基于AMESim的甘蔗中耕機(jī)菱形自走底盤同步性研究

黃 淼，鄭丁科，楊丹彤，劉慶庭

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

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基于AMESim的甘蔗中耕機(jī)菱形自走底盤同步性研究

黃 淼，鄭丁科，楊丹彤，劉慶庭

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

甘蔗中耕是甘蔗生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，針對(duì)甘蔗中耕作業(yè)人工耗費(fèi)量大、機(jī)械化水平低的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了菱形四輪龍門架式高地隙甘蔗中耕機(jī)。該機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，液壓行走系統(tǒng)是該機(jī)的重要組成部分，驅(qū)動(dòng)輪的同步性能會(huì)直接影響整機(jī)的穩(wěn)定性。分析了甘蔗中耕機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，針對(duì)中耕機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的同步性進(jìn)行仿真分析，建立了分流集流閥和行走液壓系統(tǒng)的AMESim模型，并通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的正確性。仿真試驗(yàn)和樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)渭兊姆至骷鏖y同步方案驅(qū)動(dòng)輪的同步誤差高達(dá)10%以上，嚴(yán)重影響中耕機(jī)的直線行走性能。最后，提出了提高中耕機(jī)同步性的解決方案，為后續(xù)的改進(jìn)工作提供理論依據(jù)。

甘蔗；中耕機(jī)；自走底盤；AMESim 仿真

0 引言

蔗糖是重要的食品添加劑，而甘蔗又是我國(guó)主要的制糖原料[1-3]。甘蔗中耕是甘蔗生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)[4]，也是相當(dāng)耗費(fèi)人工的一道工序。提高甘蔗全程生產(chǎn)過程的機(jī)械化水平不僅要提高甘蔗的機(jī)械化種植和收割水平，更應(yīng)該努力提高甘蔗機(jī)械化中耕和田間管理水平。因此，研究甘蔗田間管理及中耕機(jī)械變得十分必要和有意義。但是，甘蔗中耕時(shí)甘蔗株最高已有1.5m左右[5]，給機(jī)械中耕作業(yè)帶來了一定的困難，對(duì)甘蔗中耕機(jī)特別是行走系統(tǒng)提出了較高的要求：一是甘蔗中耕機(jī)行走系統(tǒng)擁有良好的調(diào)速、變速及差速能力，以適應(yīng)不同的作業(yè)速度要求；二是能夠?qū)崿F(xiàn)跨頂作業(yè)，具有良好的行間通過性能，做到不傷苗、不掛苗，行走過程中不傷到甘蔗根部等。我國(guó)主要甘蔗產(chǎn)區(qū)的甘蔗種植行距寬窄不一，要求甘蔗中耕機(jī)能夠適應(yīng)不同的行距作業(yè)，即作業(yè)行距可調(diào)[6]。本文以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的菱形四輪甘蔗中耕機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其行走液壓系統(tǒng)進(jìn)分析、AMEsim仿真建模和樣機(jī)試驗(yàn)，為后續(xù)的改進(jìn)工作提供理論依據(jù)。

1 甘蔗中耕機(jī)介紹

甘蔗中耕機(jī)質(zhì)量3.3t，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率59kW，額定轉(zhuǎn)速2 600r/min。中耕機(jī)最大的特點(diǎn)就是4個(gè)車輪為菱形布置，這樣既減小了中耕機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑，又增加了中耕機(jī)的行間通過性能。甘蔗中耕機(jī)左、右輪為驅(qū)動(dòng)輪，前后輪為從動(dòng)輪兼轉(zhuǎn)向輪。甘蔗中耕機(jī)的左右輪可往內(nèi)外伸縮，作業(yè)行距可調(diào)，能夠適應(yīng)1.0～1.4m的甘蔗種植行距；發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在狹長(zhǎng)的車身前部，左、右驅(qū)動(dòng)輪安裝在龍門架式的左、右側(cè)臂上，保證中耕機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)1.5m以上的跨頂高度。其三維模型圖如圖1所示。甘蔗中耕機(jī)中耕作業(yè)時(shí)，作業(yè)機(jī)具安裝在左、右輪及后輪的支架上，同時(shí)作業(yè)行數(shù)為3行，其作業(yè)示意圖如圖2所示。

1.輪距調(diào)節(jié)液壓缸 2.發(fā)動(dòng)機(jī) 3.前輪 4.右驅(qū)動(dòng)輪 5、6、8.中耕機(jī)具 7.后輪 9.左驅(qū)動(dòng)輪圖1 甘蔗中耕機(jī)三維模型圖

為了保證菱形四輪中耕機(jī)的4個(gè)車輪能夠同時(shí)著地，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)車身。中耕機(jī)行走底盤由前、后兩部分車架鉸接而成。其中，前后車架能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，靠車架頂部彈簧復(fù)位；相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角范圍為0°～15°，左右輪可以上下調(diào)節(jié)的高度為0～0.24m。中耕機(jī)車架的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.甘蔗地壟 2.甘蔗株 3.左側(cè)臂 4.左驅(qū)動(dòng)輪 5.駕駛室 6.右側(cè)臂 7.右驅(qū)動(dòng)輪 8.甘蔗地溝 9.前輪圖2 甘蔗中耕機(jī)作業(yè)示意圖

1.后車架 2.鉸接軸 3.復(fù)位彈簧 4.前車架圖3 甘蔗中耕機(jī)車架結(jié)構(gòu)圖

中耕機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)與安裝在左、右驅(qū)動(dòng)輪輪邊的減速機(jī)相連帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。中耕機(jī)為單泵雙馬達(dá)并聯(lián)連接，定量馬達(dá)排量54.4mL/r，變量泵最大排量105.5mL/r，輪邊減速機(jī)傳動(dòng)比為35.5。中耕機(jī)兩驅(qū)動(dòng)馬達(dá)并聯(lián)時(shí)靠分流集流閥實(shí)現(xiàn)差速和同步。其液壓行走系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

1.泵組 2、10換向閥 3.單向閥 4、7、12、13.溢流閥 5.過濾器 6熱油梭閥 8.冷卻器 9.分流閥 11.固定節(jié)流孔 14、15.行走馬達(dá)圖4 中耕機(jī)液壓行走系統(tǒng)原理圖

中耕機(jī)采用單泵雙馬達(dá)并聯(lián)的閉式液壓行走系統(tǒng)。其中，手控變量泵自帶補(bǔ)油泵，通過手動(dòng)換向閥控制變量泵的旋向，實(shí)現(xiàn)泵的正反轉(zhuǎn)。溢流閥設(shè)定了補(bǔ)油泵的補(bǔ)油壓力，熱油沖洗閥使得部分高壓油經(jīng)溢流閥回油箱，并且流經(jīng)冷卻器進(jìn)行熱交換。電磁換向閥控制分流閥的接入與否。當(dāng)二位二通換向閥工作在左位時(shí)，分流集流閥不起分流作用，兩驅(qū)動(dòng)馬達(dá)根據(jù)負(fù)載的大小自由分配流量，負(fù)載大的馬達(dá)流量小、轉(zhuǎn)速慢，方便中耕機(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)實(shí)現(xiàn)兩驅(qū)動(dòng)輪的差速；當(dāng)二位二通換向閥工作在右位時(shí)，分流集流閥處于工作狀態(tài)，中耕機(jī)兩驅(qū)動(dòng)馬達(dá)依靠分流集流閥的等量分流實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的同步，保證中耕機(jī)良好的直線行走性能。分流閥分流出來的兩條支路之間的節(jié)流孔對(duì)消除流量波動(dòng)有著顯著的效果。溢流閥設(shè)定了行走馬達(dá)的最高壓力，做安全閥使用。

閉式行走液壓系統(tǒng)中，中耕機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的同步性能主要取決于分流集流閥的等量分流性能，分流集流閥等量分流的分流誤差越低則相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)輪的同步誤差也就越低，同步性能就越好。因此，有必要對(duì)分流集流閥的性能進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2 中耕機(jī)行走液壓系統(tǒng)AMESim仿真建模

AMESim軟件可以很方便地建立元件級(jí)、部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的計(jì)算模型。就中耕機(jī)的液壓系統(tǒng)而言，分流集流閥沒有現(xiàn)成的模型可以調(diào)用，需要根據(jù)分流集流閥的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，用AMESim的HCD庫建立它的元件模型。

中耕機(jī)采用的是Eaton2CFD200系列分流集流閥，其閥芯結(jié)構(gòu)如圖5所示。根據(jù)分流集流閥的閥芯結(jié)構(gòu)，忽略泄露、瞬態(tài)液動(dòng)力及一些次要因素，建立如圖6所示分流狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型[7]。

1.左閥芯 2.右閥芯 3、6、9.彈簧 4、8.可變節(jié)流口 5、7.固定節(jié)流口圖5 Eaton2CFD200分流集流閥內(nèi)部閥芯

圖6 分流集流閥分流工況數(shù)學(xué)模型

由圖6可得

(1)

(2)

(3)

式中C1—固定節(jié)流口流量系數(shù)；

k—固定節(jié)流口個(gè)數(shù)，k=4；

ρ—液壓油密度；

d—固定節(jié)流口直徑。

中耕機(jī)上的分流集流閥是等量分流的，則

(4)

由閥芯的受力分析，可得[8]

(5)

式中Fs1、Fs2—左、右可變節(jié)流口穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力；

D—閥芯外徑；

k—彈簧剛度；

x0—彈簧預(yù)壓縮量；

x—閥芯位移；

m—閥芯質(zhì)量；

Bf—粘性阻尼系數(shù)。

根據(jù)流體力學(xué)，則有

Fs1=c2cv2A1(x)cosθ(p1-p3)

(6)

Fs2=c2cv2A2(x)cosθ(p2-p4)

(7)

式中C2—可變節(jié)流口的流量系數(shù)；

Cv2—可變節(jié)流口的流速系數(shù)；

A1(x)、A2(x)—左、右可變節(jié)流口面積；

θ—可變節(jié)流口射流角。

可變節(jié)流口面積A1(x)、A2(x)的計(jì)算要根據(jù)Eaton2CFD200分流集流閥閥芯的具體結(jié)構(gòu)而定。不妨令閥套上的小孔半徑為r，閥芯上沉割槽的半徑為R，

且R>r>0。建立如圖7所示的直角坐標(biāo)系，閥芯從左往右移動(dòng)過程中可變節(jié)流口的面積如圖7中陰影部分所示。為了敘述方便，稱閥套上的圓孔r為固定圓，稱閥芯上的沉割槽R為移動(dòng)圓。

圖7 可變節(jié)流口大小變化示意圖

建立如圖7所示的坐標(biāo)系后，可以得到固定圓和移動(dòng)圓的解析式。

固定圓方程為

x2+y2=r2

(8)

移動(dòng)圓方程為

(x-c)2+y2=R2

(9)

不妨令

(10)

那么，可變節(jié)流口的面積A可以表示為關(guān)于自變量c的分段函數(shù)，則

A=f(c)

(11)

其中，c為一變量，分段函數(shù)的表達(dá)式如表1所示。左、右可變節(jié)流口的面積A1(x)、A2(x)在AMESim仿真模型中可以用HCD庫中的BAO042來代替，只要分別設(shè)置好直徑大小和初始位移c的值，便可以真實(shí)地反映出A1(x)、A2(x)的變化情況。

表1 可變節(jié)流口面積A(x)的分段函數(shù)表達(dá)式

分流集流閥等量分流的分流誤差可以表示為[9]

(12)

將式(2)、式(3)代入式(12)中,得到

(13)

穩(wěn)態(tài)下閥芯所受合力為0，整理后代入式(11)，得

(14)

式中 d—固定節(jié)流口直徑；

k—彈簧剛度；

D——閥芯外徑；

式(12)左右兩邊同時(shí)除以定量馬達(dá)排量v，則有

(15)

式中 ω1—左驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速；

ω2—右驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速；

v—馬達(dá)排量。

由式(14)、式(15)可知：ξ既可以表示分流集流閥的分流誤差，又可以表示兩驅(qū)動(dòng)輪的同步誤差。分流集流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)ξ有影響，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)包括分流集流閥的彈簧剛度、閥芯外徑及固定節(jié)流口直徑。在仿真試驗(yàn)時(shí)可以以此作為試驗(yàn)因素，設(shè)置不同的參數(shù)水平，探究其對(duì)ξ的影響。

根據(jù)分流集流閥的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，用AMESim的HCD庫建立它的元件模型，如圖8所示。根據(jù)中耕機(jī)行走系統(tǒng)的液壓原理圖，用AMESim的Hydraulic庫和Mechanical庫進(jìn)一步建立中耕機(jī)整個(gè)液壓行走系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，如圖9所示[10]。

圖8 分流集流閥分流狀況AMESim模型

圖9 中耕機(jī)液壓行走系統(tǒng)AMESim模型

3 仿真試驗(yàn)

1)試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^AMESim仿真軟件改變分流集流閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究各個(gè)參數(shù)對(duì)分流誤差的影響及最佳參數(shù)匹配。

2)試驗(yàn)方法：按照實(shí)際情況設(shè)置好仿真參數(shù)，根據(jù)樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)可知：中耕機(jī)行走時(shí)左右輪的扭矩約為700N·m左右，由于存在制造誤差和裝配誤差，左、右輪承重并不相等；再加上摩擦力等因素的影響，左、右輪存在約3%的負(fù)載差。根據(jù)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果，給左輪695N·m的恒定負(fù)載輸入、右輪715N·m的恒定負(fù)載輸入。根據(jù)理論分析結(jié)果，彈簧剛度、閥芯外徑、固定節(jié)流口直徑都會(huì)對(duì)分流誤差有影響。實(shí)際中，在能夠克服摩擦力、保證閥芯恢復(fù)中位的前提下，彈簧剛度應(yīng)該越小越好。根據(jù)文獻(xiàn)資料和經(jīng)驗(yàn)值，彈簧剛度設(shè)置為5N/mm。而同一系列不同型號(hào)的分流集流閥會(huì)有不同的尺寸，根據(jù)市場(chǎng)上Eaton2CFD200系列不同型號(hào)的分流集流閥的實(shí)際尺寸，以固定節(jié)流口直徑、閥芯外徑為試驗(yàn)因素A、B，并設(shè)置參數(shù)水平: A1=2mm, A2=3mm, A3=4mm, B1=10mm, B2=20mm,B3=30mm，試驗(yàn)指標(biāo)為分流集流閥的分配流量差，單位是L/min。仿真結(jié)果如表2所示。

表2 仿真試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

續(xù)表2

3)仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：固定節(jié)流口直徑為4mm、閥芯外徑為30mm的分流集流閥分流誤差最小，但也有10.2%。中耕機(jī)3%的恒定負(fù)載差會(huì)引起驅(qū)動(dòng)輪10%以上的同步誤差，分流集流閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整對(duì)兩驅(qū)動(dòng)輪同步誤差無根本性的改善。

4 樣機(jī)試驗(yàn)

1)試驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)試中耕機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的分流誤差。

2)試驗(yàn)設(shè)備：菱形四輪甘蔗中耕機(jī)樣機(jī)，雷諾CT125-V-B-B-6流量傳感器，量程0～125L/min，雷諾SR-PTT400-05-0C壓力傳感器，量程0～40MPa。

3)試驗(yàn)方法：在水泥路面上，中耕機(jī)以2km/h的速度行駛時(shí)，測(cè)試左、右驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)油口的壓力流量。

樣機(jī)測(cè)試試驗(yàn)照片如圖10所示，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

1.后輪 2.右驅(qū)動(dòng)輪 3.左驅(qū)動(dòng)輪 4.壓力、流量傳感器 5.前輪圖10 樣機(jī)試驗(yàn)

圖11 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果

由圖11可知：中耕機(jī)以2km/h的速度行駛時(shí)，右馬達(dá)A口平均壓力2.692MPa，平均流量19.40L/min，左馬達(dá)A口平均壓力2.592MPa，平均流量22.26L/min。此期間，左、右驅(qū)動(dòng)馬達(dá)平均分流誤差為13.37%，當(dāng)存在3%的負(fù)載差時(shí)會(huì)引起分流集流閥超過10%的分流誤差。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

超過10%的同步誤差會(huì)使得中耕機(jī)在行走過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的走偏現(xiàn)象。中耕機(jī)直線行駛性能測(cè)試的結(jié)果表明：不操縱轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的前提下，中耕機(jī)平均每25m會(huì)走偏將近1m，降低了整機(jī)的可操控性。為了提高中耕機(jī)的直線行走性能，驅(qū)動(dòng)輪的同步誤差應(yīng)保持在3%以內(nèi)。

5 解決方案

對(duì)于定量馬達(dá)而言，驅(qū)動(dòng)輪馬達(dá)的流量誤差和其同步誤差是一樣的，可以考慮使用壓力負(fù)反饋調(diào)節(jié)的變量馬達(dá)，當(dāng)馬達(dá)負(fù)載變化時(shí)，馬達(dá)的排量也會(huì)相應(yīng)的變化。負(fù)載較大的驅(qū)動(dòng)輪馬達(dá)壓力高、流量小，同時(shí)排量也變大，以保證兩驅(qū)動(dòng)輪的同步。建立的AMESim仿真模型如圖12所示。

圖12 液壓行走系統(tǒng)模型

如此改變之后，同樣的條件下運(yùn)行仿真，驅(qū)動(dòng)輪的同步誤差可降至2%～3%。

6 結(jié)語

利用AMESim軟件對(duì)中耕機(jī)行走液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)中耕機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。樣機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果和仿真分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了AMESim仿真模型的正確性。仿真試驗(yàn)得出中耕機(jī)驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生同步誤差的主要原因是：分流集流閥對(duì)流量的分配是開環(huán)控制，本身并不能校正分流誤差，當(dāng)中耕機(jī)驅(qū)動(dòng)輪存在3%的負(fù)載差時(shí)，分流集流閥的分流誤差被放大到10%以上。通過仿真，找到減小驅(qū)動(dòng)輪同步誤差的方法：在分流集流閥對(duì)流量進(jìn)行分配的基礎(chǔ)上，再通過變量馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)可以將同步誤差降至3%，可以滿足中耕機(jī)行走的同步要求。

[1] 馬凱,徐雪.中國(guó)食糖市場(chǎng)現(xiàn)狀與未來5年展望[J].農(nóng)業(yè)展望，2015(9)：12-17.

[2] 徐雪，馬凱．2014年中國(guó)食糖市場(chǎng)分析與展望[J].中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng)，2014，21(4)：47-50.

[3] 黃敞，劉海濱，王迎,等.甘蔗中耕施肥機(jī)發(fā)展探討[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2014(11)：14-15.

[4] 曾志強(qiáng)，區(qū)穎剛.2CZY-2 型甘蔗種植機(jī)試驗(yàn)和分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2015(3):31-32.

[5] 許妃如，甘俊旗，曾志強(qiáng),等.甘蔗田間管理機(jī)械化作業(yè)技術(shù)規(guī)范[J].熱帶農(nóng)業(yè)工程，2013(2)：22-24.

[6] 呂美巧.新型甘蔗窄行中耕培土機(jī)的研究設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2015(3):47-48.

[7] 賈劍峰.分流集流閥在全液壓平地機(jī)中的應(yīng)用研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2009：18-19.

[8] 王建成.大噸位起重機(jī)平衡重同步調(diào)節(jié)技術(shù)仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012:8.

[9] 李壯云.液壓元件與系統(tǒng)(3版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2011：214-215.

[10] 金勝秋.基于AMESim的液壓同步閥的仿真分析及結(jié)構(gòu)研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2009：25-26.

Study on Synchronization of the Hydraulic Driving System of a Sugarcane Cultivator Based on AMESim

Huang Miao, Zheng Dingke, Yang Dantong, Liu Qingting

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Sugarcane cultivation is an important link in sugarcane production. Aiming at the problem of high effort cost and low degree of mechanization during sugarcane production, a sugarcane cultivator with rhombic chassis offour-wheel is designed.This machine is fully hydraulic driven and hydraulic driving system is one of the most important parts of a sugarcane cultivator, whose property will have profound influence on the reliability of the whole machine. Aiming at the synchronization of driving wheels, a simulation is done. The AMESim simulation model of a FCD valve and the hydraulic driving system are established. Then the correctness of the simulation model is verified by a prototype test. The results of both prototype test and the simulation show that synchronization scheme only using a FCD valve has a synchronization error more than ten percent which significantly affect on the linear walking performance of the sugarcane cultivator. At last a promotion suggestion is made. All the work has provided theoretical basis for a further study and improvement.

sugarcane; cultivator; self propelled chassis; AMESim flow distributing and collecting valve

2016-05-03

國(guó)家甘蔗產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)(CARS-2014-1)

黃 淼(1989-)，男，湖南澧縣人，碩士研究生，(E-mail)563632567@qq.com。

鄭丁科(1971-)，男，廣東連平人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)dkzheng@scau.edu.cn。

S224.1

A

1003-188X(2017)06-0007-06