馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)清潔裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與閥控液壓馬達(dá)數(shù)學(xué)建模

張童等

摘要：為了解決傳統(tǒng)馬鈴薯輥式聯(lián)合收獲機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)清潔滾筒易停轉(zhuǎn)的問(wèn)題，提升收獲機(jī)的工作效率、工作穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，以4UL-2型收獲機(jī)為研究對(duì)象，在深入剖析清潔裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了全新的伺服閥控液壓馬達(dá)調(diào)速換向系統(tǒng)。對(duì)閥控液壓馬達(dá)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)，對(duì)速度控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模并最終確立了該系統(tǒng)中各元件的參數(shù)值。

關(guān)鍵詞：清潔裝置；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)建模；傳遞函數(shù)

中圖分類號(hào)： S225.7+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）09-0444-04

馬鈴薯具有產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前我國(guó)馬鈴薯的種植面積和鮮薯產(chǎn)量均居世界首位。內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊，土壤肥沃，全區(qū)種植馬鈴薯面積多達(dá)9 300萬(wàn)hm2，占全國(guó)的18%[1-2]。使用馬鈴薯收獲機(jī)，不僅可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可提高收獲效率、縮短收獲時(shí)間，降低成本。近些年，我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)發(fā)展迅速，典型機(jī)型有 4M-2 型，4UFD-1400型等[3-4]。但由于我國(guó)馬鈴薯種植地況的復(fù)雜性，現(xiàn)有機(jī)型均難以完全滿足收獲需求，特別是馬鈴薯清潔裝置易被硬物卡死不能及時(shí)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象尤為突出。對(duì)4UL-2型馬鈴薯收獲機(jī)清潔裝置存在反轉(zhuǎn)卡死的現(xiàn)象進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了新的伺服閥控制液壓馬達(dá)的伺服控制回路，有效地解決了液壓系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的問(wèn)題，對(duì)提高收獲機(jī)的收獲效率及加快馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1清潔裝置的工作原理及不足

薯塊清潔裝置是清潔初收獲薯塊表面泥土、雜質(zhì)的裝置，是馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵組成部分。該裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圓柱滾筒、螺旋滾筒、擋板、液壓馬達(dá)、支撐板、變速箱組6個(gè)部分組成。在工作過(guò)程中，液壓馬達(dá)通過(guò)增速變速箱組驅(qū)動(dòng)由圓柱滾筒和螺旋滾筒組成的橡膠清潔滾筒，帶動(dòng)薯塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、摩擦，從而實(shí)現(xiàn)薯塊及其表面泥土的分離。薯塊清潔滾筒的間隙為12 mm，狹小的滾筒間隙不僅可以避免薯塊從滾筒間脫落，而且可避免泥土等雜質(zhì)的堆積[1]。

4UL-2型馬鈴薯收獲機(jī)正常工作狀態(tài)可高效地實(shí)現(xiàn)馬鈴薯地收獲，但在內(nèi)蒙古很多種植區(qū)土壤中存在大量不規(guī)則石子，當(dāng)其徑向尺寸大于12 mm時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)石子阻止清潔滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，使?jié)L筒的轉(zhuǎn)速降低、割傷橡膠層，甚至清潔滾筒會(huì)完全被石子卡住。此時(shí)，馬達(dá)進(jìn)油管路中油壓迅速升高，壓力繼電器應(yīng)該快速根據(jù)油壓作出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)反轉(zhuǎn)，但實(shí)際工作中壓力繼電器常常不能快速準(zhǔn)確地對(duì)液壓馬達(dá)停轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)油管路中的高壓油作出反應(yīng)，使溢流閥不能及時(shí)卸荷，這就容易造成液壓系統(tǒng)壓力過(guò)高甚至損壞[1，5]。

2液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決上述缺陷，需要研究一種新的液壓馬達(dá)自動(dòng)換向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速檢測(cè)及反饋，使液壓馬達(dá)可快速進(jìn)行轉(zhuǎn)向切換，從而實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)清潔裝置持續(xù)穩(wěn)定的工作。為此設(shè)計(jì)圖2所示的馬鈴薯收獲機(jī)清潔裝置液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)主要由2個(gè)部分組成，右半部分為原有的普通液壓馬達(dá)換向系統(tǒng)，一般不工作；左半部分是設(shè)計(jì)的全新液壓伺服調(diào)速系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的工作原理如下：左側(cè)系統(tǒng)：收獲機(jī)在作業(yè)中由發(fā)動(dòng)機(jī)功率為70 kW的拖拉機(jī)進(jìn)行牽引，油箱18中的液壓油經(jīng)吸油過(guò)濾器1過(guò)濾后進(jìn)入由輸出軸驅(qū)動(dòng)的定量液壓泵2，使低壓液壓油變?yōu)楣ぷ魉璧母邏阂簤河?。高壓液壓油?jīng)過(guò)高壓過(guò)濾器8，將液壓油中的雜質(zhì)進(jìn)一步過(guò)濾，保證更加清潔的液壓油進(jìn)入到伺服閥10，高壓液壓油經(jīng)過(guò)二位四通電磁閥11的左腔，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)12實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)。當(dāng)清潔滾筒被不規(guī)則石子卡住時(shí)，液壓馬達(dá)將停轉(zhuǎn)，這時(shí)檢測(cè)清潔滾筒轉(zhuǎn)速的測(cè)速機(jī)將檢測(cè)到的速度信號(hào)與給定的指令信號(hào)比較，實(shí)現(xiàn)伺服閥閥芯位置的移動(dòng)，液壓油從伺服閥的右腔流入，從而實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的反轉(zhuǎn)及清潔滾筒的換向工作，保證了清潔裝置的正常運(yùn)行。該系統(tǒng)中其他元件還有單向閥5，可以防止收獲機(jī)停車時(shí)發(fā)生清潔裝置液壓系統(tǒng)液壓油倒流，對(duì)液壓馬達(dá)及清潔滾起到制動(dòng)作用；蓄能器7可以對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)多余的液壓能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存，當(dāng)蓄能器儲(chǔ)能飽和后，系統(tǒng)的壓力升高，這時(shí)壓力繼電器6得電使二位二通電磁閥4動(dòng)作，進(jìn)而使卸荷溢流閥3卸去多余的液壓能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)液壓系統(tǒng)的恒壓工作。

右側(cè)系統(tǒng)：當(dāng)伺服調(diào)速換向系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，手動(dòng)按下二位二通電磁閥9和二位四通電磁閥11動(dòng)作的按鈕，實(shí)現(xiàn)閥芯移動(dòng)，切換到液壓系統(tǒng)原理圖的右半部分，保證清潔裝置中的清潔滾筒按照原有收獲機(jī)的液壓系統(tǒng)正常工作。壓力表15對(duì)供油壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)清潔滾筒被石子卡住使得液壓馬達(dá)供油壓力顯著升高后，這時(shí)壓力繼電器16得電使換向優(yōu)先閥13動(dòng)作，保證清潔裝置中驅(qū)動(dòng)清潔滾筒的液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)清潔裝置正常運(yùn)行。卸荷優(yōu)先閥14的主要作用是對(duì)流經(jīng)液壓馬達(dá)換向系統(tǒng)中的液壓油實(shí)現(xiàn)恒壓，回油過(guò)濾器17對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的回油作過(guò)濾除雜。

3控制系統(tǒng)原理分析

伺服閥控液壓馬達(dá)是上述液壓系統(tǒng)的核心，因此有必要對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行原理分析。伺服閥控液壓馬達(dá)的原理如圖3所示，它由伺服放大器、電液伺服閥、液壓馬達(dá)、測(cè)速機(jī)等組成。測(cè)速機(jī)作為清潔裝置液壓控制系統(tǒng)的反饋檢測(cè)元件，用于控制液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)清潔滾筒的轉(zhuǎn)速，使之按照給定的指令信號(hào)變化，利用測(cè)速機(jī)的測(cè)速軸與清潔裝置中清潔滾筒軸相連接，將檢測(cè)到的速度信號(hào)與指令信號(hào)差（誤差信號(hào)）經(jīng)伺服放大器進(jìn)行功率放大，產(chǎn)生的電流控制電液伺服閥閥芯的位置，電液伺服閥輸出壓力油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，帶動(dòng)清潔滾筒旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)閥控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)原理中給出的清潔滾筒換向控制方案，閥控液壓馬達(dá)速度伺服控制系統(tǒng)方框圖（圖4）更加簡(jiǎn)明地描述了清潔裝置中清潔滾筒的換向工作流程，為液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模及參數(shù)確定奠定基礎(chǔ)[1]。

4閥控液壓馬達(dá)數(shù)學(xué)建模

4.1閥控液壓馬達(dá)動(dòng)力機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)

閥控液壓馬達(dá)的傳遞函數(shù)是根據(jù)液壓控制閥的流量方程、液壓馬達(dá)的流量連續(xù)性方程、液壓馬達(dá)與負(fù)載的力平衡方程這3個(gè)基本方程推導(dǎo)出來(lái)的。endprint

假定：控制零開口四邊滑閥的4個(gè)節(jié)流窗口是匹配對(duì)稱的，供油壓力Ps恒定，回油壓力P0為零。閥的線性化流量方程為：

qL=KqXv-KcPL 。（1）

式中：qL為負(fù)載流量，m3/s；Kq為流量增益，m3/（s·m）；Kc為流量-壓力系數(shù)，m3/（s·Pa）；Xv為閥芯位移，m；PL為負(fù)載壓力。

假定：閥與液壓馬達(dá)的連接管道對(duì)稱且短而粗，忽略管道中的壓力損失和管道動(dòng)態(tài)；馬達(dá)工作腔內(nèi)各處的壓力相等，油溫、體積彈性模量為常數(shù)；液壓馬達(dá)內(nèi)、外泄漏均為層流動(dòng)。根據(jù)進(jìn)入液壓馬達(dá)進(jìn)油腔的流量q1和回油腔中流出的流量q2以及液壓馬達(dá)2個(gè)工作腔的容積V1、V2，可得出流量連續(xù)性方程，經(jīng)合理的簡(jiǎn)化后該方程為：

則速度傳感器增益 Kf=0.19 V/（rad/s）。測(cè)速機(jī)傳動(dòng)比為in=3。伺服放大器增益參數(shù)Ka=0.14。

利用MATLAB軟件對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示控制系統(tǒng)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間不大于0.1 s，且波動(dòng)不超過(guò)5%，因此設(shè)計(jì)的液壓控制系統(tǒng)能夠滿足給定的性能指標(biāo)。

5結(jié)論

本研究在原有4UL-2型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)清潔裝置液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)全新的閥控液壓馬達(dá)調(diào)速換向系統(tǒng)，能夠有效解決液壓馬達(dá)的停轉(zhuǎn)問(wèn)題，在提高收獲機(jī)收獲效率的基礎(chǔ)上，也保護(hù)了清潔裝置中的液壓系統(tǒng)。對(duì)閥控液壓馬達(dá)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)，對(duì)速度控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并最終確立了系統(tǒng)中各元件的參數(shù)值，且這些參數(shù)值滿足新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

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