甘蔗收割機行駛液壓系統仿真分析

賴　曉，秦志文，張　彪，高建立，郭文峰

（1.廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

甘蔗收割機行駛液壓系統仿真分析

賴曉1，秦志文2，張彪1，高建立1，郭文峰1

（1.廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

針對目前整桿式甘蔗收獲機行駛液壓系統存在的問題，重新進行了改進設計，并利用AMESim仿真軟件對改進后的設計進行了模擬仿真。通過虛擬建模和仿真分析，檢驗了該系統在工作和轉場狀態下的速度、扭矩等參數方面都滿足功能設計要求，從而驗證了本行駛液壓系統設計的可行性，為推動整桿式甘蔗收獲機更快地完善和推廣提供有力的支持。

甘蔗收割機；行駛液壓系統；仿真

甘蔗收割機的執行機構采用液壓驅動，具有變量控制方便、結構緊湊、效率高、能耗低、符合人機工程要求等特點，特別是行駛系統采用液壓系統，能很好地滿足農業機械作業時牽引力和車速變化急劇、頻繁、變化范圍大等苛刻條件。但目前整桿式甘蔗收獲機液壓行駛系統還不完善，在坡度較大的路面行駛時，容易出現行駛馬達鎖死失效現象，在下坡時車子甚至出現超速溜車，構成嚴重安全問題，所以必須對其進行設計改進。

1　行駛系統的改進設計

1.1原行駛系統

原有整桿式甘蔗收獲機液壓行駛系統采用的是開式液壓系統，如圖1所示。正常工作時，油液克服平衡閥開啟壓力，馬達實現轉動。但馬達負載減小時，工作壓力太低則無法使平衡閥開啟，油路就會被鎖死，馬達制動。如果平衡閥壓力調節過低或是平衡閥失效，車子下坡行駛時，工作壓力高于平衡閥開啟壓力，油路仍處于流通狀態，甘蔗收獲機就會在重力作用下超速下滑，出現溜車現象。而且，雙側平衡閥調整困難，常常一側馬達可以鎖死，但另一側馬達則無法鎖死，這樣收割機行駛中就會出現側移。

圖1　原行駛系統液壓原理圖

其次，開式的液壓油路中，液壓泵由油箱中吸油，輸出的壓力經過換向閥控制流向后供給液壓馬達，馬達回油仍經換向閥流回油箱。此油路系統中，泵進出口已經確定即不能互換，系統中的油液每循環一周都要回到油箱并與空氣接觸。油液冷卻性能好，但油箱所需尺寸大，空氣和臟物容易進入回路，造成污染，操控性差，系統效率較低。

1.2改進設計

改進后的整桿式甘蔗收獲機行駛系統為閉式液壓系統，具體設計如圖2所示。

圖2　行駛系統改進后液壓系統圖

改進后的整桿式甘蔗收獲機行駛系統采用閉式油路系統，其主液壓泵為變量泵，與變量行走馬達的油口之間成對相連并構成一個對稱的封閉回路，另由一個補油泵經過單向閥和溢流閥使這個回路始終維持一個基礎壓力（補油壓力）。此系統中主泵兩個油口的油液方向根據變量機構的調節隨時可能變化，而且當泵的實際出油口的壓力低于進油口時，它將轉變成吸收液壓能的“馬達”工況因而起到制動作用。

與原設計開式油路相比，改進后設計采用變量泵，其本身即兼有調節流量和改變方向的雙重作用，一般無須在主油路中再設置會引起附加阻力和泄漏的換向閥即可控制馬達無極變速和換向，系統效率高，響應快，操作更人性化。同時此系統跟隨負荷的變化無須切換油路即可從驅動工況轉為制動工況，具有良好系統剛性。主系統中始終存在著補油壓力，可避免氣蝕對液壓元件的危害。另外，此系統共所需的液壓油箱容量可僅僅為開式油路時的30%左右，更便于安裝在位置有限、結構緊湊的整桿式甘蔗收獲機的行走裝置中。

2　改進后行駛液壓系統仿真分析

2.1建模與參數設置

為了在快速低成本的在樣機研制之前驗證改進后的行駛液壓系統方案的可行性，可利用AMESim仿真軟件進行液壓系統的虛擬仿真分析。為此，先在AMESim里構建了閉式行駛系統液壓系統模型，如圖3所示。

圖3　改進后的行走系統仿真模型

在AMESim參數模式中設置行走變量泵泵、補油泵、轉場及工況行走馬達、沖洗閥、補油溢流閥等主要的的仿真參數設置如圖4～圖5所示。

圖4　行走變量泵參數設置

圖5　補油泵參數設置

2.2液壓行駛系統仿真結果與分析

（1）工作時行駛系統分析

根據前述閉式行走系統的設計方案對液壓系統模型進行參數設置，并利用階躍信號設置工況下馬達負載，整桿式甘蔗收獲機工作時馬達排設置為大排量，變量泵設置為最大排量，進行10 s的仿真。得到工況下行走系統驅動馬達的轉速曲線圖，如圖6所示。

圖6　行駛系統工作時馬達轉速

從圖6可知，馬達開始轉動，經過0.7 s，驅動馬達即將速度增加到990 r/min，通過換算可得機器行駛速度為2.07 m/s.當行駛系統負載增加，馬達轉速會經過數秒的波動然后穩定在900 r/min附近，即行駛速度為1.88 m/s，與無負載啟動時相比行速度下降。這是因為負載增加導致系統容積效率下降，驅動馬達轉速出現波動后下降并穩定在一定速度值。該速度值符合整桿式甘蔗收獲機所需要的最小0.6 m/s的行駛速度要求，驗證了理論分析設計的可行性。

在仿真結果中導出驅動馬達工作時的扭矩如圖7所示。分析驅動馬達工況下的扭矩可知，工況下驅動馬達的輸出扭矩經過波動最后維持在162 N·m附近，符合設計性能。

圖7　驅動馬達工況下扭矩

（2）轉場時行駛系統分析

利用階躍信號設置轉場情況下馬達負載，甘蔗收獲機轉場時馬達排設置為小排量，變量泵設置為最大排量，進行10 s的仿真。得到轉場情況下行走系統驅動馬達的轉速曲線圖，如圖8所示。

圖8　轉場時行走系統驅動馬達轉速

分析行駛系統工況時馬達轉速曲線圖可知，馬達開始轉動，經過3.5 s，驅動馬達即將速度增加到2 300 r/min，通過換算可得機器行駛速度為17.3 km/ h.當行駛系統負載增加，馬達轉速會經過數秒的波動然后穩定在2 250 r/min附近，即行駛速度為16.9 km/h，與無負載啟動時相比行速度下降。這是因為負載增加導致系統容積效率下降，驅動馬達轉速出現波動后下降并穩定在一定速度值。該速度值符合整桿式甘蔗收獲機所需要的15 km/h的行駛速度，驗證了理論分析設計行性。

在仿真結果中得到的驅動馬達工況下的扭矩如圖9所示。分析驅動馬達工況下的扭矩可知，工況下驅動馬達的輸出扭矩經過波動最后維持在10 Nm附近，符合設計性能。

圖9　轉場情況下行走系統驅動馬達扭矩

綜合仿真分析整桿式甘蔗收獲機閉式行走系統在工作時及轉場時的最高行駛速度與扭矩等參數情況，可以判斷本設計的閉式行走液壓系統方案滿足收獲機功能需求，可以按此設計投入制造樣機。

3　結束語

本文針對目前整桿式甘蔗收獲機行駛液壓系統存在的問題，重新進行了改進設計，并利用AMESim仿真軟件對改進后的設計進行了模擬仿真，通過虛擬建模和仿真分析，檢驗了該系統在工作和轉場狀態下的速度、扭矩等參數方面都滿足功能設計要求，從而

驗證了本行駛液壓系統設計的可行性，為推動整桿式甘蔗收獲機更快地完善和推廣提供有力的支持。

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Simulation Anlysis on the Walking Hydraulic System of the Sugarcane Harvester

LAIXiao1，QIN Zhi-wen2，ZHANG Biao1，GAO Jian-li1，GUOWen-feng1
（1.Guangxi University，Nanning 530004，China；2.SGMW，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Aiming at the problems of the sugarcane harvester walking hydraulic system nowadays，this papermakes a design improvement to solve the problems and testifies the improved design quickly and efficiently by making a simulation in AMESim software.Through virtualmodeling and simulation analysis，various of the system parameters speed，torque，etc.in both work and transition state are testified and they all turn out to meet the functional requirements.Therefore，the simulation verifies the feasibility of the design of the walking hydraulic system efficiently.This design improvementmethod will provide strong support to the promotion of the sugarcane harvester.

sugarcane harvester；walking hydraulic system；simulation

TP273

A

1672-545X（2016）04-0008-03

2016-01-03

廣西制造系統與先進制造技術重點試驗室2014年項目（編號：14-045-15S01）；廣西高校臨海機械裝備設計制造及控制重點實驗室項目（編號：GXLH2014KF-04）；廣西大學實驗室建設與實驗教學改革項目（編號：20140111）；2016年廣西教育廳中青年教師基礎能力提升項目。

賴曉（1979-），女，廣西北流人，講師，博士，研究方向：先進制造技術和CAD/CAE。