基于負載敏感的山地液壓收割機工作回路性能仿真分析

羅艷蕾，鄧行，穆洪云，杜威

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

0 前言

我國山地面積約占全國陸地總面積的33%，山地地區(qū)的耕地面積占我國耕地面積的比重很大，實現(xiàn)山地農(nóng)作物機械自動化收割至關(guān)重要。收割機作為農(nóng)作物收割的自動化機器，對實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)機械化的目標意義重大。收割效率高的收割機往往可以降低農(nóng)民勞動量和增加收益。然而現(xiàn)在的收割機大多都是在平原地帶設(shè)計使用，山地收割機的研發(fā)和應(yīng)用較為稀缺。

平原地帶采用的收割機工作環(huán)境大多為平地，地形簡單；而山地采用的收割機工作環(huán)境復(fù)雜多變，收割機在山地作業(yè)時耕地的坡度大且地形復(fù)雜。山地液壓收割機在工作時會出現(xiàn)爬坡作業(yè)和下坡作業(yè)等復(fù)雜工況，這就要求收割機在多種復(fù)雜工況下確保工作回路不受行走回路的影響，持續(xù)穩(wěn)定工作。山地收割機的核心是工作回路的設(shè)計，工作回路的穩(wěn)定性直接影響著收割機的工作質(zhì)量。

負載敏感技術(shù)因具有很好的經(jīng)濟性、可靠性和先進性，近年來被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械的液壓控制系統(tǒng)。基于負載敏感技術(shù)所設(shè)計的系統(tǒng)能夠感受系統(tǒng)壓力流量的需求，然后控制油泵僅提供需要的流量和壓力。負載敏感系統(tǒng)中采用的液壓源通常是定量泵或變量泵，使用定量泵的負載敏感系統(tǒng)是通過控制系統(tǒng)壓力來改變流量的大小，而使用變量泵則是通過控制變量泵的排量來改變流量的大小。將使用變量泵的負載敏感系統(tǒng)應(yīng)用到山地液壓收割機上，使工作回路效率提高且更加容易控制。

1 山地收割機液壓系統(tǒng)工作原理分析

山地液壓收割機的工作回路主要由收割刀機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)和升降2個動作組成，收割機的設(shè)計和工作要求是在它工作過程中能確保這2個動作同時進行且互不干涉。此研究基于負載敏感技術(shù)設(shè)計出一套山地液壓收割機液壓系統(tǒng)回路，其原理如圖1所示。在該回路中，液壓缸14控制收割刀機構(gòu)的升降，馬達15控制收割刀機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)單獨運行，互不干涉。先導(dǎo)泵5通過先導(dǎo)閥17為先導(dǎo)控制手柄16提供先導(dǎo)油液，再通過先導(dǎo)控制手柄控制電液多路閥10的閥芯位移，調(diào)節(jié)閥開口大小。壓力補償閥13保證執(zhí)行機構(gòu)和多路閥之間壓力差恒定，壓力補償閥13與單向閥12并聯(lián)保證工作回油。壓力補償閥13位于電液多路閥10后，采用閥后補償?；芈分型ㄟ^梭閥11先比較出各回路中的最大負載壓力，再通過梭閥比較出收割刀機構(gòu)旋轉(zhuǎn)和升降回路中的最大負載壓力，然后傳遞給負載敏感閥9的彈簧腔。通過負載敏感閥的閥芯受力平衡控制變量泵4的輸出，使變量泵提供的流量在滿足兩執(zhí)行機構(gòu)工作的同時確保壓力始終比兩執(zhí)行機構(gòu)的最大負載壓力高出一個常數(shù)值。

圖1 山地收割機工作回路原理

先導(dǎo)控制手柄通過控制電液多路閥開口大小來控制收割機的動作。當單獨操控收割機某一回路的先導(dǎo)控制手柄時，可單獨實現(xiàn)收割刀機構(gòu)的升降或旋轉(zhuǎn)動作。當同時操控收割機兩回路中的先導(dǎo)控制手柄時，可實現(xiàn)收割刀機構(gòu)升降和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合動作。

2 山地收割機液壓系統(tǒng)建模

為研究所設(shè)計的收割機工作回路是否滿足其設(shè)計和工作要求，根據(jù)圖1在液壓仿真軟件AMESim中搭建出山地收割機的工作回路仿真模型，如圖2所示，為后面分析不同工況下液壓系統(tǒng)的輸出特性做好準備。仿真模型的主要數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 山地收割機工作回路仿真模型

表1 山地收割機工作回路仿真模型主要數(shù)據(jù)

3 山地收割機液壓系統(tǒng)特性分析

3.1 變負載工況系統(tǒng)特性分析

由于山地液壓收割機的工作地點大多為山丘以及不平坦的土地，要求收割機在變負載的工況下正常運作。在圖2所示的仿真模型中，設(shè)置執(zhí)行機構(gòu)液壓缸的外負載力在0～4 s內(nèi)從0增加到26 000 N，執(zhí)行機構(gòu)馬達的外負載轉(zhuǎn)矩在0～4 s內(nèi)從0增加到40 N·m，以此來模仿負載變化的工況。將多路閥的最大閥芯位移設(shè)置為0.5 mm，并且給予信號為40 mA使多路閥閥芯位移為0.5 mm，研究該液壓系統(tǒng)的響應(yīng)。系統(tǒng)設(shè)置仿真時間為4 s，模型仿真得到液壓缸和馬達回路中多路閥前、后壓力與流量曲線如圖3所示。

圖3 多路閥開口前后壓力與流量曲線

由圖3可知：當升降液壓缸回路外負載力逐漸增加時，多路閥前后壓力初始處于波動狀態(tài)，波動過后開始線性升高，并且多路閥前后壓力差始終保持恒定；當回轉(zhuǎn)液壓馬達回路外負載轉(zhuǎn)矩逐漸增加時，多路閥前后壓力起初處于波動狀態(tài)，波動過后開始線性升高，并且多路閥前后壓力差始終保持恒定。在圖3中，多路閥閥芯位移不變時，兩執(zhí)行機構(gòu)回路中流過多路閥的流量剛開始處于波動狀態(tài)，波動過后流量大小基本保持不變。分析可得：各回路流過多路閥的流量與執(zhí)行機構(gòu)所受外負載無關(guān)。

3.2 突變負載工況特性分析

由于山地液壓收割機的工作環(huán)境復(fù)雜，因此要分析執(zhí)行機構(gòu)受突變負載工況。設(shè)定執(zhí)行機構(gòu)液壓缸的外負載力在0～3 s內(nèi)為26 000 N，在3～4 s內(nèi)增加到40 000 N；執(zhí)行機構(gòu)馬達的外負載轉(zhuǎn)矩在0～3 s內(nèi)為40 N·m，在3～4 s內(nèi)增加到80 N·m，模擬執(zhí)行機構(gòu)所受負載突增的工況。系統(tǒng)設(shè)置仿真時間為6 s，執(zhí)行機構(gòu)所受負載突增時多路閥流量曲線如圖4所示。

圖4 執(zhí)行機構(gòu)所受負載突增時多路閥流量曲線

設(shè)定執(zhí)行機構(gòu)液壓缸的外負載力在0～3 s內(nèi)為26 000 N，在3～4 s內(nèi)降低到13 000 N；執(zhí)行機構(gòu)馬達的外負載轉(zhuǎn)矩在0～3 s內(nèi)為40 N·m，在3～4 s內(nèi)降低到20 N·m，模擬執(zhí)行機構(gòu)所受負載驟降的工況。系統(tǒng)設(shè)置仿真時間為6 s，執(zhí)行機構(gòu)所受負載驟降時多路閥流量曲線如圖5所示。

圖5 執(zhí)行機構(gòu)所受負載驟降時多路閥流量曲線

分析圖4可知:當兩執(zhí)行機構(gòu)外負載急劇上升時，液壓缸回路多路閥流量也明顯上升，液壓馬達回路多路閥流量下降，隨后與外負載一樣保持恒定；分析圖5可知:當兩執(zhí)行機構(gòu)外負載急劇下降時，多路閥流量變化不明顯。

3.3 多路閥不同開口工況系統(tǒng)特性分析

為研究多路閥開口不同的工況，分別給予多路閥信號值為25、30、35、40 mA，使多路閥的閥芯位移為0.312 5、0.375、0.437 5、0.5 mm，進而模擬改變多路閥開口量大小。設(shè)置執(zhí)行機構(gòu)液壓缸的外負載力在0～4 s內(nèi)從0增加到26 000 N，執(zhí)行機構(gòu)馬達的外負載轉(zhuǎn)矩在0～4 s內(nèi)從0增加到40 N·m，研究2個執(zhí)行機構(gòu)處于多路閥不同閥芯位移量下的系統(tǒng)特性。仿真時間設(shè)為4 s，得到多路閥不同閥芯位移量的流量曲線如圖6所示。

圖6 多路閥不同閥芯位移量時流量曲線

分析圖6可知:各多路閥的流量大小和多路閥閥芯位移量成正比關(guān)系。

3.4 流量飽和工況系統(tǒng)特性分析

當山地液壓收割機處于下坡狀態(tài)工作時，收割機行走速度加快，導(dǎo)致行走馬達所需的流量增大，而流向工作執(zhí)行機構(gòu)的流量減少，導(dǎo)致收割機工作執(zhí)行機構(gòu)所需的流量不足，出現(xiàn)系統(tǒng)流量飽和的情況。為研究文中所設(shè)計的山地收割機系統(tǒng)是否具有抗流量飽和功能，將上述所搭建的AMESim仿真模型改變動力源轉(zhuǎn)速來模擬收割機下坡狀態(tài)工作導(dǎo)致的流量飽和工況。設(shè)定液壓缸在0～8 s內(nèi)外負載力為26 000 N；液壓馬達在0～8 s內(nèi)外負載轉(zhuǎn)矩為40 N·m；兩處回路多路閥信號在0～8 s內(nèi)為40 mA；動力源在0～4 s內(nèi)轉(zhuǎn)速為1 700 r/min，在4～5 s內(nèi)下降到1 300 r/min，在5～8 s內(nèi)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min。仿真時間設(shè)置為8 s，得到流量飽和后多路閥前后壓差如圖7所示；流量飽和后各處流量曲線如圖8所示；流量飽和后各處速度曲線如圖9所示。

圖7 流量飽和后多路閥前后壓差曲線

圖8 流量飽和后各處流量曲線

圖9 流量飽和后各處速度曲線

分析圖7—圖9可知，系統(tǒng)在第5 s達到流量飽和狀態(tài)。液壓缸回路多路閥在0～4 s內(nèi)前后壓差為3.6 MPa，在流量飽和后壓差為2.5 MPa；液壓馬達回路多路閥在0～4 s內(nèi)前后壓差為2.3 MPa，在流量飽和后壓差為1.6 MPa。當液壓泵供給的流量從117 L/min下降到91 L/min時，液壓缸的流量從61 L/min下降到51 L/min，液壓馬達的流量從48 L/min下降到40 L/min;液壓缸的速度從0.16 m/s下降到0.13 m/s，液壓馬達轉(zhuǎn)速從800 r/min下降到664 r/min。分析數(shù)據(jù)可知：在發(fā)生流量飽和后，液壓缸和液壓馬達的流量減小，其速度也相應(yīng)減小到一定值之后保持穩(wěn)定，且兩執(zhí)行機構(gòu)的流量大小和多路閥前后壓差大小成正比關(guān)系。因此可以得出所設(shè)計的山地收割機工作回路具有抗流量飽和能力，穩(wěn)定特性優(yōu)良,且各執(zhí)行機構(gòu)能獨立運行，互不干涉。

4 結(jié)論

本文作者設(shè)計出山地液壓收割機的工作回路，利用AMESim軟件搭建出仿真模型。分別分析了收割機液壓系統(tǒng)在變負載工況、突變負載工況、不同開口多路閥工況和流量飽和工況下系統(tǒng)的不同輸出特性。仿真結(jié)果表明：該液壓系統(tǒng)既能實現(xiàn)各執(zhí)行機構(gòu)的獨立運行，互不干涉，又可以實現(xiàn)復(fù)合動作，能夠依據(jù)收割刀機構(gòu)的升降和旋轉(zhuǎn)所需的不同負載等比例分配所需的流量，提升了山地收割機在工作過程中的效率。且在該系統(tǒng)中，收割機執(zhí)行機構(gòu)所需的流量大小取決于多路閥開口量的大小，與外界負載無關(guān)。收割機工作系統(tǒng)在發(fā)生流量飽和時，系統(tǒng)會根據(jù)各執(zhí)行機構(gòu)回路中多路閥的前后壓差來按比例分配變量泵所輸出的流量，保證各執(zhí)行機構(gòu)不受流量飽和的影響，仍可以持續(xù)正常工作，系統(tǒng)的穩(wěn)定特性優(yōu)良。所設(shè)計的變流量閥后補償負載敏感系統(tǒng)能實現(xiàn)山地液壓收割機的工作需求，為基于負載敏感技術(shù)的山地收割機工作回路設(shè)計提供了理論依據(jù)。