基于AMESim的薯類收獲機(jī)液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)與仿真

史文婷，呂釗欽，鹿　瑤，鄭文秀，程祥勛，劉正鐸

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，山東 泰安　271018)

0　引言

馬鈴薯甘薯等薯類是廣泛分布于世界各地的經(jīng)濟(jì)作物，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高且可作為多種食品的加工原料，為我國(guó)糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收，做出了巨大貢獻(xiàn)[1]。我國(guó)是世界上馬鈴薯生產(chǎn)消費(fèi)第一的大國(guó), 薯類收獲機(jī)械的研發(fā)與應(yīng)用可有力地推動(dòng)薯類產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。

國(guó)外薯類收獲機(jī)起步早、發(fā)展迅速、水平高，而且已把振動(dòng)、傳感技術(shù)及液壓技術(shù)等高新技術(shù)融于機(jī)具之中。20世紀(jì)60年代中期，我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)研制的工作才發(fā)展起來(lái)[3]。目前,國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)大多以單一的中小型鏈條式馬鈴薯收獲機(jī)為主，特點(diǎn)是輕便、配套動(dòng)力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。我國(guó)中小型薯類收獲機(jī)存在的普遍問(wèn)題如下：易于壅堵，行進(jìn)阻力偏大，明薯率低，傷薯率較高，機(jī)械化水平較低[4]。因此，在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)機(jī)械化的大背景下，迫切需求經(jīng)濟(jì)效益高、適應(yīng)能力強(qiáng)、作業(yè)質(zhì)量好、可靠性高、功能完善的薯類收獲機(jī)械，以滿足薯類作物產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展需求。

本文設(shè)計(jì)的以電液控制為基礎(chǔ)的薯類收獲機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)的以拖拉機(jī)傳動(dòng)軸為動(dòng)力的薯類收獲機(jī)更有普遍適用性，避免了機(jī)械摩擦產(chǎn)生的損耗。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)變速。

1　機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

1.1　整體結(jié)構(gòu)

該薯類收獲機(jī)在傳統(tǒng)意義上的中小型薯收獲機(jī)的基礎(chǔ)上增加了液壓系統(tǒng)，用電液控制傳動(dòng)代替了傳動(dòng)收獲機(jī)中的機(jī)械傳動(dòng)。該傳動(dòng)系統(tǒng)中包括電控液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)放大與自動(dòng)控制處理系統(tǒng)，由液壓控制元件、液壓執(zhí)行元件和負(fù)載組成的液壓裝置稱為液壓動(dòng)力輸送機(jī)構(gòu)。由于液壓泵、液壓馬達(dá)和電磁比例閥組成的動(dòng)力機(jī)械效率不高但響應(yīng)快，而且控制精度高，因此小功率系統(tǒng)多采用這種動(dòng)力機(jī)構(gòu)。收獲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示

1.2　原理分析

電液傳動(dòng)控制原理如圖2所示。其中，反映速度的反饋信號(hào)來(lái)自角速度傳感器,安裝于薯類收獲機(jī)動(dòng)力輸出軸上；輸出信號(hào)通過(guò)放大器放大信號(hào)，再經(jīng) A/ D 轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速反饋的數(shù)字信號(hào)，并與設(shè)定的信號(hào)值做偏差比較,組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。電磁比例閥是轉(zhuǎn)速控制的比例控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件,在電壓輸出信號(hào)控制下, 改變液壓油進(jìn)出馬達(dá)流量和流向, 控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速, 從而達(dá)到自動(dòng)控制轉(zhuǎn)速的目的[5]。

1.液壓泵　2.電磁比例閥　3.油箱　4.轉(zhuǎn)速傳感器　5.液壓馬達(dá)圖1　液壓傳動(dòng)薯類收獲機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of hydraulic transmission potato harvester

圖2　液壓傳動(dòng)薯類收獲機(jī)原理圖

根據(jù)作業(yè)要求,電控液壓傳動(dòng)系統(tǒng)需滿足收獲機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定要求。對(duì)電液傳動(dòng)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí), 需符合系統(tǒng)工作要求, 實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行及元件各項(xiàng)功能。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功率、工作壓力、流量，以及系統(tǒng)對(duì)工作平穩(wěn)性、溫度控制等方面的要求來(lái)選擇元件。

1.3　薯類收獲機(jī)參數(shù)

薯類收獲機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1　薯類收獲機(jī)主要參數(shù)

2　關(guān)鍵液壓元件選取

2.1　薯類收獲機(jī)主動(dòng)軸的扭矩計(jì)算

薯類收獲機(jī)主動(dòng)軸的扭矩計(jì)算如圖3所示。

圖3　薯類收獲機(jī)升運(yùn)鏈上的物體受力分析圖

鏈條上負(fù)載的截面面積為

S=1/2hL

(1)

鏈條上負(fù)載的重量為

G=SBρg

(2)

主動(dòng)輪的牽引力為

Fs=Gsinθ

(3)

主動(dòng)輪的扭矩為

T=Fs(R+lm)

(4)

式中h—土壤高度，取h=0.25m；

L—升運(yùn)鏈長(zhǎng)度，取L=0.901m；

ρ—土壤密度，取ρ=1 500kg/m3；

B—機(jī)器作業(yè)寬度，取B=0.8m；

R—主動(dòng)輪的半徑，取R=0.08m；

θ—升運(yùn)鏈角度，取θ=30°；

lm—負(fù)載重心距離鏈條接觸面的距離，取lm=0.083m；

g—土壤密度，取g=9.8N/kg。

將以上各參數(shù)數(shù)據(jù)帶入式(1)～式(4)，通過(guò)計(jì)算可得主動(dòng)輪的扭矩T=107.95Nm。

2.2　液壓馬達(dá)

馬達(dá)的各參數(shù)計(jì)算如下，即

(4)

馬達(dá)進(jìn)出口壓力差Δp=ps-pL

(5)

(6)

馬達(dá)輸入功率PM1=Δpqv

(7)

馬達(dá)輸出功率PM2=PM1-Tω

(8)

式中Ps—馬達(dá)入口壓力；

PL—馬達(dá)出口壓力；

ps—供油壓力；

qv—馬達(dá)的流量；

ω—馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

由上面計(jì)算主動(dòng)輪的扭矩得所選馬達(dá)扭矩不能低于107.95N·m，最大轉(zhuǎn)速取350r/min。由于傳動(dòng)力的零件間相對(duì)滑動(dòng)摩擦而生熱和液壓馬達(dá)流道中流體壓力損失的限制，液壓馬達(dá)的理論參數(shù)與實(shí)際會(huì)有一定的差距，因此選取馬達(dá)型號(hào)時(shí)盡可能稍大于計(jì)算的數(shù)值。

BM系列擺線馬達(dá)為體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)速范圍寬及扭矩大的液壓馬達(dá)，能適用于高壓力下的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低速穩(wěn)定性好，單位質(zhì)量功率遠(yuǎn)比其他類型的液壓馬達(dá)大；先進(jìn)的軸密封設(shè)計(jì)，較高的背后承受能力；短期超載能力強(qiáng)，輸出扭矩大；有軸配流和端面配流兩種結(jié)構(gòu)，農(nóng)業(yè)機(jī)械中廣泛使用。因此，該液壓傳動(dòng)系統(tǒng)選取BM2系列擺線液壓馬達(dá)，其排量為125mL/r，壓力14MPa，轉(zhuǎn)速范圍10～440r/min，最大輸出扭矩270N·m。

2.3　電液比例溢流閥的選用

由于電液比例溢流閥能進(jìn)行高精度、遠(yuǎn)距離的壓力流量控制，因此選用電液比例溢流調(diào)速閥的型號(hào)為EFBG-03-125-C流量型。其最高使用壓力為24.5MPa，流量調(diào)整范圍1.0～125L/min,額定電流680mA,壓差0.6MPa,滯環(huán)小于7%,重復(fù)精度1%。

這種溢流調(diào)速閥是一種節(jié)能閥，可以為執(zhí)行元件的工作提供必須的最小壓力和流量。此閥能夠根據(jù)負(fù)載壓力并使壓差保持最小來(lái)控制泵的壓力，是一種低耗能、節(jié)能、進(jìn)油控制節(jié)流式調(diào)速閥。這種閥具有溫度補(bǔ)償功能，能使控制流量穩(wěn)定而不受油液溫度的影響。

2.4　液壓泵的選用

該液壓傳動(dòng)系統(tǒng)選用齒輪泵，其排量61mL/r，流量60L/min，轉(zhuǎn)速600～1 800r/min，最高壓力16MPa，質(zhì)量16.5kg。該高壓齒輪泵采用齒頂掃膛，軸向密封采用浮動(dòng)壓力平衡側(cè)板，具有效率高、體積小、質(zhì)量輕及工作可靠等特點(diǎn)。

3　基于AMEsim仿真的負(fù)載特性試驗(yàn)

3.1　液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在AMESim中的建模

AMESim是一種集信號(hào)控制元件、液壓元件及機(jī)械元件等多種元器件為一體的多學(xué)科復(fù)雜仿真平臺(tái)與建模系統(tǒng)。本文通過(guò)在AMESim中建立模型對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在電液控制下的負(fù)載特性進(jìn)行分析[6]。

根據(jù)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖(見(jiàn)圖4),在AMESim中的液壓庫(kù)中選取液壓泵、電磁比例閥、液壓馬達(dá)、油箱；在機(jī)械庫(kù)中選取在電機(jī)、負(fù)載、轉(zhuǎn)速傳感器；在信號(hào)控制庫(kù)中選取信號(hào)源、放大倍數(shù)、比例積分微分控制器。

圖4　電液控制傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

液控馬達(dá)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)模型仿真中，把液壓馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速通過(guò)比例控制環(huán)節(jié)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),并將反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較,所得差值經(jīng)過(guò)PID控制器處理再發(fā)出信號(hào),PID輸出信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào),建立液控馬達(dá)PID閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型[7]。

3.2　負(fù)載在AMESim中的特性分析

液壓系統(tǒng)建模仿真過(guò)程中，液壓馬達(dá)參數(shù)都選取液壓馬達(dá)參數(shù)的額定值,馬達(dá)轉(zhuǎn)速取320r/min,排量為120mL/r；液壓泵參數(shù)選取泵的轉(zhuǎn)速設(shè)為1 500r/min,排量為65mL/r；電磁比例閥閥門固有頻率為20Hz；閥門額定電流為680mA,選取的流量比液壓泵小[9]。在仿真過(guò)程中,通過(guò)對(duì)信號(hào)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)及比例放大的調(diào)節(jié)，可以得到負(fù)載的在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的仿真圖如圖5～圖8所示。

由圖5和圖6可以看出：馬達(dá)轉(zhuǎn)速跟蹤效果較好,負(fù)載實(shí)際轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯滯后于目轉(zhuǎn)速,而且負(fù)載轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定值達(dá)到了設(shè)定目標(biāo)值。

圖5　轉(zhuǎn)速300r/min時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)速仿真圖

圖6　轉(zhuǎn)速250r/min時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)速仿真圖

圖7　轉(zhuǎn)速300r/min時(shí)負(fù)載扭矩仿真圖

圖8　達(dá)到250r/min穩(wěn)定時(shí)負(fù)載扭矩仿真圖Fig.8　Simulation of load torque at 250r/min

由圖7和圖8可以看出：不同轉(zhuǎn)速時(shí)，負(fù)載扭矩處于正常范圍內(nèi)，負(fù)載的平衡不會(huì)受到影響。

4　結(jié)論

1)本文通過(guò)對(duì)薯類收獲機(jī)負(fù)載的受力分析，求出主動(dòng)軸的扭矩，確定了液壓馬達(dá)的所需扭矩及其它參數(shù)，進(jìn)而選取合適型號(hào)的馬達(dá)。該液壓傳動(dòng)系統(tǒng)依據(jù)擺線液壓馬達(dá)型號(hào)及系統(tǒng)需求，確定電液比例溢流閥及齒輪泵的型號(hào)。

2)將該液壓系統(tǒng)在AMESim中對(duì)其不同參數(shù)下的性能進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期效果。