuǎn)動，車架后移速度與鏈條提升速度在水平方向上的分速度大小相等，方向相反，實(shí)現(xiàn)車架與抓模鏈條的同步反向動作，達(dá)到提升棉模并防止棉模開裂的目的，棉模完全輸送到機(jī)架上后，再由車架升舉系統(tǒng)控制車架及后橋回位，整個(gè)裝模過程完成，卸模過程與裝模過程相似，只是履帶行走輪和抓模鏈條均為反方向運(yùn)動。裝模過程如圖1所示。

1.升舉缸　2.棉模提升馬達(dá)　3.車架　4.抓模鏈條 5.伸縮缸　6.后橋　7.履帶行走馬達(dá)　8.起模鏈輪圖1　籽棉運(yùn)模車結(jié)構(gòu)及工作原理圖

1.2　液壓系統(tǒng)組成

液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。車架升舉液壓系統(tǒng)包括前板升舉液壓系統(tǒng)、后橋前移液壓系統(tǒng)，由車架升舉液壓系統(tǒng)主泵12、電機(jī)10、電磁溢流閥14、單向閥15、電磁換向閥16、液壓鎖17、升舉缸26和27、伸縮缸28等組成。前板升舉液壓系統(tǒng)和后橋前移液壓系統(tǒng)由同一液壓泵供油，通常工作時(shí)后橋前移液壓系統(tǒng)先工作，由伸縮缸帶動后橋前移后，電磁換向閥換于中位，回路鎖死；另一路油液為前板升舉液壓系統(tǒng)提供動力，由提升缸升舉車架前端，使車架與地面成一定夾角，直至車架后端與地面接觸，電磁換向閥換于中位，回路鎖死，完成裝卸棉模前準(zhǔn)備工作。

1.油箱　2.液位計(jì)　3.空氣濾清器　4.溫度繼電器　5.液位繼電器 6.磁棒　7.回油過濾器　8.粗濾器　9.細(xì)濾器　10.電機(jī) 11.棉模自動裝卸液壓系統(tǒng)主泵　12.車架升舉液壓系統(tǒng)主泵 13、14.電磁溢流閥　15.單向閥　16.電磁換向閥　17.液壓鎖 18.測壓點(diǎn)　19.手動截止閥　20.軟管　21.同步閥 22、23.履帶行走馬達(dá)　24、25.棉模提升馬達(dá)　26、 27升舉缸 28.伸縮缸　 29.冷卻器　30.卸油閥圖2　液壓系統(tǒng)原理圖

棉模自動裝卸系統(tǒng)是裝卸棉模的關(guān)鍵部分，由棉模自動裝卸液壓系統(tǒng)主泵11、電機(jī)10、電磁溢流閥13、履帶行走馬達(dá)22和23、棉模提升馬達(dá)24和25、同步閥21、單向閥15、電磁換向閥16等組成。棉模提升馬達(dá)采用機(jī)械連接同步，履帶行走馬達(dá)采用同步閥分流同步，由于驅(qū)動同一負(fù)載，工作時(shí)棉模提升馬達(dá)組和履帶行走馬達(dá)組保持水平線速度同步，減小其線速度不同時(shí)而對產(chǎn)生棉模的拉力或壓力。

1.3 液壓元件選型[2-4]

1) 液壓馬達(dá)的選擇

在籽棉運(yùn)模車液壓系統(tǒng)中有兩組低速液壓馬達(dá)，分別為履帶行走馬達(dá)和棉模提升馬達(dá)，下面對兩組馬達(dá)選型。

(1) 履帶行走馬達(dá)履帶行走馬達(dá)的力臂為履帶輪的半徑0.15 m，最大行進(jìn)/后退速度為0.08 m/s，得最大轉(zhuǎn)速為：

(1)

式中，n—— 馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min

v—— 履帶輪行進(jìn)/后退速度，m/s

R—— 履帶輪半徑，m

由式(1)得履帶輪轉(zhuǎn)速為：

n=(0.08×60)/(2×π×0.15)=5.1 r/min

棉模質(zhì)量為10000 kg,分別由一組提升缸和一組履帶行走馬達(dá)承載，單個(gè)履帶行走馬達(dá)承載最大質(zhì)量為2500 kg，忽略摩擦負(fù)載力矩和慣性負(fù)載力矩，履帶行走馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)矩即為工作負(fù)載力矩：

(2)

式中，T—— 馬達(dá)轉(zhuǎn)矩，N·m

G—— 重力，為25000 N

ηcm—— 馬達(dá)機(jī)械效率，取0.93

由式(2)得履帶輪轉(zhuǎn)矩為：

T=(25000×0.15)/0.93=4032 N·m

(2) 棉模提升馬達(dá)同理，按照上述計(jì)算過程得到參數(shù)，棉模提升馬達(dá)和履帶行走馬達(dá)所選型號一致，具體參數(shù)如表1所示。

表1　馬達(dá)選型參數(shù)表

2) 液壓缸的選擇

在升舉液壓系統(tǒng)中有兩組液壓缸，分別為提升缸和伸縮缸，下面對兩組液壓缸設(shè)計(jì)選型。

(1) 提升缸由于一組(2個(gè))提升缸同時(shí)提升平板前段，需要克服滿載做功，由活塞直徑(或缸筒內(nèi)徑)公式：

(3)

式中，D—— 活塞直徑或缸筒內(nèi)徑，mm

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，簡單系統(tǒng)取0.2 MPa

φ—— 桿徑比，取0.7

由式(3)得：D=59 mm，按GB/T 2348-1993，將液壓缸內(nèi)徑圓整為D=63 mm，故活塞桿直徑d=63×0.7=41.1 mm，圓整為d=45mm，根據(jù)行程要求，按GB/T 321-2005行程第一系列，選擇行程s=800 mm，型號為HSGK0163/45AE-Ec800。

(2) 伸縮缸伸縮缸的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型同上述提升缸，型號為HSGL01125/63AE-Ec1500，表2為兩缸的參數(shù)。

表2　提升缸和伸縮缸的參數(shù)

3) 液壓泵的選擇

籽棉運(yùn)模車采用雙聯(lián)齒輪泵系統(tǒng)，一個(gè)為車架升舉液壓系統(tǒng)供油，另一個(gè)為棉模自動裝卸系統(tǒng)供油，以下是兩泵的選型過程。

(1) 車架升舉液壓系統(tǒng)主泵

① 泵的最大工作壓力pP

車架升舉液壓系統(tǒng)主泵的最大工作壓力取決于提升缸和伸縮缸在滿載時(shí)的工作壓力，即為為12.2 MPa，泵的最大工作壓力：

pP≥p1+∑Δp

(4)

式中：p1—— 升舉缸和伸縮缸的最大工作壓力之和

∑Δp—— 為工作油路的總壓力損失，可以按照表3選?。辉撓到y(tǒng)屬于簡單系統(tǒng)，選取0.25 MPa

表3　系統(tǒng)總壓力損失的選取

由公式(4)計(jì)算泵的最大工作壓力為：

pP=p1+∑Δp=12.2+0.25=12.45 MPa

② 泵的最大流量qP

車架升舉液壓系統(tǒng)主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

(5)

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—— 升舉缸和伸縮缸同時(shí)動作時(shí)所需流量之和，L/min

由于本系統(tǒng)中，伸縮缸先動作，升舉缸后動作，兩缸工作行程互不干擾，并且升舉缸所需的流量大于伸縮缸所需的流量，由公式(5)計(jì)算車架升舉液壓系統(tǒng)主泵的最大流量為：

qP≥qV=K(∑q)max=K·q升max

=1.11×62.32=68.6 L/min

③ 選擇液壓泵的規(guī)格

根據(jù)上述計(jì)算得到pP=12.45 MPa，qP=68.6 L/min，由相關(guān)液壓手冊選擇相應(yīng)的液壓泵。根據(jù)系統(tǒng)所需流量，擬定初選車架升舉液壓系統(tǒng)主泵的轉(zhuǎn)速，泵的容積效率，可以得到泵的參考值為：

(6)

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(6)計(jì)算得升舉液壓系統(tǒng)泵的排量為：

(2) 棉模自動裝卸系統(tǒng)主泵

同理，使用上述計(jì)算過程，得到棉模自動裝卸系統(tǒng)主泵的最大工作壓力為12 MPa，最大流量為63 mL/min，排量為46.7 mL/r。

(3) 雙聯(lián)泵型號

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，最終確定泵為CBG雙聯(lián)齒輪泵，型號為：CBG 2063/2050-BFHR。

2　系統(tǒng)仿真分析

2.1　系統(tǒng)建模

在眾多系統(tǒng)仿真軟件中，由于AMESim可以建立復(fù)雜的液壓系統(tǒng)模型而被廣大用戶應(yīng)用于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中[5]。籽棉運(yùn)模車液壓系統(tǒng)工作時(shí)，棉模自動裝卸系統(tǒng)主泵驅(qū)動履帶行走馬達(dá)和棉模提升馬達(dá)，其中履帶行走馬達(dá)和棉模提升馬達(dá)由同步閥分流，其線速度在水平面的分速度保持同步反向，以防止拉散或擠壓棉模；升舉液壓系統(tǒng)驅(qū)動升舉缸和伸縮缸。在AMESim環(huán)境下，搭建雙聯(lián)泵模型如圖3所示，同步閥模型如圖4所示，籽棉運(yùn)模車液壓系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。

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4所示。

2.3　系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

仿真模型中系統(tǒng)提供壓力為16 MPa，仿真時(shí)間為25 s，通信間隔為0.01 s，運(yùn)行仿真。圖6、圖7分別為履帶行走馬達(dá)和棉模提升馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速曲線；圖8、圖9分別為升舉缸和伸縮缸位移曲線。

圖3　雙聯(lián)泵模型

圖4　同步閥模型

圖5　籽棉運(yùn)模車液壓系統(tǒng)仿真模型圖

表4　參數(shù)設(shè)置

(續(xù)表)

圖6　履帶行走馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速曲線

圖7　棉模提升馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速曲線

圖8　升舉缸位移曲線

圖9　伸縮缸位移曲線

(1) 由圖6可以看出，在模擬實(shí)際工況施加在外界加負(fù)載轉(zhuǎn)矩的仿真環(huán)境下，由于馬達(dá)的轉(zhuǎn)向相反，輸出曲線關(guān)于X軸對稱，履帶行走馬達(dá)組傳輸平穩(wěn)，輸出轉(zhuǎn)速5.07 r/min，沒有明顯沖擊，在輸出穩(wěn)定后，曲線上下波動0.1 r/min，這是由于馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速決定的，波動很小，在同步工作的誤差允許范圍之內(nèi)。從圖中可以看出，履帶行走馬達(dá)22和23曲線重合度較高，輸出轉(zhuǎn)速一致，同時(shí)驗(yàn)證了同步閥模型的正確性，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；

(2) 由圖7可以看出，棉模提升馬達(dá)傳輸平穩(wěn)，由于馬達(dá)轉(zhuǎn)向相反，且兩馬達(dá)為機(jī)械同軸連接，輸出曲線關(guān)于X軸對稱，輸出轉(zhuǎn)速一致，穩(wěn)定值為5.7 r/min。與圖6比較，履帶行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)速折合到履帶輪的線速度為0.08 m/s；棉模提升馬達(dá)折合到鏈輪的線速度為0.0815 m/s，且線速度在水平方向的分速度為0.080003 m/s，近似等于0.08 m/s。由此可以等到履帶行走馬達(dá)和棉模提升馬達(dá)線速度在水平方向上同步，有效地防止棉模被拉散或擠壓，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；

(3) 由圖8和圖9可知，0～14 s伸縮缸運(yùn)動，斜率平滑，運(yùn)動平穩(wěn)；14～18 s升舉缸完成動作，在曲線的拐角處出現(xiàn)了波動，約0.8 s后恢復(fù)穩(wěn)定，是由于液壓缸行至終端與缸座剛性沖擊回程造成的，也為液壓缸緩沖裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了一定的理論基礎(chǔ)；參照圖6、圖7在第18 s時(shí)，履帶行走馬達(dá)和棉模提升馬達(dá)同時(shí)工作，完成對棉模的裝卸。

3　結(jié)論

(1) 通過對籽棉運(yùn)模車的工況分析，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對主要液壓元件進(jìn)行了選型；

(2) 液壓系統(tǒng)采用雙聯(lián)泵工作方式，各子系統(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仿真軟件搭建籽棉運(yùn)模車液壓系統(tǒng)，并對系統(tǒng)中元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過HCD庫搭建同步閥模型得到運(yùn)模車履帶行走馬達(dá)和棉模提升馬達(dá)線速度均為0.08 m/s，驗(yàn)證了同步閥模型的正確性，整車液壓系統(tǒng)也滿足實(shí)際工作的要求，為產(chǎn)品的開發(fā)和改進(jìn)提供了一定的理論依據(jù)。

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