水稻直播機(jī)升降、折疊液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

扈凱 張文毅 紀(jì)要 余山山 祁兵

摘要：對(duì)水稻直播機(jī)升降、折疊液壓系統(tǒng)的工作壓力、液壓泵排量、液壓缸尺寸、系統(tǒng)流量等參數(shù)進(jìn)行選擇計(jì)算，設(shè)計(jì)滿足工作要求的液壓系統(tǒng)，并使用AMESim軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。仿真結(jié)果表明，升降和折疊液壓缸的工作速度、壓力和流量均與設(shè)計(jì)參數(shù)基本保持一致，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的可靠性。對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水稻直播機(jī);升降、折疊液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì);參數(shù)計(jì)算;AMESim仿真

中圖分類(lèi)號(hào)： S223.2+6? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）05-0184-03

收稿日期：2017-11-02

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與重大產(chǎn)品或裝備創(chuàng)制類(lèi)項(xiàng)目[編號(hào)：CX（16）1037];中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：Y2017XM05）。

作者簡(jiǎn)介：扈 凱（1990—），男，山東濰坊人，碩士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械液壓技術(shù)研究。E-mail：njkf1030@163.com。

通信作者：張文毅，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)種植機(jī)械技術(shù)研究。E-mail：zwy-yxkj@163.com。

水稻是我國(guó)第一大糧食作物，常年種植面積超過(guò)3 000萬(wàn)hm2，約占糧食播種面積的30%[1]。水稻種植方式分為直播和移栽兩大技術(shù)體系，與機(jī)插秧相比，水稻直播技術(shù)省去了工廠化育秧環(huán)節(jié)，是一種省工、省力、節(jié)本、節(jié)能和節(jié)水的高效栽培方式[2-3]。近年來(lái)，隨著化學(xué)除草技術(shù)的成熟以及勞動(dòng)力成本的提高，水稻直播也越來(lái)越受到人們的青睞。

本研究中的水稻直播機(jī)采用“集中排種+氣流均勻分配”技術(shù)方案，技術(shù)指標(biāo)如下：（1）1次播種33行，作業(yè)幅寬可達(dá)8 m;（2）播種均勻，不傷種，播量可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)播種施肥一體化作業(yè);（3）作業(yè)效率高，作業(yè)速度可達(dá)10 km/h，作業(yè)效率5～20 hm2/h。由于直播機(jī)作業(yè)的水田路面不平整，故須要對(duì)其進(jìn)行升降調(diào)節(jié)，使得播種管出口距離地面始終保持在固定的高度上，同時(shí)該直播機(jī)作業(yè)幅寬大，不方便運(yùn)輸，所以須要設(shè)計(jì)折疊液壓系統(tǒng)，在運(yùn)輸過(guò)程中將左右兩側(cè)播種架進(jìn)行折疊，折疊后的寬度約為3.5 m。本研究對(duì)該直播機(jī)的升降、折疊液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，利用AMESim軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析，旨在提高所設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的可靠性。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 液壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

由于直播機(jī)作業(yè)幅寬大，故對(duì)它的升降系統(tǒng)使用2個(gè)液壓缸，以避免單個(gè)液壓缸在提升過(guò)程中兩側(cè)臂下垂，對(duì)于折疊系統(tǒng)則在左右兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)液壓缸進(jìn)行折疊。

水稻直播機(jī)的升降、折疊液壓系統(tǒng)，均為液壓缸無(wú)桿腔為主工作腔，液壓缸壓力負(fù)載關(guān)系滿足式（1）[4]：

式中：p1表示主工作腔壓力，MPa;p2表示回油腔背壓，MPa;D表示液壓缸缸筒直徑，cm;d表示活塞缸直徑，cm;A1表示無(wú)桿腔活塞有效面積，cm2;A2表示有桿腔活塞有效面積，cm2;Fmax表示單個(gè)液壓缸最大負(fù)載，取14 kN;ncm表示液壓缸機(jī)械效率，一般取0.90～0.95。

設(shè)計(jì)壓力（p1）和回油腔背壓（p2）可分別按照表1、表2選擇[4-5]。

升降系統(tǒng)最大負(fù)載為28 kN，折疊系統(tǒng)最大負(fù)載為 22 kN，且安裝尺寸較小，故設(shè)計(jì)壓力選擇4.0 MPa，在保證系統(tǒng)壓力前提下，可以在一定程度上減小液壓元器件的尺寸和質(zhì)量。升降系統(tǒng)和折疊系統(tǒng)的回油腔背壓均選擇0.3 MPa。

經(jīng)計(jì)算可知，液壓缸缸筒直徑（D）可按照公式（4）計(jì)算[4]：

式中：表示液壓缸的桿徑比，桿徑比可以按照表3選擇。升降液壓缸和折疊液壓缸設(shè)計(jì)壓力均為4.0 MPa，桿徑比選擇0.5。

經(jīng)計(jì)算，升降液壓系統(tǒng)的液壓缸缸筒直徑（D）為7.0 cm，活塞缸直徑（d）為3.5 cm，折疊液壓系統(tǒng)的液壓缸缸筒直徑（D）為5.6 cm，活塞缸直徑（d）為2.8 cm。

液壓缸最大流量可按照式（5）計(jì)算[6]：

式中：A1表示無(wú)桿腔活塞有效面積;vmax表示液壓缸最大速度，2個(gè)系統(tǒng)均取0.1 m/s。經(jīng)計(jì)算可知，對(duì)于升降液壓系統(tǒng)，單個(gè)液壓缸最大流量為23.1 L/min，系統(tǒng)需要提供的最大流量為46.2 L/min;對(duì)于折疊液壓系統(tǒng)，單個(gè)液壓缸最大流量為14.8 L/min，系統(tǒng)需要提供的最大流量為29.6 L/min。升降液壓系統(tǒng)和折疊液壓系統(tǒng)使用同一個(gè)液壓泵進(jìn)行供油，原動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，液壓泵最大排量為50.5 mL/r。

升降液壓系統(tǒng)和折疊液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

升降液壓系統(tǒng)和折疊液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如表5所示。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

由圖1可知，原動(dòng)機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，齒輪泵是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件，安全閥設(shè)置系統(tǒng)的安全壓力，防止壓力過(guò)高而損壞液壓元器件，分流集流閥用于把流入升降系統(tǒng)液壓缸的流量按照1 ∶ 1的比例一分為二，使得2個(gè)升降液壓缸達(dá)到較高的同步精度。液控單向閥用于鎖緊液壓缸，當(dāng)三位四通換向閥6處于左位時(shí)，液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)油，液壓缸上升，若此時(shí)突然停止供油，液控單向閥實(shí)現(xiàn)單向鎖緊，使得液壓缸固定在某一高度;當(dāng)該三位四通換向閥6處于右位時(shí)，液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)油，高壓油通過(guò)液控單向閥的液控油口使它處于接通狀態(tài)，液壓缸下降。單向節(jié)流閥用于控制系統(tǒng)流量，防止在液壓缸下降過(guò)程中系統(tǒng)流量過(guò)大而超速。三位四通換向閥7用于改變折疊液壓系統(tǒng)的流量方向，當(dāng)該閥處于左位時(shí)，無(wú)桿腔進(jìn)油;當(dāng)它處于右位時(shí)，有桿腔進(jìn)油;當(dāng)處于中位時(shí)，系統(tǒng)卸荷，防止發(fā)熱。

2 液壓系統(tǒng)仿真

本研究使用AMESim軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。AMESim為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，用戶可以在這個(gè)單一平臺(tái)上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，也可以在這個(gè)平臺(tái)上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能[7-9]。

在水稻直播機(jī)的工作過(guò)程中，升降系統(tǒng)和折疊系統(tǒng)不會(huì)同時(shí)工作，所以將2個(gè)液壓系統(tǒng)按照各自模型分別進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程中，對(duì)部分液壓元件進(jìn)行簡(jiǎn)化。升降液壓系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖2所示，仿真參數(shù)設(shè)置如表6所示。

由圖2可知，三位四通換向閥用于改變系統(tǒng)的流量，額定電流為40 mA，當(dāng)它處于右位時(shí)，液壓缸伸出，克服負(fù)載工作，三位四通換向閥在系統(tǒng)中的子模型如圖3所示，該閥共有5個(gè)接口，每個(gè)接口具有不同的外部變量[10]。常數(shù)信號(hào)經(jīng)過(guò)力轉(zhuǎn)換器作用于液壓缸有桿腔，信號(hào)值代表負(fù)載的大小，升降系統(tǒng)的最大負(fù)載為28 000 N，故單個(gè)液壓缸的最大負(fù)載為 14 000 N。按照表6中的參數(shù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間為3 s，計(jì)算步長(zhǎng)為0.01 s。

升降液壓缸的位移-速度變化曲線、進(jìn)油口壓力變化曲線及進(jìn)油口流量變化曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。

由圖4可知，虛線表示位移-時(shí)間曲線，實(shí)線表示速度-時(shí)間曲線，在3 s內(nèi)，液壓缸位移變化近似于一條直線，最大位移為0.296 m，平均速度0.1 m/s，這和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致。液壓缸速度在剛開(kāi)始的0.1 s內(nèi)有一定的波動(dòng)，波動(dòng)范圍為0.05～0.15 m/s，在0.1 s后，液壓缸速度基本穩(wěn)定在0.10 m/s。由圖5可知，液壓缸進(jìn)油口的壓力最終穩(wěn)定在 3.65 MPa，略小于設(shè)計(jì)壓力的4.00 MPa，在0.1 s內(nèi)，系統(tǒng)壓力出現(xiàn)小幅波動(dòng)，最大壓力為3.76 MPa，小于安全閥設(shè)定的壓力 5 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。由圖6可知，液壓缸進(jìn)油口流量

曲線的變化趨勢(shì)與壓力變化趨勢(shì)類(lèi)似， 在0.12 s內(nèi)， 流量曲線出現(xiàn)較大波動(dòng)，最大流量為35.94 L/min，0.12 s后，系統(tǒng)流量穩(wěn)定在23.07 L/min，與設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致。

同時(shí)，對(duì)直播機(jī)折疊進(jìn)行建模仿真，折疊液壓系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖7所示，仿真參數(shù)設(shè)置如表7所示。

按照表7中的參數(shù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間為8 s，計(jì)算步長(zhǎng)為0.01 s。折疊液壓缸的位移-速度變化曲線、進(jìn)油口壓力變化曲線及進(jìn)油口流量變化曲線分別如圖8、圖9、圖10所示。

由圖8可知，虛線表示位移-時(shí)間曲線，實(shí)線表示速度-時(shí)間曲線，在8 s仿真時(shí)間內(nèi)，液壓缸位移變化近似于1條直線，最大位移為0.797 m，平均速度約為0.1 m/s，這表示液壓缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，波動(dòng)較小。圖9表示折疊液壓缸進(jìn)油口壓力曲線，系統(tǒng)壓力波動(dòng)較小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，壓力值為3.987 MPa。圖10表示折疊液壓缸進(jìn)油口流量曲線圖，在0.1 s時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)流量有一定的波動(dòng)， 系統(tǒng)流量最終穩(wěn)定在14.78 L/min。

仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本研究按照水稻直播機(jī)升降、折疊系統(tǒng)的工作要求，對(duì)它的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算相關(guān)液壓元器件的參數(shù)，同時(shí)將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用AMESim軟件進(jìn)行建模仿真。由仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：（1）升降液壓系統(tǒng)可正常工作，液壓缸工作速度為0.1 m/s，工作壓力為3.65 MPa，系統(tǒng)流量穩(wěn)定在 23.07 L/min，系統(tǒng)波動(dòng)較小;（2）折疊液壓系統(tǒng)可正常工作，液壓缸工作速度為0.1 m/s，工作壓力為3.987 MPa，系統(tǒng)流量穩(wěn)定在14.78 L/min，系統(tǒng)波動(dòng)小;（3）兩者均滿足設(shè)計(jì)要求。

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