聯(lián)合收割機(jī)通用型液壓割臺(tái)的設(shè)計(jì)與仿真

陳恒峰　郭輝　呂全貴　徐志強(qiáng)　高國(guó)民

摘要：隨著液壓傳動(dòng)的大型聯(lián)合收割機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械中使用比例的增大，液壓割臺(tái)將逐漸取代帶傳動(dòng)的機(jī)械割臺(tái)，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字自動(dòng)化控制；同時(shí)對(duì)割臺(tái)的通用性提出新要求，以便于快速換裝，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能的工作模式。對(duì)此，以新疆C-2收割機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一款獨(dú)立的通用型液壓割臺(tái)，通過對(duì)撥禾輪、攪龍、往復(fù)式切割器、撥禾輪支撐油缸進(jìn)行工作分析，設(shè)計(jì)液壓回路、對(duì)液壓元件進(jìn)行選型、建立AMESim模型仿真驗(yàn)證等方面研究，為我國(guó)液壓割臺(tái)的設(shè)計(jì)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：通用型；獨(dú)立割臺(tái)；液壓回路設(shè)計(jì)；AMESim建模；仿真

中圖分類號(hào)： S225.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）19-0246-05

收稿日期：2017-04-14

基金項(xiàng)目：“十三五”國(guó)家重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)：2016YFD0701300、2016YFD0701303-03）。

作者簡(jiǎn)介：陳恒峰（1988—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。 E-mail：648391937@qq.com。

通信作者：郭 輝，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)自動(dòng)化裝備。E-mail：gh97026@126.com。 隨著液壓技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的大型聯(lián)合收割機(jī)使用液壓傳動(dòng)，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)字自動(dòng)化控制。收獲割臺(tái)作為大型聯(lián)合收割機(jī)的重要組成部分也隨著時(shí)間的推移從帶傳動(dòng)的機(jī)械割臺(tái)逐漸升級(jí)為液壓割臺(tái)。我國(guó)地域廣闊、環(huán)境氣候優(yōu)越，適合農(nóng)作物的生長(zhǎng)，因此農(nóng)作物品種豐富、可一年多季收獲；為提高大型聯(lián)合收割機(jī)使用效率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能的工作模式，必須設(shè)計(jì)一種通用型的聯(lián)合收割機(jī)，即對(duì)機(jī)械進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，將液壓底盤設(shè)計(jì)成一種通用性很強(qiáng)的工作平臺(tái)，對(duì)收獲割臺(tái)根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的不同收獲特點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)[1]。

以新疆C-2收割機(jī)為基礎(chǔ)，通過對(duì)撥禾輪、攪龍、往復(fù)式切割器、撥禾輪支撐油缸進(jìn)行工作分析，選擇以液壓馬達(dá)獨(dú)立推動(dòng)撥禾輪、攪龍、往復(fù)式切割器且撥禾輪支撐油缸單獨(dú)回路連接的一款獨(dú)立的通用型谷物收獲液壓割臺(tái)，通過液壓換向閥對(duì)系統(tǒng)元件進(jìn)行回路控制。相對(duì)于傳統(tǒng)的帶鏈輪連接機(jī)械割臺(tái)，使用液壓集成塊可以實(shí)現(xiàn)快速與液壓底盤的拆裝，提高工作效率；同時(shí)各元件之間傳動(dòng)與控制相互獨(dú)立，可以針對(duì)不同的農(nóng)作物、不同的生長(zhǎng)環(huán)境提供最優(yōu)化的工作參數(shù)，提高生產(chǎn)效率、降低損失、提高經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，操作人員可以根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)使用情況，對(duì)機(jī)械工作數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)算、分析、優(yōu)化，為發(fā)展新機(jī)型提供寶貴的實(shí)物資料[2]。

1 通用獨(dú)立液壓割臺(tái)的設(shè)計(jì)依據(jù)

撥禾輪、攪龍、往復(fù)式切割器選擇以液壓馬達(dá)獨(dú)立推動(dòng)，撥禾輪支撐油缸單獨(dú)回路連接，使用液壓閥獨(dú)立單一控制各執(zhí)行元件的通用型獨(dú)立液壓割臺(tái)，各工作執(zhí)行元件參數(shù)見表1。

各液壓馬達(dá)適用范圍不僅滿足對(duì)應(yīng)元件的工作速度，而

表1 新疆C-2型聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)元件參數(shù)

項(xiàng)目名稱 參數(shù)撥禾輪轉(zhuǎn)速25～39 r/min撥禾輪直徑1 000 mm 攪龍轉(zhuǎn)速244～256 r/min 攪龍直徑500 mm 往復(fù)式切割器轉(zhuǎn)速490～510 r/min 割臺(tái)工作幅寬2.36 m 撥禾輪支撐油缸YD25

且在工作時(shí)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載變化時(shí)為其提供穩(wěn)定動(dòng)力。

2 通用獨(dú)立液壓割臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作系統(tǒng)壓力國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)10～16 MPa，現(xiàn)確定工作系統(tǒng)額定壓力為10 MPa，最高16 MPa，此方案既可以滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求，又不增加液壓件的采購(gòu)成本。以新疆C-2型聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)元件參數(shù)為設(shè)計(jì)依據(jù)，結(jié)合液壓系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)，選擇閉式靜液壓傳動(dòng)方案[3]。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝靈活、油箱體積小、工作效益高、工作能量損失小；其主要部件有工作泵、工作馬達(dá)、油缸、換向閥、補(bǔ)油泵、溢流閥；其中泵為系統(tǒng)動(dòng)力元件，馬達(dá)、油缸為執(zhí)行元件，電磁換向閥為控制元件，一起組成工作系統(tǒng)；補(bǔ)油泵與溢流閥組成補(bǔ)油系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)損失進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)換油降溫，保證系統(tǒng)工作時(shí)油溫符合使用要求（圖1）。

液壓底盤通過液壓集成模塊接口與獨(dú)立割臺(tái)連接，使兩者之間的油路相通；壓力表觀察系統(tǒng)壓力，溢流閥保護(hù)系統(tǒng)安全，調(diào)速閥調(diào)整對(duì)應(yīng)執(zhí)行元器件的工作速度參數(shù)，使系統(tǒng)整體驅(qū)動(dòng)功率不受負(fù)載影響而發(fā)生改變，保證液壓元件工作的穩(wěn)定性；整個(gè)系統(tǒng)的控制過程可以由操作者直接調(diào)節(jié)與改變液壓閥的開關(guān)、旋轉(zhuǎn)變量完成，有利于在實(shí)際使用過程中尋找出最佳的工作參數(shù)、提高工作效益、降低作業(yè)損失。

3 割臺(tái)液壓系統(tǒng)的主要元件的計(jì)算與選型

3.1 撥禾輪

撥禾齒線速度V1為

V1=2πR×n160。

式中：V1為撥禾齒線速度，m/s；n1為撥禾輪轉(zhuǎn)速，r/min；R為撥禾輪半徑，m。

撥禾輪馬達(dá)工作載荷力矩Mg1和功率N1為

Mg1=F1×B×R；

N1=F1×B×V1×10-3。

式中：Mg1為撥禾輪馬達(dá)工作載荷力矩，N·m；N1為撥禾輪馬達(dá)工作載荷功率，kW；F1為撥禾輪單位長(zhǎng)度撥禾阻力，N/m（一般為25～40 N/m）；B為割臺(tái)工作幅寬，m。

3.2 攪龍

工作載荷功率N2和載荷力矩Mg2的計(jì)算公式為

N2=Ug（Lη1+H）η2×10-3=U（Lη1+H）η2×10-2；

Mg2=9 550N2n2。

式中：N2為攪龍馬達(dá)工作載荷功率，kW；U為生產(chǎn)率，2 kg/s；g為重力加速度，m/s2；η1為阻力系數(shù)（取5）；L為割臺(tái)長(zhǎng)度，m；H為作物提升高度，m；η2為校正系數(shù)，η2=10（由于攪龍?jiān)诠ぷ髦卸氯p繞時(shí)阻力會(huì)成倍增加，故校正系數(shù)η2取較大值10）；n2為攪龍轉(zhuǎn)速，r/min。endprint

3.3 切割器

工作載荷功率N3和載荷力矩Mg3；其中N3包括切割功率Ng與空轉(zhuǎn)功率Nk 2個(gè)部分，即：

N3=Ng+Nk=Vm×B×E0×10-3+Nk′×B；

Mg3=9 550N3/n3。

式中：N3為切割器工作載荷功率，kW；Ng為切割功率，kW；Nk為空轉(zhuǎn)功率，kW；B為割臺(tái)工作幅寬，m；Vm為收割機(jī)前進(jìn)速度，m/s；E0為單位收獲面積的莖稈切割功，N·m/m2；Nk′為每米割幅需消耗的空轉(zhuǎn)功率，kW；n3為擺環(huán)箱轉(zhuǎn)速，r/min。

經(jīng)測(cè)定：收割小麥時(shí)E0=100～200 N·m/m2，收割牧草時(shí)E0=200～300 N·m/m2。Nk為空轉(zhuǎn)功率，與切割器設(shè)計(jì)制造技術(shù)和割幅有關(guān)，一般每米割幅需消耗的空轉(zhuǎn)功率：Nk′=0.6～1.2 kW 。

馬達(dá)排量計(jì)算公式：

q=2×π×TWP1×ηm

式中：P1為液壓系統(tǒng)額定壓力；TW為液壓馬達(dá)扭矩；ηm為機(jī)械效率，取0.8。

根據(jù)計(jì)算公式與新疆C-2型聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)元件參數(shù)，選擇液壓馬達(dá)元件參數(shù)（表2、表3）。

3.4 液壓泵的選型

在選擇液壓元器件時(shí)，根據(jù)馬達(dá)所需流量確定泵的流量QP。

液壓馬達(dá)的排量q、轉(zhuǎn)速n和流量Q的關(guān)系為

Q=qn1 000。

式中：q為液壓馬達(dá)的排量，mL/r；n為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，r/min；Q為液壓馬達(dá)的流量，L/min。

液壓泵（馬達(dá)）功率計(jì)算公式為

N=P×Q612。

式中：P為液壓馬達(dá)的工作壓力（1 MPa=10 kg/cm2）；N為液壓馬達(dá)的功率，kW。

液壓泵的最大工作壓力Pp

Pp≥p1+∑Δp

式中：p1為液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓力；∑Δp為從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)入口之間總的管路損失。∑Δp的準(zhǔn)確計(jì)算要待元件選定并繪出管路圖時(shí)才能進(jìn)行，初算時(shí)可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取：管路簡(jiǎn)單、流速不大的，取∑Δp=（0.2～0.5） MPa；管路復(fù)雜，進(jìn)口有調(diào)閥的，取∑Δp=（0.5～15） MPa。

選擇工作系統(tǒng)最高工作壓力為16 MPa、額定工作壓力 10 MPa，帶入?yún)?shù)得額定工作壓力Pp=11.5 MPa；

多液壓缸或液壓馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，液壓泵的輸出流量應(yīng)為

QP≥K（∑Qmax）。

式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3；∑Qmax為同時(shí)動(dòng)作的液壓缸或液壓馬達(dá)的最大總流量。

由于割臺(tái)正常收獲谷物時(shí)，撥禾輪支撐油缸處于靜止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)YD25型油缸工作油量小，因此不加入系統(tǒng)進(jìn)行流量計(jì)算。根據(jù)新疆C-2型聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)元件參數(shù)、計(jì)算公式與系統(tǒng)特點(diǎn)：主泵的總流量=K×系統(tǒng)液壓馬達(dá)流量+輔助泵的流量（輔助泵的流量為系統(tǒng)中各馬達(dá)總流量的25%～30%，其作用是為系統(tǒng)補(bǔ)充流量的同時(shí)進(jìn)行管路油液散熱）[4-5]。根據(jù)設(shè)計(jì)液壓原理并結(jié)合計(jì)算參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)后的馬達(dá)與泵的選型與工作實(shí)際參數(shù)見表4、表5。

4 割臺(tái)液壓系統(tǒng)的仿真研究

4.1 建立割臺(tái)液壓系統(tǒng)模型

根據(jù)泵與馬達(dá)、油缸受力的參數(shù)及系統(tǒng)圖形，設(shè)計(jì)使用AMESim液壓仿真軟件現(xiàn)有的液壓元件庫(kù)建立聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)液壓系統(tǒng)模型[6-9]、整體仿真模型（圖2）。閉式回路系統(tǒng)仿真模型（圖3）、單獨(dú)液壓馬達(dá)的仿真模型（圖4）、工作油缸的仿真模型（圖5）。

根據(jù)液壓系統(tǒng)整體仿真模型與符合液壓工作原理的計(jì)算結(jié)果，制定液壓仿真參數(shù)（表6），AMESim仿真時(shí)默認(rèn)工作條件為理想工作環(huán)境，泵的輸出功率全部轉(zhuǎn)化為馬達(dá)的工作能量。

4.2 液壓割臺(tái)的仿真分析

將液壓系統(tǒng)仿真參數(shù)帶入模型仿真后，得到液壓執(zhí)行元件撥禾輪馬達(dá)（圖6）、攪龍馬達(dá)（圖7）、往復(fù)切割器馬達(dá)（圖8）、帶負(fù)載液壓缸（圖9）的仿真工作結(jié)果。其中圖形中數(shù)值為負(fù)時(shí)，液壓馬達(dá)正常工作；數(shù)值為正時(shí)，液壓馬達(dá)為反轉(zhuǎn)。

由圖6可以看出，撥禾輪馬達(dá)在啟動(dòng)開始時(shí)1～3 s振幅明顯；平穩(wěn)工作后，撥禾輪馬達(dá)仿真工作結(jié)果流量值為2.574 L/min，設(shè)計(jì)流量為2.5 L/min；工作壓力最大值 9.5 MPa，設(shè)計(jì)額定壓力為10 MPa；正常工作轉(zhuǎn)矩范圍在49～93 N·m，過載保護(hù)時(shí)的工作轉(zhuǎn)矩為93～103 N·m，馬達(dá)的工作額定轉(zhuǎn)矩為95 N·m；馬達(dá)正常工作最高轉(zhuǎn)速為40 r/min，設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為39 r/min。綜合上述的分析結(jié)果表明，撥禾輪馬達(dá)在仿真結(jié)果中的技術(shù)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，滿足工作使用需求。

上述的分析結(jié)果表明，往復(fù)切割器馬達(dá)在仿真結(jié)果中的技術(shù)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，滿足工作使用需求。

由圖9可以看出帶負(fù)載液壓缸的仿真工作結(jié)果，啟動(dòng)開始時(shí)1 s振幅明顯；平穩(wěn)工作后，油缸無桿腔仿真工作結(jié)果流量值為1.55 L/min，設(shè)計(jì)流量為1.5 L/min，有桿腔仿真工作結(jié)果流量值為1.86 L/min，設(shè)計(jì)流量為1.8 L/min；工作壓力最大值6 MPa，設(shè)計(jì)額定壓力為10 MPa，最高壓力16 MPa；油缸無桿腔仿真工作時(shí)油缸運(yùn)行速度為5 cm/s，有桿腔仿真工作時(shí)油缸運(yùn)行速度為6.5 cm/s，油缸在工作規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成伸縮要求行程為240 mm，且動(dòng)作要求符合工作時(shí)液壓回路的慢進(jìn)快退的急回特性。綜合上述的分析結(jié)果表明，負(fù)載液壓缸在仿真結(jié)果中的技術(shù)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，滿足工作使用需求。

由圖6至圖8聯(lián)合分析可以發(fā)現(xiàn)，在Y型三位四通換向閥處于中位時(shí)，系統(tǒng)中液壓馬達(dá)可以實(shí)現(xiàn)停止馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，泄壓保護(hù)，防止轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重超載導(dǎo)致馬達(dá)損壞；在實(shí)際工作過程中可以在撥禾輪、攪龍、往復(fù)切割器卡死時(shí)對(duì)工作回路進(jìn)行泄壓保護(hù)，同時(shí)在撥禾輪、攪龍實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切換時(shí)減小液壓對(duì)馬達(dá)的沖擊，保證液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)執(zhí)行元件與控制元件的使用壽命。

綜合分析上述觀點(diǎn)，仿真參數(shù)結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)相吻合，因此液壓系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)與工作要求。

5 結(jié)論

在設(shè)計(jì)完成液壓割臺(tái)的工作參數(shù)后，使用AMESim對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模與參數(shù)仿真，可以直觀地觀察分析仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在的問題與缺陷，便于進(jìn)一步的產(chǎn)品優(yōu)化升級(jí)，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，仿真結(jié)果在驗(yàn)證系統(tǒng)參數(shù)合理性的同時(shí)，為產(chǎn)品的生產(chǎn)與改進(jìn)提供充分的理論依據(jù)，保證實(shí)際工作中產(chǎn)品系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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