蓖麻收獲機液壓提升系統(tǒng)設計及特性分析

趙華洋，高曉輝，李 理，劉 罡

（1. 內蒙古民族大學 機械工程學院，通遼 028043；2.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191；3.內蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程技術研究中心，通遼 028043；4.內蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點實驗室，通遼 028043；5.內蒙古自治區(qū)蓖麻產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新培育中心，通遼 028043）

0 引言

蓖麻作為一種常見的一年生草本植物，其蓖麻籽含油量一般在50%左右，蓖麻油在-18℃低溫狀態(tài)下不凝固，在500℃～600℃高溫條件下不變質、不燃燒，因此可用于加工高級潤滑油，在化工、冶金、機電、紡織、印刷、染料等行業(yè)得到廣泛應用，同時還具有消腫拔毒，瀉下通滯的藥用價值，因此蓖麻已經(jīng)被作為一種投資小、見效快、效益高的經(jīng)濟作物而得到了大規(guī)模種植[1～3]。蓖麻的果實比較密集的分布在植株的中上部，且植株之間高度相差較大，在收割植株的同時需要將果實進行分離，而蓖麻果實密集、堅硬且表面帶硬刺[4,5]，采用人工收割難度較大、效率低且易造成受傷。盡管現(xiàn)在已經(jīng)研制出了蓖麻收獲機械，但是當植株高度差較大時，果實損失量較大且效率較低[6～8]。因此，本文本著結構合理、能耗低、果實采凈率高的原則，對傳統(tǒng)的蓖麻收獲機構進行了改進，提出采用液壓提升裝置可動態(tài)的適應植株高度，在此基礎上了設計了基于負載敏感的液壓回路, 并對液壓系統(tǒng)中關鍵元器件參數(shù)對其性能影響規(guī)律展開研究，得出適宜負載的高性能系統(tǒng)，大大提高了蓖麻收獲機的性能。

1 蓖麻收獲機工作原理

蓖麻收獲機（如圖1所示）主要包括車身及駕駛室、收割機構、傳輸裝置和篩選裝置四大部分。車身及駕駛室主要是為蓖麻收獲機提供支撐及操縱機構，是整臺設備的控制中心；收割機構主要用來收割蓖麻植株，并將收獲的果實通過傳輸裝置送往篩選機構進行篩選分離；采用多級篩選機構能夠使蓖麻果實粒與蓖麻莖葉、細小殘渣有效分離，提高果實的采凈率。收割機構作為蓖麻收獲機的直接采摘機構，其性能的好壞直接關系到整臺設備收獲果實的采凈率。收割機構主要是由割秧刀、電機、減速器、梳齒收割桿、支撐機構及壓秧板組成。在收割機構的后下方安裝有多個割秧刀，主要用來收割蓖麻植株。電機通過減速器帶動梳齒收割桿旋轉收割蓖麻植株。梳齒收割桿和割秧刀的設置使得在收獲蓖麻果實時，蓖麻秧并不被帶入到收割箱中，當梳齒收獲果實時蓖麻秧與土地產(chǎn)生拉力，這種拉力能夠使果實更加有效的被采摘，同時蓖麻秧被割秧刀從根部割斷，有效提高了果實和蓖麻秧的分離率，即提高了果實采摘率。

由于蓖麻植株的高度差距較大，采用傳統(tǒng)的收割機構會造成較低的植株漏采、較高植株被撞斷等現(xiàn)象，因此本文提出了收割高度可動態(tài)調節(jié)的液壓提升機構，根據(jù)植株高度進行動態(tài)調節(jié)，從而提高果實的采凈率。液壓提升機構采用液壓缸通過鏈輪提升機構帶動收割機構在槽鋼導軌內實現(xiàn)上下平移。液壓提升機構作為一個長時間工作的動力執(zhí)行機構，需根據(jù)植株的高度動態(tài)對其調整，是一個重要的能源消耗裝置，其動態(tài)特性及能耗特性與整臺設備性能息息相關。因此，針對蓖麻收獲機的液壓提升機構進行設計并對其特性展開研究。

圖1 蓖麻收獲機

2 基于負載敏感的液壓提升機構

2.1 液壓機構工作原理

蓖麻收獲機的提升機構采用具有負載敏感功能的液壓系統(tǒng)，主要由變量泵、變量油缸、溢流閥、負載敏感閥（Load Sensing valve簡稱LS閥）、三位四通閥、液壓缸及阻尼閥組成（如圖2所示），該系統(tǒng)能夠根據(jù)負載需求動態(tài)調整變量泵的輸出排量，從而有效降低功率損耗，提高液壓系統(tǒng)的工作效率。

在液壓提升機構中，液壓缸的有桿腔通高壓油克服負載重力提升收割機構向上運動，因此選擇有桿腔壓力作為負載反饋。油泵的出口壓力為ps，負載壓力為pL，LS閥彈簧力為Fs，LS閥通流面積為A。當△pA=（pspL）A＞Fs，泵出口壓力高于負載壓力時，LS閥右移通流孔變大，變量油缸無桿腔壓力增大，推動變量泵斜盤傾角減小，從而減小泵的輸出壓力，達到平衡；當△pA=（ps-pL）A＜Fs，泵出口壓力低于負載壓力時，LS閥左移通流孔變小，變量油缸無桿腔壓力減小，變量泵斜盤傾角增大，從而增大泵的輸出壓力，達到平衡。溢流閥保證整個系統(tǒng)的安全工作壓力。

2.2 基于AMESim建模

圖2 液壓提升系統(tǒng)

AMESim（Advanced Modeling Environment for Simulations of Engineering Systems）是一種覆蓋多學科領域的復雜系統(tǒng)建模與仿真平臺，涵蓋了機械、液壓、氣動、熱、電磁、控制等多個領域[9,10]。蓖麻收獲機的液壓提升機構作為一個涵蓋機械、液壓、控制等多個領域的復雜系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中各個部件的工作特性，采用AMESim中的液壓庫（Hydraulic）、液壓元器件庫（Hydraulic Component Design）、機械庫（Mechanical）和信號控制庫（Signal、Control）搭建提升機構數(shù)學模型（如圖3所示）。變量泵、溢流閥、三位四通閥、阻尼孔、液壓缸直接在液壓庫調取模型。變量油缸采用液壓元器件庫中的Piston with spring（BAP016）模擬變量缸中帶彈簧的有桿腔，采用Piston（BAP12）模擬變量缸中的無桿腔，采用機械庫中的Mass with friction and ideal end stops（MAS005）模擬活塞桿的質量、行程及其摩擦力。LS閥采用液壓元器件庫中的Piston with spring（BAP016）模擬閥中帶彈簧的有桿腔；采用Piston（BAP12）模擬閥中的無桿腔；采用Spool with hole section orifice（BAO041）模擬閥的開度；采用機械庫中的Mass with friction and ideal end stops（MAS005）模型模擬閥芯的質量、行程及其摩擦力。提升負載中采用1 Port mass capable of onedimensional motion（MAS001）模擬負載質量；采用Rope end（REND001）、Rope with stiffness and viscous friction（ROP0001）、Ideal sheave（RSHE001）和Rotary load with two shafts without friction（RL02）模擬鏈輪提升機構。控制信號采用Interpolate 1D or XY table with respect to time（SIGUDA01）模型，信號曲線來源于外部文件。

3 關鍵元器件特性研究

基于變量泵和LS閥的負載敏感系統(tǒng)可以有效的提高系統(tǒng)的工作效率，節(jié)約能耗。因此，本文在搭建蓖麻收獲機液壓提升系統(tǒng)AMESim模型的基礎上，研究變量油缸和阻尼閥對液壓提升系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，從而得出適應本液壓系統(tǒng)的最佳參數(shù)。

圖3 液壓提升系統(tǒng)AMESim模型

3.1 變量油缸特性分析

變量油缸根據(jù)負載端特性和彈簧調節(jié)變量油缸的輸出位移從而改變變量泵的輸出特性，彈簧剛度K直接影響到整個液壓系統(tǒng)的輸出特性[12]。變量油缸中彈簧在選擇不同剛度時，研究提升機構由最底端上升至最高處的過程中液壓系統(tǒng)輸出壓力（p）、流量（Q）和功率（P）如圖4所示。由圖4可以看出，當彈簧剛度較小時，負載上升速度較慢，液壓系統(tǒng)流量和壓力發(fā)生波動導致負載上升不平穩(wěn)；而當彈簧剛度較大時，負載上升速度較快，但在上升任務完成后液壓系統(tǒng)輸出壓力變大，功耗增強。這是因為當變量油缸中的彈簧剛度較小時，系統(tǒng)受負載的影響易產(chǎn)生波動，從而導致負載上升不平穩(wěn)；而當彈簧剛度較大時，變量油缸的移動較為平穩(wěn)，但是推動油缸動作需要較大的液壓動力，從而增大了液壓系統(tǒng)的能耗。綜上所述，變量油缸彈簧剛度必須適中，過大或者過小的彈簧剛度都會都影響液壓系統(tǒng)的輸出特性。

圖4 變量缸彈簧剛度特性

3.2 阻尼閥特性分析

阻尼閥作為負載敏感系統(tǒng)中的關鍵元器件，其特性直接關系到整個液壓系統(tǒng)性能[13]。阻尼閥的工作實質是小孔節(jié)流，通過調節(jié)節(jié)流孔面積來改變其輸出特性。阻尼孔兩側的壓差△p和流量之間的關系如式(1)所示。

式中Q為流量；Cq為流量系數(shù)；d為阻尼孔直；△p為阻尼閥兩側的壓力差； 為液壓介質密度。

1）阻尼閥1特性分析

阻尼閥1不同直徑（d1）時，研究提升機構由最底端上升至最高處的過程中液壓系統(tǒng)輸出壓力（p）、流量（Q）和功率（P）如圖5所示。由圖5可以看出，當阻尼孔直徑較小時，液壓系統(tǒng)流量和壓力會發(fā)生較大的波動從而導致負載上升不平穩(wěn)，且功率損耗增大。這是因為當阻尼閥1直徑較小時，由LS閥到變量油缸之間的阻力變大，LS閥對變量油缸的控制力降低，從而導致液壓系統(tǒng)性能降低。因此，阻尼閥1的直徑不易太小。

圖5 阻尼閥1特性

2）阻尼閥2特性分析

阻尼閥2不同直徑（d2）時，研究提升機構由最底端上升至最高處的過程中液壓系統(tǒng)輸出壓力（p）、流量（Q）和功率（P）如圖6所示。由圖6可以看出，當阻尼孔直徑較小時，液壓系統(tǒng)在初始時刻波動較大，在完成提升任務后壓力和流量較大，功率損耗較大；當阻尼孔直徑較大時，液壓系統(tǒng)輸出壓力會發(fā)生較大的波動，從而導致負載上升產(chǎn)生振蕩。這是因為當阻尼閥2的直徑較小時，LS閥與變量油缸之間的壓力增大，液壓系統(tǒng)功耗增大；當阻尼閥2直徑較大時，LS閥對變量油缸的控制能力較弱，直接通過阻尼孔達到油箱，波動較大。綜上所述，阻尼閥2的直徑必須適中，過大或者過小都會都影響液壓系統(tǒng)的輸出特性。

圖6 阻尼閥2特性

4 系統(tǒng)仿真分析

通過研究蓖麻收獲機液壓提升系統(tǒng)中變量油缸彈簧剛度和阻尼孔直徑對液壓系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，根據(jù)其影響規(guī)律選擇合適參數(shù)搭建液壓提升系統(tǒng)。在負載提升過程中，LS負載敏感液壓系統(tǒng)與定量泵溢流液壓系統(tǒng)（圖7）的輸出功率（P）如圖8所示，LS負載敏感液壓系統(tǒng)輸出特性平穩(wěn)且功耗較低，尤其當負載提升至最高位后不再運動時，定量泵溢流液壓系統(tǒng)溢流耗費大量的能量而負載敏感系統(tǒng)的耗能量幾乎為0，大大降低了系統(tǒng)的功耗。

圖7 定量泵溢流液壓系統(tǒng)

圖8 液壓提升系統(tǒng)特性

5 結論

通過對蓖麻收獲機液壓負載敏感提升系統(tǒng)設計及研究，可以得知負載敏感液壓系統(tǒng)中變量油缸彈簧剛度和阻尼閥直徑對于提高系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性和降低功耗至關重要。