基于負(fù)載敏感系統(tǒng)的山地液壓割草機(jī)工作回路研究

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

引言

割草機(jī)是一款廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等領(lǐng)域的小型農(nóng)機(jī)。傳統(tǒng)的割草機(jī)主要傳動(dòng)方式為機(jī)械傳動(dòng)，該傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶輪傳動(dòng)、帶輪和輸出端的配置連接等一系列機(jī)械部件，過(guò)多部件會(huì)導(dǎo)致在搭建割草機(jī)整機(jī)時(shí)結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜化[1]。電動(dòng)割草機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由電源、電線和電動(dòng)機(jī)組成，通過(guò)電線傳動(dòng)，僅依賴少數(shù)機(jī)械部件即可完成整機(jī)搭建工作。但是電動(dòng)割草機(jī)的電源問(wèn)題成了限制其使用性能的主要原因。當(dāng)電動(dòng)割草機(jī)工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致其電量越少時(shí)，其電機(jī)工作功率會(huì)大大的降低，影響割草機(jī)的使用性能[2]。而且電動(dòng)割草機(jī)的功率較小，不足以支撐乘坐一位操作者進(jìn)行爬坡作業(yè)，碰到一些較為復(fù)雜的地形其作業(yè)效率也較差，因此該驅(qū)動(dòng)方式不適用于山地。

而現(xiàn)在廣泛運(yùn)用在山地農(nóng)機(jī)的靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速、調(diào)速范圍大、功重比大、可靠性高、低速穩(wěn)定性好、布局靈活，特別適用于結(jié)構(gòu)形態(tài)多樣化、行駛速度不高的農(nóng)業(yè)機(jī)械[3]。對(duì)山地割草機(jī)來(lái)說(shuō)，采用靜液壓驅(qū)動(dòng)不僅可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，并且其驅(qū)動(dòng)力大，足夠乘載一位操作者坐在上面操作，并且也可以在山地復(fù)雜崎嶇的地形上行走，有很好的爬坡能力。而要最大程度降低成本，在設(shè)計(jì)割草機(jī)系統(tǒng)時(shí)可以選用閥后補(bǔ)償?shù)呢?fù)載敏感系統(tǒng)，使液壓割草機(jī)能夠用單泵操縱多個(gè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)合動(dòng)作。

1 山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理分析

負(fù)載敏感系統(tǒng)是一種能夠自動(dòng)感受系統(tǒng)中負(fù)載所需要的壓力信號(hào)，并通過(guò)該信號(hào)，調(diào)整油泵的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)自身的流量和壓力，從而能根據(jù)工況需求提供負(fù)載所需要的流量的系統(tǒng)，能極大地減少功率損失。并且負(fù)載敏感系統(tǒng)在多個(gè)執(zhí)行器同時(shí)工作時(shí)，可以使各個(gè)支路相互獨(dú)立并且以不同的壓力和速度工作，使多負(fù)載協(xié)同動(dòng)作得以實(shí)現(xiàn)[4-5]。根據(jù)系統(tǒng)中壓力補(bǔ)償閥與節(jié)流口的相對(duì)位置可將負(fù)載敏感系統(tǒng)分為閥前壓力補(bǔ)償和閥后壓力補(bǔ)償系統(tǒng)。

山地液壓割草機(jī)的工作回路主要包括割刀機(jī)構(gòu)的升降與割刀的旋轉(zhuǎn)兩個(gè)動(dòng)作，割草機(jī)的工作性能要求其工作時(shí)這兩個(gè)動(dòng)作能同時(shí)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)作且互不干擾。本研究根據(jù)閥后壓力補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)一套液壓割草機(jī)工作回路，其原理圖如圖1所示。

由圖1可得，由變量缸彈簧腔1、電動(dòng)機(jī)2、變量泵3、變量缸敏感腔4、恒壓閥5、LS閥6、阻尼孔7共同組成負(fù)載敏感泵。壓力補(bǔ)償閥9置于多路閥之后，每個(gè)出口前都加了相應(yīng)的低液阻單向閥11供回油用[6]。割刀升降機(jī)構(gòu)12和割刀旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)13的進(jìn)出油口的最大負(fù)載壓力經(jīng)過(guò)單向閥10進(jìn)入LS油路比較后，將最大負(fù)載壓力施加給各個(gè)壓力補(bǔ)償閥的彈簧腔以及負(fù)載敏感泵的LS閥彈簧腔。通過(guò)LS閥芯的受力平衡控制泵的輸出，壓力始終比傳遞過(guò)來(lái)的最大負(fù)載壓力信號(hào)高出一個(gè)常值，且泵的輸出流量始終要滿足兩個(gè)負(fù)載運(yùn)動(dòng)所需流量之和。并且由于壓力補(bǔ)償閥的存在，使兩個(gè)多路閥開(kāi)口前后的壓差始終保持相等，近似等于負(fù)載敏感泵的控制壓差值減去壓力補(bǔ)償閥的補(bǔ)償壓差值，從而保證泵所需提供的流量與負(fù)載無(wú)關(guān)，只與多路閥的開(kāi)口大小有關(guān)。由于閥后補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)，當(dāng)流量飽和時(shí)，能根據(jù)各個(gè)負(fù)載需求等比例分配流量，實(shí)現(xiàn)負(fù)載獨(dú)立流量分配。

2 山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)建模

為檢驗(yàn)圖1工作回路是否滿足工作需求，將該回路在AMESim中建立模型，為之后分析工況奠定基礎(chǔ)。對(duì)于較為復(fù)雜的負(fù)載敏感泵，需要用AMESim中的HCD庫(kù)中按照負(fù)載敏感泵的原理進(jìn)行搭建。而回路中的其他部件可以選用液壓庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)元件。

2.1 負(fù)載敏感泵模型搭建

負(fù)載敏感泵由變量泵、變量缸、恒壓閥與LS閥組成，根據(jù)HCD搭建出負(fù)載敏感泵，并搭建出驗(yàn)證回路如圖2所示，驗(yàn)證該HCD庫(kù)所搭建的模型是否符合工作要求[7-9]。

圖2中選用節(jié)流閥模擬外負(fù)載的流量需求，節(jié)流閥的開(kāi)口直徑設(shè)為5 mm。比例溢流閥調(diào)節(jié)負(fù)載壓力模擬外負(fù)載變化，給其一個(gè)0～200 mA的信號(hào)，模擬負(fù)載壓力從0～20 MPa間變化。設(shè)置HCD庫(kù)中元件數(shù)據(jù)將LS閥設(shè)置壓差為2.5 MPa。運(yùn)行得到節(jié)流閥開(kāi)口前后壓力圖以及流量圖，如圖3所示。

圖2 負(fù)載敏感泵驗(yàn)證回路

圖3 節(jié)流閥開(kāi)口前后壓力圖與流量圖

由圖3可得，在外界負(fù)載變化時(shí)，節(jié)流閥開(kāi)口前后壓差始終恒定在2.5 MPa，與負(fù)載敏感閥中的設(shè)定一致。在該驗(yàn)證模型中可默認(rèn)節(jié)流閥前的壓力為泵的出口壓力，節(jié)流閥后的壓力為負(fù)載壓力，即泵的輸出壓力始終比負(fù)載壓力高出一個(gè)常值，系統(tǒng)壓力與負(fù)載壓力相適應(yīng)。而此時(shí)的流量也始終保持不變，符合負(fù)載敏感系統(tǒng)泵所需提供流量與負(fù)載無(wú)關(guān)的變化規(guī)律。因此，該標(biāo)準(zhǔn)元件組合成的模型符合負(fù)載敏感泵的基本功能。

2.2 工作回路模型搭建

根據(jù)所設(shè)計(jì)的工作回路圖，在AMESim中搭建出如圖4所示模型[10-12]。在模型搭建過(guò)程中選用了可變節(jié)流孔來(lái)模擬多路閥中的節(jié)流孔，可以根據(jù)換向閥信號(hào)改變其開(kāi)口大小，換向閥和可變節(jié)流孔共同組成多路閥。將負(fù)載敏感泵的控制壓差設(shè)置在2.5 MPa,壓力補(bǔ)償閥的壓差控制在1.5 MPa，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1500 r/min,泵排量100 mL/r。

圖4 工作回路仿真回路模型

3 山地割草機(jī)液壓系統(tǒng)特性分析

3.1 變負(fù)載工況系統(tǒng)特性分析

分次給兩個(gè)多路閥的操作信號(hào)為-20 mA和-40 mA，此時(shí)可變節(jié)流口也會(huì)根據(jù)該信號(hào)改變節(jié)流口大小，模擬多路閥閥口半開(kāi)和全開(kāi)兩種工況。液壓缸負(fù)載壓力信號(hào)設(shè)為在0～10 s內(nèi)從0上升至500 N，液壓馬達(dá)負(fù)載扭矩信號(hào)設(shè)為在0～10 s內(nèi)從0～50 N·m，探究在開(kāi)口一定時(shí)，工作回路負(fù)載變化引起的各多路閥流量變化與壓差情況。仿真時(shí)間設(shè)為10 s，采樣時(shí)間選用0.01 s。得到閥口全開(kāi)時(shí)的負(fù)載與多路閥流量、開(kāi)口前后壓力曲線，如圖5所示；閥口半開(kāi)與全開(kāi)時(shí)多路閥的流量對(duì)比圖，如圖6所示；液壓缸速度與液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，如圖7所示。

由圖5可得，當(dāng)外負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)回路的多路閥前后的壓力在經(jīng)過(guò)最初的波動(dòng)后基本保持不變，多路閥前后的壓差保持恒定，近似等于負(fù)載敏感泵控制的2.5 MPa減去壓力補(bǔ)償閥的壓差1.5 MPa，為1 MPa。在變負(fù)載情況下，當(dāng)開(kāi)口一定時(shí)，流經(jīng)兩個(gè)回路的多路閥的流量基本保持不變。在圖6、圖7中當(dāng)改變閥口開(kāi)度時(shí)，其流經(jīng)的流量發(fā)生了變化，液壓缸的速度與液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速也發(fā)生了變化?？芍谪?fù)載敏感系統(tǒng)下，工作回路所需流量與外負(fù)載無(wú)關(guān)，只與多路閥開(kāi)口面積大小有關(guān)，各工作回路之間相互獨(dú)立工作。

3.2 變流量工況系統(tǒng)特性分析

現(xiàn)探究當(dāng)負(fù)載恒定，而流量需求發(fā)生變化時(shí)該工作回路特性。給定液壓缸外負(fù)載為10000 N，液壓馬達(dá)的負(fù)載為100 N·m，探究?jī)蓚€(gè)多路閥在不同開(kāi)口面積時(shí)的流量變化情況， 以及當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生飽和時(shí)系統(tǒng)流量分配情況。設(shè)定兩個(gè)多路閥信號(hào)，如圖8所示。即液壓缸的多路閥開(kāi)口面積在0～3 s內(nèi)線性變化，到3～10 s時(shí)保持全開(kāi)。液壓馬達(dá)的多路閥開(kāi)口面積在0～5 s內(nèi)保持閉合，在5～8 s內(nèi)線性變化，到8～10 s內(nèi)保持全開(kāi)，多路閥中節(jié)流孔開(kāi)口面積，如圖9所示；運(yùn)行仿真，獲得兩個(gè)多路閥前后壓力曲線，如圖10所示；兩個(gè)回路多路閥的流量與泵流量分配關(guān)系圖，如圖11所示；該條件下的液壓缸速度，如圖12所示；液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，如圖13所示。

圖5 閥口全開(kāi)時(shí)流量壓力與外負(fù)載曲線

圖6 閥不同開(kāi)口流量對(duì)比曲線

圖7 閥不同開(kāi)口執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度對(duì)比曲線

圖8 多路閥開(kāi)口信號(hào)

圖9 多路閥節(jié)流孔開(kāi)口面積

圖10 多路閥前后壓差曲線

圖11 開(kāi)口變化引起流量變化曲線

圖12 液壓缸速度

圖13 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速

由圖10、圖11可知，在系統(tǒng)發(fā)生飽和時(shí)，多路閥兩端的壓差相應(yīng)減小，但是各多路閥的壓差仍然保持相等，且流經(jīng)液壓缸與液壓馬達(dá)多路閥的流量仍然只與多路閥的開(kāi)口面積大小有關(guān)，且當(dāng)開(kāi)口面積保持不變時(shí)，流量也基本保持不變。另從圖11可得出，在0～5 s期間，因液壓缸多路閥開(kāi)口面積不斷變化，導(dǎo)致該回路流量需求發(fā)生變化，其流經(jīng)流量也隨著開(kāi)口面積的增加呈線性變化，但此時(shí)系統(tǒng)流量供應(yīng)充足，泵的流量全部供給液壓缸回路。而在3～5 s期間當(dāng)液壓缸多路閥開(kāi)口保持全開(kāi)時(shí)，閥與泵的流量均保持不變。在5～8 s期間，液壓馬達(dá)多路閥隨著開(kāi)口面積線性增加，其流經(jīng)流量也逐漸增加，而此時(shí)液壓缸多路閥的流量線性減小。在8～10 s期間，兩多路閥開(kāi)口面積均保持不變，其流量也均保持穩(wěn)定，并且通過(guò)液壓缸與液壓馬達(dá)回路的流量按照各自的多路閥開(kāi)口面積成比例分配。在負(fù)載流量需求突然發(fā)生改變的瞬間，流量會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，但隨后又會(huì)迅速穩(wěn)定到各個(gè)負(fù)載的流量需求值。而多路閥前后壓差在流量沖擊下也會(huì)出現(xiàn)小幅波動(dòng)，但隨著流量穩(wěn)定后其壓力維持不變，實(shí)現(xiàn)變流量下的恒壓力差控制。在此條件下，當(dāng)開(kāi)口面積突然發(fā)生變化時(shí)，液壓缸速度與液壓馬達(dá)速度在流量變化瞬間會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，但會(huì)迅速回歸穩(wěn)定。由此可知，山地割草機(jī)工作回路控制特性良好，具有抗飽和能力，系統(tǒng)中的低負(fù)載回路不會(huì)受高負(fù)載回路影響，各回路能夠獨(dú)自工作。

3.3 阻尼孔7對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響

使用HCD庫(kù)搭建負(fù)載敏感泵時(shí)，在恒壓閥與LS閥的右位通道各并聯(lián)了一個(gè)阻尼孔，現(xiàn)探究有無(wú)這兩個(gè)阻尼孔對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。對(duì)液壓馬達(dá)和液壓缸添加一個(gè)定負(fù)載，兩個(gè)多路閥開(kāi)口面積線性增大，進(jìn)行仿真，得到有無(wú)阻尼孔時(shí)泵流量響應(yīng)曲線對(duì)比圖14。

圖14 有無(wú)阻尼孔時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線

由圖14得，將阻尼孔去除后，泵的流量響應(yīng)曲線將會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，因此在結(jié)構(gòu)中合理的布置阻尼孔能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，提高系統(tǒng)的響應(yīng)穩(wěn)定性。

將阻尼孔的大小設(shè)為0.4， 0.6， 0.8 mm，在兩路閥口保持全開(kāi)工況下進(jìn)行仿真，探究不同阻尼孔大小對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響，得到曲線如圖15所示。

圖15 不同大小阻尼孔時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線

由圖15可知，隨著負(fù)載敏感泵中阻尼孔的增大，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間逐漸減小，響應(yīng)速度提高，但是其波動(dòng)逐漸增大，因此應(yīng)根據(jù)使用情況綜合考慮選擇合適的阻尼孔大小。

4 結(jié)論

通過(guò)在AMESim平臺(tái)中對(duì)山地割草機(jī)工作回路系統(tǒng)進(jìn)行變負(fù)載、變流量工況的仿真，得出以下結(jié)論：

(1) 基于負(fù)載敏感理論設(shè)計(jì)的山地割草機(jī)工作回路系統(tǒng)是切實(shí)可行的，運(yùn)用負(fù)載敏感系統(tǒng)用單泵驅(qū)動(dòng)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)合動(dòng)作可以降低成本以及提高能量利用率；

(2) 在該工作回路中，流經(jīng)各多路閥的流量主要取決于多路閥開(kāi)口面積，與負(fù)載無(wú)關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)處于飽和流量工況時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)各個(gè)工作回路多路閥的開(kāi)口面積將泵的流量按比例分配，各動(dòng)作之間相互獨(dú)立，極大提高了系統(tǒng)的控制特性和工況適應(yīng)性；

(3) 在負(fù)載敏感泵系統(tǒng)搭建時(shí)合理布置一些阻尼孔，能夠有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。而不同阻尼孔大小對(duì)系統(tǒng)的輸出特性影響不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇阻尼孔大小。

因此，上述研究能夠?yàn)橹笤O(shè)計(jì)山地液壓割草機(jī)提供理論支撐，為將負(fù)載敏感系統(tǒng)運(yùn)用于山地農(nóng)機(jī)提供理論指導(dǎo)。但由于實(shí)驗(yàn)條件不足，未能進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，本研究為系統(tǒng)構(gòu)建和性能理論分析，下一步計(jì)劃深入理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合研究。