梳夾式紅花收獲機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

安亮亮 曹衛(wèi)彬 李樹(shù)峰

摘要 針對(duì)目前紅花采摘的機(jī)械化水平低下、主要依靠人工采摘的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種梳夾式紅花收獲機(jī)，采用梳夾式的夾拔原理對(duì)紅花絲進(jìn)行采收。結(jié)合紅花株高的不同，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)整采摘高度的裝置，并可調(diào)節(jié)采摘頭轉(zhuǎn)速，采摘頭轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍為70～120 r/min，可根據(jù)植株生長(zhǎng)的高度適時(shí)調(diào)節(jié)高度。通過(guò)綜合計(jì)算，對(duì)梳夾式紅花收獲機(jī)液壓傳功系統(tǒng)的主要元件進(jìn)行選擇，液壓元件有液壓馬達(dá)、液壓缸、比例電磁換向閥、電磁換向閥、疊加平衡閥、液控單向閥等。通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算和仿真分析可知，該液壓傳動(dòng)系統(tǒng)能滿足動(dòng)力要求，驗(yàn)證了理論分析的合理性;通過(guò)仿真分析可知，該系統(tǒng)能夠滿足采摘工作要求，為梳夾式紅花收獲機(jī)提供了新的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 紅花;梳夾式;采摘;液壓;仿真

中圖分類號(hào) S22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2020）03-0203-04

Abstract In view of the current low level of mechanization of safflower picking， mainly relying on the manual picking， a combtype safflower harvester was designed， and the saffron was harvested by the combclamping principle. Combined with the height difference of safflower plants， a device for adjusting the height of picking was designed. The speed of the picking head can be adjusted， and the speed of the picking head can be adjusted from 70 to 120 r/min， and the height can be adjusted according to the height of the plant growth. Through comprehensive calculation， the main components of the hydraulic transmission system of the combtype safflower harvester were selected. The hydraulic components include hydraulic motor， hydraulic cylinder， proportional electromagnetic reversing valve， electromagnetic reversing valve， superimposed balancing valve and hydraulic control oneway valve. By checking and simulating the performance of the hydraulic system， the hydraulic transmission system satisfied the power requirements and verified the rationality of the theoretical analysis. According to the simulation analysis， the system could meet the requirements of the picking work and it was a combclip type， which provided a new development direction for safflower harvester

Key words Safflower;Combtype;Picking;Hydraulic;Simulation

紅花又名草紅花，是新疆的一種重要經(jīng)濟(jì)作物，可用作中草藥材以及制造染料等用途，還可以用來(lái)生產(chǎn)制造紅花油[1]，治療傷筋動(dòng)骨等外傷。紅花在我國(guó)種植歷史悠久，尤其在北部已經(jīng)種植多年，據(jù)2018年統(tǒng)計(jì)紅花在新疆的種植面積已達(dá)到10.5×104 hm2，隨著種植面積的蓬勃發(fā)展，紅花的采摘技術(shù)卻十分滯后，主要還依靠人工采摘，迫切需要實(shí)現(xiàn)紅花絲的機(jī)械化采摘。

紅花采摘成為紅花發(fā)展的制約因素，由于紅花的生長(zhǎng)周期短，紅花花蕾容易扎手，對(duì)紅花的采摘要求較高。另外，紅花的收獲季節(jié)和番茄、棉花的收獲期重合，需要大量的人工成本。針對(duì)紅花的機(jī)械采摘，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了相應(yīng)的研究，研究主要集中在氣吸-切割式、手持和背負(fù)的氣吸-氣吹式等。李景彬等[2]研發(fā)了一種氣吸梳夾式紅花收獲機(jī)，在一定程度上降低了勞動(dòng)力，只適用于小面積采摘，未應(yīng)用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的機(jī)械化采摘嚴(yán)重跟不上紅花加工的步伐。國(guó)外學(xué)者的研究主要針對(duì)干紅花采收問(wèn)題，但干紅花的成分已經(jīng)發(fā)生變化，失去原有的價(jià)值，不適合國(guó)內(nèi)紅花產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

筆者研發(fā)出一種梳夾式紅花收獲機(jī)，適用于紅花的大面積采摘，并設(shè)計(jì)了一套液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，該收獲機(jī)懸掛在拖拉機(jī)前部，集花箱、風(fēng)機(jī)等安裝在拖拉機(jī)后面機(jī)架上，機(jī)架與拖拉機(jī)采用3點(diǎn)懸掛牽引式連接方式。通過(guò)拖拉機(jī)自身液壓油源提供液壓動(dòng)力，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘頭轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，使梳夾式紅花收獲機(jī)有效地完成采收工作，提高了梳夾式紅花收獲機(jī)的采收性能。

1 梳夾式紅花收獲機(jī)的采摘裝置

1.1 采摘裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

梳夾式紅花收獲機(jī)的采摘裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

在拖拉機(jī)前部，通過(guò)連接機(jī)構(gòu)將梳夾式紅花收獲機(jī)的采摘裝置連接在一起，集花箱、風(fēng)機(jī)等安裝在后面機(jī)架上，機(jī)架與拖拉機(jī)采用3點(diǎn)懸掛連接。

為確保采摘裝置的采收率，通過(guò)懸掛在拖拉機(jī)前部的升降機(jī)構(gòu)在垂直方向上進(jìn)行升降，以提高紅花絲的有效采收面積，提高紅花的采凈率。在采收作業(yè)過(guò)程中，整機(jī)以一定的速度前進(jìn)，通過(guò)拖拉機(jī)自身液壓系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍為70～120 r/min，根據(jù)紅花的采摘要求對(duì)采摘頭轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，采摘裝置在前進(jìn)過(guò)程中通過(guò)扶禾器的作用，紅花絲順利進(jìn)入有效采摘區(qū)域，在動(dòng)定梳齒和端面凸輪的作用下，動(dòng)定梳齒做出夾緊動(dòng)作[3]，在軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下將紅花絲采摘下來(lái)，最后通過(guò)風(fēng)機(jī)的氣吸作用，將采摘下來(lái)的紅花絲收集到拖拉機(jī)后端機(jī)架上的集花箱里，完成對(duì)紅花絲的采收作業(yè)。

1.3 液壓系統(tǒng)的組成及工作原理

梳夾式紅花收獲機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2所示，由拖拉機(jī)自身液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，油源為拖拉機(jī)自身液壓油源?？梢酝ㄟ^(guò)拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)的手動(dòng)換向閥使油路形成進(jìn)油和回油，為采摘裝置提供液壓動(dòng)力[4]。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由2個(gè)部分組成，首先是控制采摘頭主軸旋轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)，其次是控制采摘裝置升降的液壓缸。液壓馬達(dá)由比例電磁閥換向閥控制，當(dāng)電磁換向閥位于左位時(shí)，齒輪泵為液壓馬達(dá)正常供油，液壓馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng);2個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速由分流閥控制，以達(dá)到對(duì)采摘頭轉(zhuǎn)速的同步控制;當(dāng)電磁換向閥位于中位時(shí)，液壓回路不能供油，采摘裝置上的液壓馬達(dá)不工作;通過(guò)拖拉機(jī)自身蓄電池提供直流電流，為操控面板提供電流來(lái)控制比例電磁換向閥[5]，從而控制液壓馬達(dá)的啟停和轉(zhuǎn)速。比例電磁換向閥與液壓馬達(dá)之間分別連接著平衡閥和疊加節(jié)流閥。分流閥起分流作用，使得2個(gè)液壓馬達(dá)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。平衡閥可使液壓馬達(dá)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

液壓缸的升降是由電磁閥控制，通過(guò)操控面板電信號(hào)[6]控制電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的換向操作，采用平衡閥使液壓缸能夠平穩(wěn)升降。在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中加入液控單向閥，對(duì)液壓缸回路形成自鎖。

2 選擇液壓系統(tǒng)元件

2.1 液壓缸的選擇

根據(jù)梳夾式紅花收獲機(jī)采摘裝置的總質(zhì)量，確定升降過(guò)程中的負(fù)載，則液壓缸的推力：

2.2 液壓馬達(dá)的選擇

根據(jù)驅(qū)動(dòng)采摘頭所需的最大扭矩[8]和液壓系統(tǒng)的工作壓力（P），確定采摘裝置的液壓馬達(dá)參數(shù)，進(jìn)而確定液壓馬達(dá)的排量（q）;根據(jù)采摘工作要求，確定液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速（n）;根據(jù)馬達(dá)的排量和轉(zhuǎn)速，確定馬達(dá)的最大工作流量（Q）。

3 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算

為驗(yàn)證梳夾式紅花收獲機(jī)液壓系統(tǒng)的工作壓力能否滿足工作要求，液壓馬達(dá)扭矩是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)液壓系統(tǒng)壓力[10]進(jìn)行性能驗(yàn)算。

液壓系統(tǒng)壓力損失由系統(tǒng)管路[11]的局部壓力損失（Δpα）、系統(tǒng)中各類閥件的局部損失組成（Δpχ）、系統(tǒng)管路的沿程損失（Δpβ）。

根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[12]以及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)綜合因素考慮，選用YB-N46抗磨液壓油，吸油管長(zhǎng)度取3.5 m;將所有支路油管均等效到總的壓油管上，壓油管長(zhǎng)度取5.5 m;將所有支路回油管均等效到總的回油管路上，回油管長(zhǎng)度取5.5 m;將所有數(shù)值代入公式（5）～（8）計(jì)算可得系統(tǒng)管路的局部壓力損失Δpα=0.15 MPa;系統(tǒng)管路的沿程損失Δpβ=0.09 MPa;系統(tǒng)中各類閥件的局部壓力損失Δpγ=013 MPa;故液壓系統(tǒng)壓力損失Δp=0.37 MPa。

4 液壓系統(tǒng)仿真分析

4.1 液壓系統(tǒng)在AMEsim中的建模

AMEsim是目前主流的一個(gè)仿真平臺(tái)軟件，集成液壓元件、機(jī)械元件、控制元件等多種元器件[13]。仿真過(guò)程可分為4步：首先，根據(jù)梳夾式紅花收獲機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的物理模型，在模型庫(kù)中選取所需的液壓元件，按照功能分為負(fù)責(zé)采摘裝置升降的液壓回路和負(fù)責(zé)采摘頭旋轉(zhuǎn)的液壓回路2類，將其連接起來(lái)。第二，在同一模型下包含多個(gè)子模型，需要確定子模型類型來(lái)保證仿真的可行性。第三，對(duì)所建立的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)定，生成液壓系統(tǒng)仿真所需的可執(zhí)行文件，這是仿真的關(guān)鍵。最后，通過(guò)設(shè)定仿真時(shí)間、間隔和精度等參數(shù)，來(lái)保證仿真的正確性。

通過(guò)在仿真軟件中建立模型對(duì)梳夾式紅花收獲機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，由于工作過(guò)程中有2個(gè)液壓元件配合工作，所以需要對(duì)2個(gè)液壓元件進(jìn)行建模仿真，如圖3所示。

4.2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)與仿真分析

采摘裝置液壓系統(tǒng)在建模仿真中，馬達(dá)排量為194.5 mL/r，液壓泵轉(zhuǎn)速選取1 300 r/min、排量為40 mL/r，進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果如圖4～6所示。

由仿真分析可知，當(dāng)整機(jī)工作時(shí)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速瞬間增大，在1.15 s后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在121 r/min，馬達(dá)速度跟蹤效果較好，在采摘過(guò)程中的運(yùn)轉(zhuǎn)速度沒(méi)有明顯的滯后感，液壓馬達(dá)能滿足工作要求所需的轉(zhuǎn)速;液壓馬達(dá)的輸出扭矩在采摘裝置工作時(shí)同樣瞬間增大，克服主軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)推桿生成段產(chǎn)生的阻力[14]，在1.15 s后扭矩穩(wěn)定在516 N·m，根據(jù)理論計(jì)算可知液壓馬達(dá)扭矩為510 N·m，與仿真結(jié)果基本相符，滿足了設(shè)計(jì)要求。液壓馬達(dá)的流量在采收工作開(kāi)始時(shí)瞬間增加到59.8 L/min，此后一直處于平穩(wěn)狀態(tài)，仿真結(jié)果與理論計(jì)算值基本相符[12]，能滿足液壓系統(tǒng)的工作要求。

根據(jù)以上結(jié)果分析可知，在正常工作狀態(tài)下，梳夾式紅花采摘裝置液壓系統(tǒng)的流量、扭矩、轉(zhuǎn)速均能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)梳夾式紅花收獲機(jī)負(fù)載的受力分析，確定了液壓缸所需壓力，并選取了符合工作要求的液壓缸。通過(guò)測(cè)量采摘頭工作過(guò)程中所需扭矩大小，結(jié)合液壓系統(tǒng)的工作壓力，確定了滿足采摘工作的液壓馬達(dá)。

（2）將該液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在AMESim軟件設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明該液壓傳動(dòng)系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期效果，滿足工作要求。

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