自走式田間甘蔗收集搬運(yùn)車液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳遠(yuǎn)玲，彭卓，陳承宗，侯怡，高驍卿，陳浩楠

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

0 前言

廣西是我國重要的甘蔗種植基地,由于丘陵蔗田面積占據(jù)廣西地區(qū)蔗田 60%以上，運(yùn)輸?shù)缆菲露却?，蔗田、地塊窄小分散，不利于甘蔗的集中收集搬運(yùn)。為了提高甘蔗收集搬運(yùn)的效率和適應(yīng)性，將液壓技術(shù)應(yīng)用于甘蔗收集搬運(yùn)車是非常必要的。AMESim軟件在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮了重要作用。

高東東和木合塔爾·克力木運(yùn)用AMESim對采棉機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。李春風(fēng)應(yīng)用AMESim對隨車起重機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與優(yōu)化。左都全等利用 AMESim 對承重試驗(yàn)臺同步加載液壓系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)平試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究。司癸卯等應(yīng)用AMESim對橋梁主纜檢查車兩履帶行走液壓同步控制進(jìn)行了仿真研究。方子帆等運(yùn)用AMESim建立了分流集流閥的模型并對其進(jìn)行了動態(tài)特性研究。孫飛等人利用AMESim對齒輪分流馬達(dá)的同步誤差進(jìn)行了分析。 扈凱和張文毅應(yīng)用AMESim建立了高地隙自走式噴霧機(jī)多模式液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械-液壓系統(tǒng)耦合模型。李光恒和路玉峰利用AMESim搭建了礦用自卸車負(fù)載敏感變量泵轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。趙海霞等運(yùn)用AMESim建立了剪叉式升降臺液壓系統(tǒng)模型。為探明甘蔗收集搬運(yùn)車液壓系統(tǒng)的工作特性，同時(shí)縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，本文作者使用AMESim軟件建立甘蔗收集搬運(yùn)車的液壓系統(tǒng)，仿真模型包括搬運(yùn)車支腿調(diào)平系統(tǒng)、搬運(yùn)車廂升降和翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)。

1 甘蔗收集搬運(yùn)車整體組成和技術(shù)要求

甘蔗收集搬運(yùn)車作業(yè)機(jī)構(gòu)主要由前后支腿液壓缸、車體、舉升液壓缸、剪叉式升降臺、車廂門液壓缸、車廂傾倒液壓缸等構(gòu)成，如圖1所示。搬運(yùn)車的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 甘蔗收集搬運(yùn)車總體結(jié)構(gòu)

表1 甘蔗收集搬運(yùn)車主要技術(shù)參數(shù)

2 液壓系統(tǒng)組成和工作原理

搬運(yùn)車液壓系統(tǒng)原理如圖2所示，該液壓系統(tǒng)為雙聯(lián)齒輪泵多執(zhí)行器設(shè)計(jì)，主要由支腿調(diào)平液壓系統(tǒng)、車廂升降液壓系統(tǒng)、車廂卸料液壓系統(tǒng)、車門啟閉液壓系統(tǒng)組成。其主要工作過程為當(dāng)車輛行駛到指定位置后，開啟電機(jī)通過取力器帶動雙聯(lián)齒輪泵工作且將多路閥第一聯(lián)YB1通電，此時(shí)小泵向支腿液壓系統(tǒng)部分供油，而大泵通過M型三位四通電磁換向閥溢流，通過調(diào)節(jié)支腿部分常閉二位二通電磁插裝閥組的進(jìn)油量將支腿調(diào)平后,YB1斷電，小泵通過多路閥和溢流閥溢流，此時(shí)YA4通電，舉升缸進(jìn)油;當(dāng)將搬運(yùn)車廂舉升到指定位置后YA2通電，小泵經(jīng)過分流集流閥向傾倒支路供油，當(dāng)傾倒角大于45°時(shí)，YA3通電，小泵向車門啟閉支路供油，打開車門開始卸料;為防止油缸在電磁閥通斷電過程中出現(xiàn)負(fù)載過大導(dǎo)致油缸縮回現(xiàn)象，在負(fù)載較大支路上安裝雙向液壓鎖，負(fù)載較小支路通過M型閥芯中位機(jī)能保證自鎖，卸料完成后通過電磁閥組另一側(cè)得電完成搬運(yùn)車廂復(fù)位動作，運(yùn)行過程中各油缸所處狀態(tài)如表2所示。

圖2 甘蔗收集搬運(yùn)車液壓系統(tǒng)原理

表2 各支路液壓油缸動作狀態(tài)

3 基于AMESim的液壓系統(tǒng)仿真

3.1 主要元器件數(shù)學(xué)模型和仿真模型的建立

甘蔗收集搬運(yùn)車液壓系統(tǒng)主要由車廂舉升液壓系統(tǒng)、支腿調(diào)平液壓系統(tǒng)、車廂翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)組成。鑒于這些系統(tǒng)某些組成元件較為復(fù)雜，如二位二通常閉電磁插裝閥、分流集流閥、三級舉升油缸，且AMESim軟件里沒有此類模型，本文作者首先通過軟件自帶的HCD元件設(shè)計(jì)庫進(jìn)行復(fù)雜元件建模，之后再建立完善的液壓系統(tǒng)。

插裝閥閥芯主要受到源于進(jìn)油口A、出油口B、控制油口X的壓力以及元件自身的彈簧力的作用，如忽略其受到的液動力、摩擦力和閥芯自身的質(zhì)量，則建立的閥芯力平衡方程為

∑=+--

(1)

=(+)

(2)

式中：為進(jìn)油口油液壓力；為出油口油液壓力；為控制油口油液壓力；為進(jìn)油口閥芯面積；為出油口閥芯面積；為控制油口閥芯面積；為彈簧剛度；為彈簧預(yù)壓縮量；為閥芯位移。如∑≥0，則油口A與油口B連通，反之則關(guān)閉。

典型的錐閥式二通插裝閥的結(jié)構(gòu)和AMESim模型如圖3所示。

圖3 插裝閥結(jié)構(gòu)與AMESim模型

分流集流閥又稱同步閥，運(yùn)用分流集流閥形成的同步液壓系統(tǒng)具有成本低、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)閥芯動力學(xué)方程和節(jié)流口流量方程建立的數(shù)學(xué)模型如下。

固定節(jié)流口流量方程：

(3)

(4)

分流集流閥閥芯力平衡方程:

(5)

式中：、為流經(jīng)分流集流閥固定節(jié)流孔A、B的流量；、為節(jié)流口開口面積；、為分離集流閥兩腔壓力；為閥入口壓力；為閥芯位移；為閥芯質(zhì)量。

分流原理：如圖4所示當(dāng)油液經(jīng)固定節(jié)流口流入閥的A、B兩側(cè)時(shí)，若兩側(cè)的外負(fù)載=，則此時(shí)兩腔壓力=,閥芯兩側(cè)受力相等，閥芯處于中位，兩側(cè)流量相等;若>,則有>，則>, 此時(shí)左腔節(jié)流口的前后壓差大于右腔節(jié)流口的前后壓差,導(dǎo)致閥芯右移，由于閥芯的移動導(dǎo)致左側(cè)的可變節(jié)流口開度減小，右側(cè)節(jié)流口開度變大，左側(cè)液阻隨之變大減小，右側(cè)液阻隨之減小增大，直至調(diào)整到=、=,重新達(dá)到平衡。

圖4 分流集流閥結(jié)構(gòu)(a)與AMESim模型(b)

由于多級液壓缸結(jié)構(gòu)緊湊，且較普通液壓缸有更大的行程，其應(yīng)用廣泛，已有學(xué)者對其快速性、平穩(wěn)性、沖擊抑制等性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。文中這里只給出仿真模型，如圖5所示。

圖5 三級液壓缸AMESim模型

3.2 支腿、車廂舉升和傾倒支路模型和仿真參數(shù)

支腿調(diào)平液壓系統(tǒng)仿真模型如圖6所示，主要仿真參數(shù)如表3所示。車廂舉升和傾倒支路仿真模型分別如圖7、圖8所示，仿真參數(shù)如表4所示。

圖6 支腿調(diào)平液壓系統(tǒng)模型

表3 支腿調(diào)平液壓系統(tǒng)主要仿真參數(shù)

圖7 車廂舉升液壓系統(tǒng)模型

圖8 車廂傾倒液壓系統(tǒng)模型

表4 舉升、傾倒液壓系統(tǒng)主要仿真參數(shù)

4 甘蔗收集搬運(yùn)車各液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

4.1 搬運(yùn)車車廂傾倒支路在不同偏載下的同步精度

根據(jù)樣機(jī)試驗(yàn)所選用的分流集流閥的參數(shù)搭建好傾倒支路仿真模型后，為模擬現(xiàn)場情況，設(shè)置雙缸載荷偏差Δ分別為2、5.6、10 MPa 3種階躍信號(在該仿真參數(shù)下相當(dāng)于兩缸實(shí)際受力偏差為10、30、50 kN)進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 不同偏載下兩缸流量差 圖10 最大偏載下兩缸位移曲線

由圖9可看出：分流集流閥在保持兩側(cè)受不同負(fù)載的液壓缸同步運(yùn)行時(shí)在其響應(yīng)時(shí)間內(nèi)有較大的瞬時(shí)脈沖，這是由于分流集流閥調(diào)節(jié)過程中閥芯的運(yùn)動造成的，但響應(yīng)結(jié)束后兩邊同步精度較高，由于閥響應(yīng)時(shí)間非常短暫，對兩缸同步運(yùn)行影響極小，可忽略不計(jì)，且從圖10可看出同步回路精度在最大偏載下都較高。

4.2 滿載情況下舉升液壓缸主要參數(shù)仿真曲線

由圖11可見：三級液壓缸伸出時(shí)，無桿腔進(jìn)入壓力油，一級缸開始動作，一級缸停止運(yùn)行后，二級缸開始動作，二級缸到達(dá)指定位置后，三級缸開始動作，縮回時(shí)有桿腔通入壓力油，各活塞依次縮回，由于缸徑逐級變小，伸出速度逐級變快，反之三級缸回縮時(shí)，速度依次變慢。但由于伸出時(shí)受車廂與甘蔗重力的阻力而縮回時(shí)車廂自身的重力方向與液壓缸運(yùn)動方向相同，所以縮回時(shí)間大大低于伸出時(shí)間。

圖11 三級液壓缸活塞伸出和縮回位移曲線

由圖12可看出：多級缸換級時(shí)出現(xiàn)較大的流量波動，這是由于換級時(shí)出現(xiàn)較大的容腔容積變化、壓力突變以及缸體之間的碰撞造成的；從壓力曲線可看出，舉升過程中由于負(fù)載不變，隨著三級缸依次伸出，其活塞面積變小，進(jìn)口壓力也隨之變大，符合多級液壓缸的工作原理。

圖12 三級液壓缸壓力和流量仿真曲線

4.3 滿載情況下支腿液壓缸壓力流量仿真曲線

滿載情況下支腿液壓缸的壓力、流量仿真曲線如圖13所示。

圖13 支腿液壓缸壓力和流量仿真曲線

由圖13可看出：在0～5 s,由于二通常閉電磁閥處于常閉狀態(tài)，支腿缸壓力流量為0；在5～25 s，電磁閥通電導(dǎo)通，支腿缸通入壓力油，流量為10.5 L/min;在5～10 s，由于仿真為理想狀態(tài)，支腿懸空伸出不受外負(fù)載，所以壓力為0；在10～25 s，支腿液壓缸接觸地面，開始承受整個(gè)車身和甘蔗的重力，壓力持續(xù)升高為6 MPa；在25～30 s,壓力持續(xù)下降，這是由于傾倒甘蔗造成的，由于支腿缸已到達(dá)行程位置，流量為0；在30～32 s，壓力突變的原因是支腿換向縮回時(shí)插裝閥節(jié)流口處產(chǎn)生了背壓，之后恢復(fù)到正常狀態(tài)，支腿只受車身的重力,壓力變?yōu)?.8 MPa,且此時(shí)受力和油液流量流向一致，支腿快速縮回，此時(shí)流量為21.2 L/min。

5 樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)與結(jié)果分析

此次試驗(yàn)在課題組研發(fā)的樣機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過程如圖14所示，主要測試滿載工況下三級液壓缸和液壓支腿的壓力、流量特性。測試儀器采用STONEBOOK雷諾多功能測試儀。

圖14 甘蔗收集搬運(yùn)車樣車滿載試驗(yàn)

由圖15可看出：舉升總過程持續(xù)16.4 s，流量均值為71.2 L/min,壓力逐級依次為10.9、13.7、17.3 MPa，三級缸實(shí)測壓力流量曲線與仿真結(jié)果吻合度較高，各級缸依次伸出的壓力流量數(shù)值與仿真得到的數(shù)據(jù)只有較小差距，且壓力流量變化趨勢與仿真結(jié)果吻合，表明仿真模型建立正確、液壓系統(tǒng)各元器件選用合理。

圖15 三級液壓缸流量和壓力試驗(yàn)和仿真曲線對比

由圖16可看出:支腿液壓缸實(shí)測壓力流量數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果變化趨勢和數(shù)值基本一致，但在5～10 s,壓力實(shí)測結(jié)果比仿真結(jié)果高0.5 MPa，這是由于仿真為理想狀態(tài)，支腿懸空伸出不受外負(fù)載,所以壓力為0，而實(shí)際情況下,支腿油缸內(nèi)部的摩擦力產(chǎn)生了0.5 MPa的壓力;在30～32 s,換向時(shí)產(chǎn)生的背壓高于仿真值,這是由于插裝閥里面的節(jié)流閥實(shí)際開度人為調(diào)小所致。

圖16 支腿液壓缸壓力和流量試驗(yàn)和仿真曲線對比

6 結(jié)論

將液壓技術(shù)運(yùn)用到甘蔗收集搬運(yùn)車上，可以提高搬運(yùn)車工作效率和自動化程度，降低操作人員的勞動強(qiáng)度。本文作者通過分析甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車的工作原理，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)運(yùn)平臺的液壓系統(tǒng)，運(yùn)用AMESim軟件進(jìn)行仿真分析且與實(shí)測試驗(yàn)進(jìn)行對比，得出如下結(jié)論：

(1)舉升支路運(yùn)行平穩(wěn)，舉升總過程持續(xù)16.4 s，流量均值為71.2 L/min,壓力逐級依次為10.9、13.7、17.3 MPa，與仿真結(jié)果十分吻合，換級時(shí)流量過渡平穩(wěn)，無明顯卡頓和顫振現(xiàn)象，且各級伸出時(shí)長等各項(xiàng)指標(biāo)與仿真結(jié)果吻合度較高；

(2)傾倒支路在不同偏載下運(yùn)行流暢，雙缸同步性能好，不存在由于雙缸不同步而導(dǎo)致的液壓缸卡死和車身振動情況，表明支路中分流集流閥以及各元器件選用合理；

(3)在利用二位二通電磁插裝閥控制的情況下，支腿支路四缸伸出平穩(wěn)，各支腿流量、壓力曲線與仿真曲線吻合度較高，表明設(shè)計(jì)合理、元器件選用正確。