插秧機(jī)液壓升降及水平擺動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真

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(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 廣西 南寧　530004)

引言

在高速乘坐式水稻插秧機(jī)種植技術(shù)中，秧苗的入土深度控制直接決定著秧苗的成活率及分蘗效果[1]。插秧深度以“不漂不倒，越淺越好”為原則[2]，因此插秧機(jī)在工作過程中必須根據(jù)水田硬底層縱向及橫向起伏情況對(duì)插植臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，通過升降、水平調(diào)整等協(xié)調(diào)動(dòng)作來保證插秧深度一致從而確保插秧質(zhì)量。插植臺(tái)的升降及水平調(diào)整一般采用液壓驅(qū)動(dòng)方式[3-5]。在插植臺(tái)姿態(tài)調(diào)整的過程中，液壓缸所受負(fù)載將隨著插植臺(tái)位置的變化而變化，因此按恒負(fù)載進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和元件的選擇并不合適。對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)， 采用求解微分方程組計(jì)算出某時(shí)刻的相關(guān)系統(tǒng)變量的狀態(tài)，其過程過于復(fù)雜。如果利用ADAMS進(jìn)行仿真計(jì)算，只需要搭建好模型并定義相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)約束、作用力以及初始狀態(tài)后就可以很方便的得到仿真結(jié)果[6]。與其他仿真軟件相比，AMESim在機(jī)電液一體化系統(tǒng)的建模仿真中優(yōu)勢(shì)更為明顯，而且提供了豐富的與其他軟件的接口[7,8]。結(jié)合以上兩種軟件在各自領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，對(duì)插秧機(jī)液壓升降及水平擺動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究，為傳動(dòng)方案的確定和液壓元件的合理選擇提供理論依據(jù)。

1　升降控制系統(tǒng)及水平調(diào)整系統(tǒng)的介紹

1.1　升降控制系統(tǒng)

插秧機(jī)的升降控制系統(tǒng)為主要由液壓泵、升降缸、液壓控制閥、操縱機(jī)構(gòu)和四桿機(jī)構(gòu)組成，通過液壓油缸的伸縮控制插植臺(tái)的升降，圖1為兩種升降缸的安裝方案。方案一中升降缸整體設(shè)置在四桿機(jī)構(gòu)內(nèi)部，其中缸筒鉸接在一個(gè)頂角上，活塞桿鉸接在一根桿件上。而方案二中升降缸整體設(shè)置在四桿機(jī)構(gòu)的外部，其中缸筒鉸接在車架上，活塞桿鉸接在一根桿件的端部。

1.車架　2.升降缸　3.四桿機(jī)構(gòu)　4.插植臺(tái)圖1　液壓升降機(jī)構(gòu)

1.2　水平調(diào)整系統(tǒng)

插秧機(jī)的水平調(diào)整系統(tǒng)主要由液壓泵、擺動(dòng)缸、液壓控制閥、操縱機(jī)構(gòu)和彈簧組成，通過液壓油缸的伸縮帶動(dòng)插植臺(tái)的擺動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

方案一中擺動(dòng)缸通過支撐盒設(shè)置在連接支架上，與插植臺(tái)異面，本設(shè)計(jì)中偏距Δ=67 mm，作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)矩，而方案二中擺動(dòng)缸直接安裝在連接支架上，與插植臺(tái)共面。

1.插值臺(tái)　2.連接支架　3.擺動(dòng)缸　4～6.銷軸　7.擺動(dòng)補(bǔ)償彈簧圖2　水平調(diào)整機(jī)構(gòu)

2　基于ADAMS的動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1　參數(shù)設(shè)置

將在UG中建立的三維模型導(dǎo)入ADAMS并添加約束。在機(jī)構(gòu)間鉸接處設(shè)置旋轉(zhuǎn)副，往復(fù)運(yùn)動(dòng)處設(shè)置移動(dòng)副，彈簧處設(shè)置拉壓彈簧阻尼，忽略鉸接處的摩擦力，缸筒與活塞桿之間的密封摩擦力以機(jī)械效率折算到液壓缸的負(fù)載中。仿真的參數(shù)以企業(yè)委托開發(fā)的高速乘坐式插秧機(jī)為依據(jù)，其整機(jī)功率為7 kW，整機(jī)重量500 kg,插植臺(tái)重量300 kg。水平擺動(dòng)補(bǔ)償彈簧剛度為530.4 N/m，升降缸活塞運(yùn)動(dòng)速度為0.018 m/s，行程為180 mm，擺動(dòng)缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度為0.008 m/s，行程為80 mm，據(jù)此可得液壓缸位移驅(qū)動(dòng)函數(shù)如下：

(1)

(2)

式(1)為升降缸的位移函數(shù)，0～5 s為升降缸由中間位置向上提升過程，5～15 s由最高點(diǎn)下降至中間位置最終至最低點(diǎn)，15～20 s由最低點(diǎn)上升至中間位置，20～45 s保持于中間位置。式(2)為水平調(diào)整缸的位移函數(shù)， 0～20 s擺動(dòng)缸保持在中間位置，20～25 s 由中間位置往右運(yùn)動(dòng)進(jìn)行橫向調(diào)平，25～35 s由右端位置往左運(yùn)動(dòng)進(jìn)行橫向調(diào)平，35～40 s由左端位置回到中間位置，40～45 s保持在中間位置。

2.2　仿真結(jié)果及分析

從圖3a可見，升降控制液壓缸所受負(fù)載隨插植臺(tái)升降位置的變化呈非線性變化，在插植臺(tái)升降的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)出現(xiàn)峰值。方案一升降缸承受的負(fù)載小于方案二。

從圖3b可見，水平調(diào)整液壓缸所受負(fù)載隨插植臺(tái)擺動(dòng)位置的變化呈非線性變化，在左右兩端即最大擺角處出現(xiàn)峰值。表1給出了兩種方案的極限值對(duì)比。水平調(diào)整方案一中液壓缸承受的負(fù)載要比方案二的大，且在左調(diào)平和右調(diào)平時(shí)負(fù)載相差較大，這是因?yàn)榉桨敢恢幸簤焊着c插植臺(tái)異面，作業(yè)時(shí)產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致了其所受負(fù)載增大。

圖3　調(diào)整機(jī)構(gòu)的負(fù)載變化曲線

從以上仿真結(jié)果可以看到，升降控制方案一中液壓缸承受的負(fù)載小于方案二，而水平調(diào)整方案一的液壓缸承受的負(fù)載要比方案二大?？梢娮鳂I(yè)機(jī)構(gòu)的升降控制系統(tǒng)和水平調(diào)整系統(tǒng)采用不同布局方式時(shí)，液壓系統(tǒng)承受的負(fù)載是不同的，且可能具有較大差別。

將ADAMS仿真獲得的動(dòng)態(tài)負(fù)載保存為tab格式后，導(dǎo)入AMESim模型中，可以進(jìn)一步觀察系統(tǒng)工作過程的壓力、流量變化情況，為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和液壓件的選擇提供參考。

3　基于AMESim的液壓系統(tǒng)建模與仿真

3.1　升降控制液壓系統(tǒng)建模與仿真

插植臺(tái)的上升過程由液壓驅(qū)動(dòng)，下降時(shí)可以利用插植臺(tái)本身的重力使作業(yè)機(jī)構(gòu)下降，當(dāng)插植臺(tái)停止作業(yè)時(shí)升降系統(tǒng)卸荷?；谏鲜鎏匦?，本研究選用一個(gè)三位三通換向閥控制升降缸的運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行裝置選用一個(gè)單作用液壓缸，所建升降控制液壓系統(tǒng)模型如圖4所示。將ADAMS仿真所得的負(fù)載曲線導(dǎo)入至AMESim模型中模擬負(fù)載的變化過程，可分析升降液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

圖4　液壓升降系統(tǒng)的AMESim模型

3.2　水平調(diào)整系統(tǒng)液壓建模與仿真

插植臺(tái)的水平調(diào)整系統(tǒng)左調(diào)平及右調(diào)平均需要液壓泵供油，在作業(yè)機(jī)構(gòu)無需橫向調(diào)平時(shí)擺動(dòng)缸停止，基于上述特性本研究選用一個(gè)三位四通換向閥控制擺動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)方向，選用雙活塞桿液壓缸作為執(zhí)行元件，所建水平調(diào)整液壓系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5　液壓水平調(diào)整系統(tǒng)的AMESim模型

將在ADAMS仿真中獲得的負(fù)載曲線導(dǎo)入AMESim模型中模擬負(fù)載的變化過程，可分析水平調(diào)整液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

3.3　仿真結(jié)果及分析

由圖6可見，升降控制系統(tǒng)方案二的壓力要比方案一高出2 MPa左右，且在升降缸換向過程中,壓力沖擊比方案一的大1.5 MPa左右；在升降缸由最高點(diǎn)往下降時(shí)，方案二中液壓缸的流量變動(dòng)比較大，即液壓缸的速度穩(wěn)定性較差。顯然，插植臺(tái)液壓升降控制系統(tǒng)，方案一的性能要優(yōu)于方案二。

圖6　液壓升降控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

由圖7可見，壓力水平調(diào)整系統(tǒng)方案一擺動(dòng)缸的壓力要比方案二高出1 MPa左右，在擺動(dòng)缸換向過程中,兩種的壓力沖擊都比較大，而方案一中液壓缸的流量變動(dòng)比較大，即液壓缸的速度穩(wěn)定性較差?？梢?，水平調(diào)整系統(tǒng)方案二的動(dòng)態(tài)性能要優(yōu)于方案一。

4　結(jié)論

基于ADAMS與AMESim軟件對(duì)水稻插秧機(jī)插植臺(tái)的升降控制及水平調(diào)整液壓傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，得出以下結(jié)論：

(1) 在插植臺(tái)的升降控制及水平調(diào)整過程中，液壓缸所受負(fù)載隨插植臺(tái)位置的變化呈非線性變化，在升降和擺動(dòng)的極限位置處出現(xiàn)峰值；

(2) 升降控制系統(tǒng)采用方案一時(shí)，升降缸承受的負(fù)載壓力較小，且換向沖擊較小，速度穩(wěn)定性較好， 故液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較優(yōu)， 設(shè)計(jì)水稻插秧機(jī)的液壓升降控制系統(tǒng)時(shí)，在空間布局允許的情況下應(yīng)優(yōu)先選擇方案一；

圖7　水平調(diào)整系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

(3) 水平調(diào)整系統(tǒng)采用方案二時(shí)，擺動(dòng)缸的工作壓力較小，對(duì)擺動(dòng)缸的性能要求較低，在設(shè)計(jì)水稻插秧機(jī)的水平調(diào)整系統(tǒng)時(shí)，在空間布局允許的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮方案二；

(4) 插秧機(jī)在升降調(diào)節(jié)和水平調(diào)節(jié)換向過程中存在較大壓力沖擊，油路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮適當(dāng)?shù)木彌_措施。

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