基于AMESim采棉機(jī)采摘頭高度調(diào)節(jié)裝置的仿真分析

董劍豪, 于愛婧, 李文春, 畢新勝, 李娟娟, 譚 菲

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院, 新疆 石河子 832000; 2.石河子大學(xué) 醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院, 新疆 石河子 832000; 3.阿拉爾萬達(dá)農(nóng)機(jī)有限公司, 新疆 阿拉爾 843300; 4.重慶大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院, 重慶 400044)

中國是世界上最大的棉花生產(chǎn)國之一,隨著新疆棉花機(jī)械化采收作業(yè)水平的不斷提高,采棉機(jī)的應(yīng)用也越來越廣泛,但市場主要以國外機(jī)型為主,國內(nèi)機(jī)型尚處于研發(fā)試驗(yàn)及試生產(chǎn)階段,關(guān)鍵技術(shù)尚需進(jìn)一步研究.采摘頭是采棉機(jī)的重要工作部件,工作時(shí)受田間地況影響較大,采摘頭在采收作業(yè)過程中如果不能及時(shí)有效跟隨地面高度起伏狀況變化進(jìn)行自動調(diào)節(jié),一方面會使采摘頭與地表障礙物碰撞,造成摘錠、座管等工作部件受損;另一方面會造成棉桿上應(yīng)收棉花沒被完全采收現(xiàn)象,兩者都會導(dǎo)致采收效率降低,造成經(jīng)濟(jì)損失.

目前,相關(guān)學(xué)者對仿形裝置進(jìn)行了研究,彭強(qiáng)吉等[1]研制出一種基于FPAG的棉花頂部仿形設(shè)備.鄧美云[2]研究了一種木薯莖稈切割鋪放裝置,收割臺的升降使用單作用液壓缸,該液壓缸可以快速完成升降動作.偉利國等[3]開發(fā)了一種聯(lián)合收割機(jī)的地面仿形控制系統(tǒng),使用角度傳感器獲得與地面的浮動狀態(tài),使用位移傳感器檢測液壓油缸的伸長量和收縮量,通過計(jì)算獲得割臺的高度信息.古樂樂[4]研究和分析了一種新型的自走式紅花絲收割機(jī)的仿形裝置,該裝置可以使紅花絲收割機(jī)的效率最大化,從而在收獲時(shí)確保紅花絲收割機(jī)和紅花絲的相對位置固定.孫艷等[5]研究了一種花生收割機(jī)地面仿形機(jī)構(gòu)的機(jī)理,并針對一壟兩行收獲方式設(shè)計(jì)試驗(yàn)檢測機(jī)制和仿形測試平臺,但這種仿形機(jī)構(gòu)僅適用于小負(fù)載的農(nóng)業(yè)機(jī)械并不適用大負(fù)載的采棉機(jī).

目前對于農(nóng)業(yè)機(jī)械的高度自動調(diào)節(jié)裝置的研究主要集中在精量播種、花生收獲、殘膜回收、棉花打頂?shù)确矫?關(guān)于采棉機(jī)采摘頭地面高度調(diào)節(jié)裝置的研究相對較少,因此文中針對采棉機(jī)采摘頭地面高度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行重點(diǎn)研究,通過液壓系統(tǒng)控制采摘頭距離地面的高度,以提高采摘頭機(jī)械仿形裝置對地面高度的仿形精度.

1 高度調(diào)節(jié)裝置總體結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高度調(diào)節(jié)裝置整體結(jié)構(gòu)主要由仿形機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和液壓驅(qū)動系統(tǒng)等組成.采棉機(jī)正前方左右兩側(cè)升降機(jī)構(gòu)的橫梁處可分別懸掛1～2個(gè)采摘頭,在采摘頭的底部分別安裝1個(gè)仿形機(jī)構(gòu).仿形機(jī)構(gòu)主要由仿形滑履、定位套筒、定位螺母、彈簧、連桿、杠桿、三位三通仿形閥等組成.高度調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,高度仿形機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖1 高度調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 高度仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 工作原理

為保證棉花采收效率,傳統(tǒng)的高度調(diào)節(jié)裝置正逐漸被機(jī)液高度調(diào)節(jié)裝置所替代.而這種高度調(diào)節(jié)裝置之所以能夠使棉花采摘率得到有效提高,其關(guān)鍵因素在于對采棉機(jī)左右兩個(gè)升降機(jī)構(gòu)橫梁處所懸掛的采摘頭底部分別安裝一個(gè)仿形機(jī)構(gòu),它可以使高度調(diào)節(jié)裝置通過液壓油缸的伸縮運(yùn)動帶動升降機(jī)構(gòu)隨著地面起伏變化而進(jìn)行升降動作,從而保證采摘頭工作部件距離地面的作業(yè)高度不變.所以,仿形機(jī)構(gòu)也是采棉機(jī)提高棉花采摘效率和質(zhì)量的重要機(jī)構(gòu).

采棉機(jī)在采摘過程中容易出現(xiàn)采摘頭與障礙物碰撞的現(xiàn)象,造成采摘頭以及其他部件損傷.為解決上述問題,文中提出采用采摘頭高度仿形機(jī)構(gòu),以適用于地壟中高度明顯變化的地面.高度調(diào)節(jié)裝置工作前,采棉機(jī)駕駛員通過手動操作的方式將采摘頭底部與地面之間的位置調(diào)整到不低于棉花植株第一果枝15 cm的高度.仿形機(jī)構(gòu)在地面上隨著采棉機(jī)向前運(yùn)動,高度調(diào)節(jié)裝置開始工作,地面的高度升高或遇到障礙物時(shí),仿形機(jī)構(gòu)的滑履帶動連桿機(jī)構(gòu)使仿形閥閥芯在閥芯套內(nèi)向上移動,此時(shí)液壓控制系統(tǒng)開始工作,通過液壓油缸帶動升降機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動.反之,采摘頭在受到自身重力的作用下使液壓油缸的活塞桿縮短從而使升降機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動.以此往復(fù)循環(huán)完成高度調(diào)節(jié)裝置對采摘頭與地面之間距離的調(diào)節(jié),從而使采摘頭根據(jù)地面的起伏或避開障礙物實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié).

采棉機(jī)在進(jìn)入田間作業(yè)前,可通過調(diào)整定位螺母的位置來調(diào)整彈簧的壓縮量和仿形閥閥芯的位置處于中位,這樣既可以調(diào)節(jié)仿形機(jī)構(gòu)的靈敏度又可以保證作業(yè)前采摘頭與地面之間的距離.采棉機(jī)開始在棉田中工作時(shí),如果地面的起伏高度升高,仿形滑履將繞著支架的支點(diǎn)處順時(shí)針擺動,同時(shí)驅(qū)動連桿的高度升高,同時(shí)連桿帶動杠桿繞與杠桿連接的支點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn),仿形閥閥芯外部連接處杠桿將連桿向上的推力轉(zhuǎn)換為推動仿形閥閥芯的推力,使三位三通仿形閥的閥芯處于下位閥口開啟,液壓油液進(jìn)入仿形閥,推動高度調(diào)節(jié)裝置升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動的液壓油缸活塞桿向外伸出驅(qū)動升降機(jī)構(gòu)上升,進(jìn)而提高采摘頭距離地面的距離.地面起伏高度降低時(shí),采摘頭在自重的作用下使滑履與地面貼合并繞支點(diǎn)處逆時(shí)針擺動,使仿形閥的閥芯恢復(fù)至上位工作.通過駕駛員操作電磁閥,也可以實(shí)現(xiàn)這一過程.為避免高度調(diào)節(jié)裝置過于靈敏,通過調(diào)節(jié)螺母的位置改變彈簧的壓縮量,安裝彈簧的目的在于起到緩沖作用力和調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)裝置靈敏度的作用[6],如圖1所示.

1.3 液壓系統(tǒng)

根據(jù)國內(nèi)棉花種植的實(shí)際情況,高度調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)速度需滿足采棉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)的行駛速度.在新疆棉花種植模式下,文中所研究的高度調(diào)節(jié)裝置應(yīng)滿足新疆棉田地壟的起伏變化和對障礙物的避障要求.采棉機(jī)進(jìn)入田間作業(yè)時(shí),如遇到較大的障礙物時(shí)為避免障礙物對采棉機(jī)采摘頭造成損壞,采棉機(jī)駕駛員可以通過操作二位二通電磁閥直接控制高度調(diào)節(jié)裝置的液壓回路,將采摘頭提高至安全作業(yè)的高度,如果未遇到較大障礙物但隨著地壟的起伏復(fù)雜變化,作業(yè)駕駛?cè)藛T可通過高度調(diào)節(jié)裝置的仿形機(jī)構(gòu)來完成采摘頭距離地面的高度調(diào)節(jié)作業(yè).

通過仿形機(jī)構(gòu)對采摘頭距離地面的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),滑履通過一系列的機(jī)械運(yùn)動使杠桿推動仿形閥的閥芯進(jìn)行換向,仿形閥的閥芯向上移動時(shí),液壓油缸的壓力增大,液壓油缸伸長,高度調(diào)節(jié)裝置將采摘頭的高度升高;仿形閥的閥芯向下移動時(shí),采摘頭可以通過自身的重力使液壓油缸的無桿腔液壓油液流入油箱,從而活塞桿縮短,采摘頭高度下降.

采棉機(jī)采摘頭高度調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng),主要由油箱1,濾油器2,液壓泵3,溢流閥4,二位二通電磁閥5、6、7、8,單向閥9、11、13,三位三通機(jī)動換向閥(仿形閥)10、12,液壓油缸14、15等元件組成.其中,換向閥和電磁閥為主控制閥,控制兩條支路上的液壓油路的方向,液壓油缸為執(zhí)行元件直接作用于高度調(diào)節(jié)裝置的升降機(jī)構(gòu),如圖3所示.

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

在采棉機(jī)采摘頭高度調(diào)節(jié)裝置的液壓系統(tǒng)中,主控閥選擇二位二通機(jī)動仿形閥和三位三通機(jī)動換向閥(仿形閥),高度仿形機(jī)構(gòu)通過相應(yīng)的機(jī)械動作由杠桿帶動仿形閥的閥芯位置來改變仿形閥閥口的通流面積,從而控制液壓泵給液壓油缸所輸出的液壓流量的大小,通過溢流閥對液壓系統(tǒng)的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)以保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定和油路安全.

2 升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

考慮到作業(yè)過程中高度調(diào)節(jié)裝置必須根據(jù)地面高度的起伏變化來調(diào)整采摘頭距離地面的位置,同時(shí)還要保持采摘頭與地面之間的距離不低于棉花植株第一果枝的高度15 cm,文中所選用的技術(shù)方案是通過液壓系統(tǒng)來調(diào)節(jié)液壓油缸推動升降機(jī)構(gòu)進(jìn)而改變采摘頭距離地面的距離,如圖4所示.

圖4 仿形升降機(jī)構(gòu)簡圖

根據(jù)采棉機(jī)采摘頭高度調(diào)節(jié)裝置的升降機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)可得,點(diǎn)H沿y方向的位移為采摘頭與地面之間的垂直位移.

點(diǎn)H的縱坐標(biāo)表達(dá)式為

(1)

式中:LOG為桿OG的長度,mm;LGH為桿GH的長度,mm;LGK為桿GK的長度,mm;LOK為液壓油缸OK的長度,mm.

點(diǎn)H′的縱坐標(biāo)為

(2)

式中:v為油缸運(yùn)動速度,mm/s;t為調(diào)節(jié)執(zhí)行時(shí)間,s.

由式(1)、(2)可得H點(diǎn)的垂直位移為

(3)

H點(diǎn)的垂直運(yùn)動速度為

(4)

根據(jù)式(4)進(jìn)一步求得點(diǎn)H在垂直方向上的運(yùn)動速度為

(5)

根據(jù)公式(4)分析,高度調(diào)節(jié)裝置在由液壓油缸推動升降機(jī)構(gòu)時(shí),采摘頭與地面之間的垂直距離的調(diào)節(jié)量受LOK伸縮時(shí)的速度v和時(shí)間t的影響.

3 升降機(jī)構(gòu)受力分析

升降機(jī)構(gòu)的受力分析如圖5所示.

圖5 升降機(jī)構(gòu)受力分析圖

由圖5得到G點(diǎn)的力矩平衡方程為

∑T=0,

(6)

即

(7)

采棉機(jī)采摘頭高度調(diào)節(jié)裝置的液壓油缸伸長至最大量時(shí),根據(jù)式(7)可求得高度調(diào)節(jié)裝置單側(cè)液壓油缸在推動2個(gè)采摘頭時(shí)推力FOK為

(8)

4 液壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件的計(jì)算與選型

根據(jù)公式(8)計(jì)算結(jié)果,液壓油缸在周期內(nèi)所受最大負(fù)載力為62 288.56 N,液壓油缸的活塞桿在伸長或縮短的運(yùn)動過程中所受到的外力始終為壓力.根據(jù)液壓油缸活塞桿直徑d與缸筒直徑D之間的關(guān)系進(jìn)行理論分析計(jì)算,液壓油缸桿徑比取φ=0.7(φ=d/D).

液壓油缸缸徑的計(jì)算公式如下:

(9)

式中: 液壓油缸的機(jī)械效率η=0.90～0.95,取0.95;p1、p2分別為進(jìn)油、回油壓力,Pa.

計(jì)算得D=72.54 mm,將液壓油缸內(nèi)徑圓整為D=80 mm.取活塞桿直徑d=56 mm.

無桿腔活塞有效面積:

活塞桿面積:

有桿腔活塞有效面積:

液壓油缸速比λ計(jì)算公式:

(10)

式中:qex為缸筒腔進(jìn)液速度,mm3/s;qin為活塞桿腔進(jìn)液速度,mm3/s.根據(jù)式(10)可以求得液壓油缸速比λ=1.96.

液壓油缸的最大流量計(jì)算公式為

qmax=Avmax,

(11)

式中:vmax為液壓油缸的最大工作速度,m/s.

液壓油缸需要的最大流量為

qmax=Avmax=0.005 024×0.120=36.17 L/min.

液壓泵是整個(gè)液壓系統(tǒng)的動力來源.合理選擇滿足設(shè)備要求的液壓泵源尤為重要,考慮到經(jīng)濟(jì)因素,且滿足工況實(shí)際要求,選用齒輪泵作為本液壓系統(tǒng)的動力源.

液壓泵的最大工作壓力計(jì)算公式為

Pmax≥P1+∑ΔP,

(12)

式中:P1為執(zhí)行元件最大工作壓力,MPa;∑ΔP為系統(tǒng)進(jìn)油路上的總壓力損失,MPa.

液壓管道相對簡單、流量低,通?！痞取值為0.2～0.5 MPa,本液壓系統(tǒng)取值為0.25 MPa.

選用的液壓泵輸出流量必須超出回路要求流量的最大值,但超出量不能過大,應(yīng)與理論計(jì)算值相當(dāng),其輸出流量應(yīng)滿足下式:

qb≥K(∑q)max,

(13)

式中:qb為液壓泵的流量;K為系統(tǒng)流量系數(shù),一般情況下取1.1～1.3,本式中取1.2;(∑q)max為液壓系統(tǒng)中的最大流量,L/min.

根據(jù)式(13)可得,液壓泵的最大流量為

qbmax≥K(∑q)=1.2×

(36.17×2)=86.81 L/min.

5 液壓系統(tǒng)建模與仿真分析

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖,本節(jié)對采棉機(jī)采摘頭高度調(diào)節(jié)裝置的液壓系統(tǒng)和升降機(jī)構(gòu)在AMESim軟件中的液壓元件庫和平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行搭建[7-10],仿真模型如圖6所示.

圖6 液壓系統(tǒng)的總體仿真模型

5.1 液壓油缸的流量曲線分析

液壓油缸流量的仿真曲線如圖7所示,由圖分析可知,由駕駛員操作升降機(jī)構(gòu)的0～10 s內(nèi),液壓系統(tǒng)承受不同負(fù)載,升降機(jī)構(gòu)開始上升的一瞬間,液壓油缸的流量瞬間增加到44.67和36.40 L/min,液壓油缸的活塞桿開始伸出,液壓油缸驅(qū)動升降機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動,懸掛采摘頭的橫梁上升.在下降階段,采摘頭由于自身的重量使液壓油缸無桿腔內(nèi)的液壓油回至油箱,升降機(jī)構(gòu)開始下降動作,流量在0.20 s內(nèi)瞬間增大到22.38和30.31 L/min.在仿形機(jī)構(gòu)控制升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動的10～20 s內(nèi),上升階段液壓油缸的流量瞬間增大到35.93和29.26 L/min,下降階段液壓油缸的流量也分別在0.15 s內(nèi)增大到21.59和30.63 L/min.升降機(jī)構(gòu)在上升至最高點(diǎn)和下降至最低點(diǎn)時(shí),由于慣性力的影響對液壓油缸形成一定的沖擊導(dǎo)致液壓油缸出現(xiàn)輕微震蕩.

圖7 升降機(jī)構(gòu)液壓油缸流量曲線

5.2 液壓油缸活塞桿的位移及速度曲線分析

懸掛1個(gè)采摘頭時(shí)液壓油缸活塞桿運(yùn)動曲線如圖8所示.由圖可知,0～10 s內(nèi),通過使用二位二通電磁閥進(jìn)行駕駛員操作,升降機(jī)構(gòu)開始上升的瞬間,液壓油缸以147.54 mm/s的速度驅(qū)動升降機(jī)構(gòu)上升,經(jīng)過1.45 s到達(dá)最高點(diǎn);升降機(jī)構(gòu)的下降階段,液壓油缸再次以72.57 mm/s的初始速度運(yùn)動,經(jīng)過3.10 s至初始位置.10～20 s時(shí),在上升階段由仿形機(jī)構(gòu)驅(qū)動升降機(jī)構(gòu),液壓油缸在1.80 s內(nèi)以118.65 mm/s的初始速度將升降機(jī)構(gòu)推動至最高位置;在下降階段,液壓油缸在3.00 s內(nèi)以78.29 mm/s的初始速度使升降機(jī)構(gòu)下降至最低點(diǎn).

圖8 懸掛1個(gè)采摘頭時(shí)液壓油缸活塞桿運(yùn)動曲線

懸掛2個(gè)采摘頭時(shí)液壓油缸活塞桿運(yùn)動曲線如圖9所示.由圖可見,0～10 s內(nèi),通過使用二位二通電磁閥進(jìn)行駕駛員操作,升降機(jī)構(gòu)開始上升的瞬間,液壓油缸以116.03 mm/s的速度驅(qū)動升降機(jī)構(gòu)上升,在經(jīng)過2.10 s后到達(dá)至最高點(diǎn);升降機(jī)構(gòu)的下降階段,液壓油缸再次以93.11 mm/s的初始速度運(yùn)動,經(jīng)過2.15 s后升降機(jī)構(gòu)分別下降至初始位置.10～20 s在上升階段由仿形機(jī)構(gòu)驅(qū)動升降機(jī)構(gòu),上升階段液壓油缸在2.25 s內(nèi)以96.46 mm/s的初始速度分別將升降機(jī)構(gòu)推動至最高位置;下降階段液壓油缸在2.45 s內(nèi)以93.17 mm/s的初始速度使升降機(jī)構(gòu)下降至最低點(diǎn).

圖9 懸掛2個(gè)采摘頭時(shí)液壓油缸活塞桿運(yùn)動曲線

5.3 液壓油缸活塞桿的受力曲線分析

升降機(jī)構(gòu)在一個(gè)完整的周期運(yùn)動內(nèi),液壓油缸所承受的負(fù)載分別為1個(gè)采摘頭或2個(gè)采摘頭,液壓油缸活塞桿的推力可分別達(dá)到32 862.17 和62 339.99 N,與理論計(jì)算值相符.換向閥在進(jìn)行方向切換時(shí),由于慣性力以及液壓閥在換向時(shí)存在沖擊的作用,使得液壓油缸受力不穩(wěn),導(dǎo)致液壓油缸發(fā)生短暫的抖動情況,根據(jù)仿真結(jié)果并與第二章的計(jì)算結(jié)果相對比,符合設(shè)計(jì)要求,如圖10所示.

圖10 液壓油缸活塞桿的受力分析曲線

5.4 升降機(jī)構(gòu)最低點(diǎn)與支架距離變化曲線分析

將采棉機(jī)高度調(diào)節(jié)裝置升降機(jī)構(gòu)的各參數(shù)輸入到AMESim仿真軟件的2D Mechanical庫中,仿真后得到升降機(jī)構(gòu)最低點(diǎn)能夠在理論設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)達(dá)到598.02 mm的最高位置,根據(jù)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)研結(jié)果驗(yàn)證,升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡滿足實(shí)際生產(chǎn)需求,如圖11所示.

圖11 升降機(jī)構(gòu)最低點(diǎn)與支架距離變化曲線

6 結(jié) 論

1)對采棉機(jī)采摘頭高度調(diào)節(jié)裝置的仿形機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),通過利用仿形機(jī)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)間接控制升降機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了采棉機(jī)能夠根據(jù)地面的起伏變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)采摘頭距離地面高度的目標(biāo),提高了采摘頭升降的效率.

2)利用AMESim對液壓系統(tǒng)和升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的高度調(diào)節(jié)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)采摘頭在作業(yè)過程中對地面的起伏變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),與理論計(jì)算結(jié)果相一致,進(jìn)一步驗(yàn)證AMESim仿真模型參數(shù)設(shè)置和液壓動力元件選型的合理性,滿足棉花收獲的作業(yè)要求和農(nóng)藝要求.