基于AMESim的甘蔗收割機液壓系統建模與仿真研究

王海飛，周忠華，張傳嶺

(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064)

我國是世界排名第3的產糖大國，僅次于巴西和印度。甘蔗在我國農業經濟中占有重要地位，其產量和產值僅次于糧食、油料和棉花，居第4位。然而，在我國，甘蔗生產機械化程度低，甘蔗收獲勞動強度大，對于我國甘蔗產業十分不利，因此實現甘蔗收割機械化對于提高甘蔗收獲勞動生產率、降低蔗糖生產成本、提升我國蔗糖的國際競爭力具有重要的實用價值和戰略意義［1-2］。

甘蔗收割機工作裝置功能多，結構復雜，運用液壓技術能夠很好的改善和簡化結構設計，提高整機的性能，因此設計優良的液壓系統對甘蔗收割機的作業質量十分關鍵。

1 甘蔗收割機的類型和主要結構組成

甘蔗收割機類型主要有兩種，一種是切斷式，一種是整桿式。

切段式甘蔗收割機工作過程主要有分蔗、扶蔗、切梢、切蔗根、輸送蔗株、除雜、切段、輸送蔗段并篩除泥沙、風選除雜、蔗段裝車等。作業時，切梢圓盤刀切斷甘蔗梢并將其拋向已切割地面，割臺兩側的螺旋扶蔗器把甘蔗植株導入割臺。甘蔗植株被機架推向前傾斜，根部被底部的圓盤刀切斷，蔗株經提升輥和上下輸送輥送到切段裝置，被切成25～40 mm的甘蔗段先后經2個軸流風機吸除輕雜物，較重雜物在升運器的底板孔中排出機外，甘蔗段則由升運器拋送入平行行駛的裝運車中。這種方式收割的甘蔗要在16～24 h內送到糖廠加工，否則會造成甘蔗的變質和糖分的損失，其傳動系統主要組成如圖1(a)。

整桿式收割機的工作過程，一般都具有切梢、扶蔗、切根喂入、剝葉、輸送、集蔗等主要工序。由于存在著收割完后的甘蔗還需用人工打捆裝車的缺點，所以在國外很少使用。由于我國對于甘蔗收割機的研發起步較晚，以及經濟發展水平等各因素的影響，整桿式甘蔗收割機在我國仍在廣泛的應用，與大型甘蔗收割機械相比，小型甘蔗收割機械則具有體積小、重量輕、結構簡單、價格低、適用于丘陵地帶等復雜地形的甘蔗收割［3］。中國甘蔗主產地在南方地區，這些地區多是丘陵，坡地較多，平原種植很少。由于大型甘蔗收割機價格昂貴，只適用于平原地區，在我國很難推廣。因此，推廣輕便、經濟的適合丘陵地區小型甘蔗收割機具有廣闊的空間和巨大的市場。其傳動系統的主要組成如圖1(b)。其主要技術參數如表1。

圖1 甘蔗收割機框架Fig.1 Framework of sugar cane harvester

表1 主要技術參數Table 1 Main technical parameters

2 閉式行走液壓系統

閉式行走液壓系統由左右兩側行走液壓系統組成，每側有1個變量泵為1個變量馬達供油，一側的液壓系統原理如圖2。

圖2 閉式行走液壓系統原理Fig.2 The closed walk hydraulic system principle

2.1 液壓泵馬達控制特點

變量泵控制的最大特點就是裝有一個DA閥［4］，通過使用帶有DA-控制功能的變量泵可以方便地組成靜壓“自動變速機構”;通過“加大油門”將發動機轉速提高，以使車輛開始行駛;當行駛阻力增大時(例如：爬坡)，為了使發動機不致過載，DA-控制會調節行駛速度，使之與發動機的可用功率相匹配;同理，因工作機構同時工作而需消耗發動機的一部分功率時，也會產生同樣的效果，即防止發動機過載或避免發動機熄火。其控制原理如圖3。

圖3 DA閥控制原理Fig.3 DA valve control principle

補油泵流量Qb在節流閥上產生壓降Δp，流量Qb越大，表明n越大，即Δp越大。

式中：Δp為節流閥1前后的壓差;k為節流閥常數;n為泵轉速。

建立閥芯的力平衡方程：

式中：pst為DA閥輸出的控制壓力;A，A1分別為液壓閥芯參數;F1，F2分別為調節彈簧壓力，ΔF= ΔF1－ΔF2;α為放大系數，標準DA閥取值6.9。

pst通過節流閥2變為 p'st，控制壓力p'st通過換向閥進入變量泵的變量油缸，變量油缸中p'st，對中彈簧等效壓力pz，泵出口工作壓力p這3者之間在某一排量位置上取得平衡。

p'st= βpst(β為系數)式中：V為變量泵排量;k0為常數;k1，x分別為對中彈簧剛度和位移;k2為始終調節參數。其中：控制執行壓力P'st的大小，通過節流閥直徑和調節彈簧力F來調節。

由于農業機械在工作時對速度穩定性要求較高，所以變量馬達的控制方式采用的是液壓兩點控制，這種控制方式只有最大排量和最小排量兩種情況，當重載時選擇大排量，輕載時選擇小排量。

2.2 行走系統調速回路

甘蔗收割機的行走系統調速回路其實是一種分段式恒扭矩調速回路(馬達兩點式控制)，低速時輸出穩定大扭矩，高速時扭矩相應降低，但依舊穩定。在低速段，馬達排量為大排量，利用變量泵進行調節，當泵的排量由小調到大時，輸出功率隨之線性增加，馬達獲得最大輸出轉矩，且處于恒轉矩狀態，當馬達排量為小排量時，轉矩相應降低，轉矩恒定。

3 開式工作機構液壓系統

筆者設計的方案為整桿式小型甘蔗收割機的工作機構液壓系統，整個系統為負荷傳感控制，負荷傳感控制系統包括負荷傳感控制閥和負荷傳感控制泵。主要的執行機構有扶蔗馬達、切削馬達、輸送馬達、壓倒馬達、剝葉馬達、根切馬達、扶蔗升降油缸、角度調節油缸和切削升降油缸等，其原理如圖4。

圖4 工作機構負荷傳感液壓原理Fig.4 Work agency load sensing hydraulic principle

3.1 負荷傳感控制系統的主要優點

傳統的負荷傳感控制系統(LS系統)在負載所需功率小于機器所提供的功率時，該系統工作良好，然而當負載所需功率大于機器所提供的功率時，即當閥口全打開時工作系統要求的流量超過泵供油能力的極限時，最高負荷回路上的執行元件速度會迅速降低直至停止，從而使甘蔗收割機失去復合動作的協調能力，這會嚴重影響甘蔗收割機的工作質量［5-7］。

與傳統的液壓系統比較，新負荷傳感控制系統有著如下顯著地優點。

1)節省能量消耗。使用負荷傳感變量系統，泵能夠根據負荷的情況對自身的排量進行調節，由壓差傳感器檢測負荷壓力，通過泵閥控制器發出指令，根據負荷的需求調節液壓泵排量，使泵輸出壓力始終比負荷壓力高出較小的恒定值(設定壓力)，從而保證液壓泵輸出功率與負載相適應，減小能量損失。

2)流量控制精度高，不受負荷壓力變化的影響。

3)幾個執行元件可以同步運動或以某種速比運動，且互不干擾。

文中方案采用的是力士樂的不受負荷影響的流量分配系統，即LUDV負荷傳感系統。在一般情況下，LS系統、LUDV系統的工作性能基本相同，但當執行元件所需流量超過泵輸出流量極限時，LUDV系統中各節流孔壓差Δp始終保持相等，流量總是與節流孔面積成正比，所有執行元件將以同一比率減速，并能獨立平穩地工作，而與負荷和泵流量大小無關。

3.2 LUDV系統的工作原理

為能簡明的分析 LUDV控制系統，筆者給出LUDV控制系統的部分執行元件原理簡圖(圖5)。其中負荷傳感變量泵(圖4)的變量機構根據來自LS口的負荷壓力可自動地對泵的斜盤擺角進行調節，從而控制泵的流量始終等于執行元件所需流量。當執行元件所需流量減小時，泵的擺角自動調小，從而減小泵的流量。反之，則泵的擺角增大，增大泵的流量。

圖5 LUDV控制系統原理Fig.5 LUDV control system principle

一般情況下，對于流量有：

假設p1＜p2，則節流孔的面積A1＞A2，從圖5中可以得到：

由于節流閥上的壓差Δp是設定值，即Δp為常數，所以有：

對于負載最大的執行回路，其壓力補償閥的壓力補償為0，即：

LUDV控制系統是節流閥后補償，通過梭閥篩選出最大的負載壓力反饋到變量泵，同時也反饋給各路壓力補償閥，這就保證了多路閥控制的各執行元件通過多路閥的壓差相同，這樣流量就只和多路閥中的各閥開口度有關，即使所需流量不足的時候，各個執行元件流量也可以按比例分配。即：

4 甘蔗收割機LUVD控制系統的建模與仿真

根據原理圖和參數數據，利用AMESim仿真軟件對LUDV控制系統進行建模仿真。

選擇AMESim模型庫中元件子模型，對于庫中沒有提供的元件，需要通過HCD(Hy draulic Component Design)庫進行設計，由于甘蔗收割機執行元件比較多，建立完整的模型十分復雜，筆者選擇扶蔗和切削馬達建立模型予以說明。所建系統模型如圖6。

圖6 甘蔗收割機LUDV控制系統仿真模型Fig.6 Simulation model of sugar cane harvester LUDV control system

仿真環境為：介質密度850 kg/m3;體積模量1 700 MPa;動力黏度5.1 ×10－2Pa·s;參考溫度為40℃。

仿真結果得到執行機構流量曲線圖。根據甘蔗收割機工作裝置的工作情況可知，執行機構中扶蔗系統的負載相對于切削系統的要大一些，扶蔗系統所需流量也大一些，如圖7。扶蔗系統流量大約為58 L/min，切削系統流量大約為49 L/min。如果沒有壓力補償閥，切削系統的流量會大于扶蔗系統的流量，因此可以表明壓力補償器可以根據閥開口的大小分配流量，與各執行機構的負載大小無關。當工作裝置負載增大時，如圖8。扶蔗系統流量大約為70 L/min，切削系統流量大約為58 L/min，當3個執行機構同時工作時，所需流量大于變量泵所能提供的最大流量(4 s時開始)，此時扶蔗系統和切削系統的流量的都會降低，扶蔗系統流量大約為58 L/min，切削系統流量大約為46 L/min，子系統12分配部分流量大約24 L/min，盡管扶蔗系統和切削系統的負載不同，但由于壓力補償器的作用，兩系統流量成比例減少，使甘蔗收割機工作裝置的執行機構仍舊能夠很好的協調工作。

圖7 系統流量仿真曲線Fig.7 Simulation curve of the system flow

圖8 流量飽和時，系統流量仿真曲線Fig.8 Flow simulation curve when the flow is saturated

5 結語

介紹了甘蔗收割機的類型，設計出符合我國西南丘陵地區的小型整桿式甘蔗收割機的液壓系統。閉式行走系統主要由變量泵和兩點控制變量馬達組成，分析了DA控制的原理和優勢，符合甘蔗收割機對行走速度穩定性的要求。開式工作裝置液壓系統采用LUDV負荷傳感控制系統，能減少液壓系統的能量損失，到達節能的目的;當系統流量達到飽和時，可根據各個回路的節流閥開口的大小將流量按比例減低，而與壓差沒有關系，使甘蔗收割機各執行機構能夠正常的協調工作，利用AMESim軟件進行建模仿真，結果表明該系統符合機器的工作要求，并對類似產品的改進和研發具有一定的參考價值。

［1］陳遠玲，梁式，李尚平，等.甘蔗聯合收割機及其液壓技術的應用［J］.流體傳動與控制，2005，10(3)：19-20.Chen Yuanling，Liang Shi，Li Shangping，et al.Sugarcane harvester and its applications of hydraulic technology［J］.Fluid Power Transmission and Control，2005，10(3)：19-20.

［2］蔣占四，李尚平，鄧勁蓮.甘蔗收割機智能設計系統的研究開發［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2004，16(12)：1754-1757.Jiang Zhansi，Li Shangping，Deng Jinlian.Knowledge based intelligent design system for sugarcane harvester［J］.Journal of Computer Aided Design ＆ Computer Graphics，2004，16(12)：1754-1757.

［3］蒙艷玫，李尚平，劉正士，等.甘蔗收獲機械關鍵元件動態試驗測試的分析研究［J］.廣西大學學報，2004，29(3)：222-225.Meng Yanmei，Li Shangping，Liu Zhengshi，et al.Dynamic test research on cleaning element in brush shape for sugarcane harvester［J］.Journal of Guangxi University，2004，29(3)：222-225.

［4］姚懷新.行走機械液壓傳動與控制［M］.北京：人民交通出版社，2002.Yao Huaixin.Walking Mechanical Hydraulic Drive and Control［M］.Beijing：China Communications Press，2002.

［5］陳遠玲，付玉林.基于AMESim的甘蔗聯合收割機多執行器系統分流技術仿真研究［J］.液壓與氣動，2008，31(12)：6-9.Chen Yuanling，Fu Yulin.Simulating of flow-shunt technology for multi-actuators in the sugarcane combine harvester using AMESim［J］.Hydraulics＆ Pneumatic，2008，31(12)：6-9.

［6］吳曉光，宋海濤，殷新勝，等.基于AMESim的鉆機負載敏感液壓系統仿真分析［J］.機床與液壓，2008，36(3)：163-165.Wu Xiaoguang，Song Haitao，Yin Xinsheng，et al.Simulation analysis of drilling load sensing system based on AMESim［J］.Machine Tool＆ Hydraulics，2008，36(3)：163-165.

［7］鄧斌，劉恒龍，于蘭英，等.裝載機變量液壓節能技術［J］.建筑機械，2004(9)：80-82.Deng Bin，Liu Henglong，Yu Lanying.Variable hydraulic energysaving technology of loader［J］.Construction Machinery，2004(9)：80-82.