挖拔式木薯收獲機(jī)挖深液壓控制裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

熊 佳，廖宇蘭，呂凱英，益愛(ài)麗

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

0 引言

木薯也叫樹(shù)薯，是世界三大薯類之一，熱帶地區(qū)的分布居多，也是我國(guó)廣東、廣西和海南等地方的重要資源，在我國(guó)栽培面積逐年增加。木薯人工收獲耗時(shí)、耗力、效率低，而木薯機(jī)械化收獲又是木薯產(chǎn)業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段尚未能推出適應(yīng)性強(qiáng)的木薯收獲機(jī)來(lái)代替人工收獲[1-3]。

在收獲過(guò)程中，挖拔式木薯收獲機(jī)[4-5]挖掘鏟在單一牽引力和自身重力作用下會(huì)越挖越深，鏟面上積累大量土壤無(wú)法及時(shí)排開(kāi)，牽引載荷越來(lái)越大，直接影響著木薯收獲機(jī)的收獲效率、機(jī)械性能及機(jī)械功耗，間接影響木薯的收獲凈薯率、傷薯率、機(jī)械的動(dòng)力匹配及機(jī)械收獲成本。因此，可靠實(shí)用的木薯收獲機(jī)挖深控制裝置在木薯機(jī)械化收獲機(jī)的研制中具有極其重要的意義。為此，研究出一套木薯收獲機(jī)挖深液壓控制系統(tǒng)裝置[6-9]，以期實(shí)現(xiàn)在木薯收獲機(jī)穩(wěn)定工作的前提下對(duì)挖掘鏟挖深的精準(zhǔn)控制。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要部件參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)工作原理

挖拔式木薯收獲機(jī)主要由地表仿形機(jī)構(gòu)、莖稈導(dǎo)向裝置、夾持輸送裝置、液壓仿形鏟、機(jī)架及行走輪等部分組成，如圖1所示。

該機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛的方式與拖拉機(jī)連接，并隨著拖拉機(jī)一起向前移動(dòng)。工作時(shí)，安裝在機(jī)架最前方的地表仿形機(jī)構(gòu)與高低起伏的地表接觸，通過(guò)角度傳感器、單片機(jī)將信號(hào)發(fā)送給三位四通電磁轉(zhuǎn)換閥從而控制液壓油缸的進(jìn)退來(lái)調(diào)整挖掘鏟的挖深；莖稈導(dǎo)向裝置將倒伏的木薯莖稈喂入夾持輸送機(jī)構(gòu)，再由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)傳動(dòng)軸與該機(jī)變速箱連接后帶動(dòng)夾持輸送裝置、莖分離裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，完成對(duì)木薯莖稈的喂入、挖拔、輸送與分離。

1.液壓仿形鏟 2.地表仿形機(jī)構(gòu) 3.莖稈導(dǎo)向裝置 4.懸掛架 5.變速箱 6.夾持輸送機(jī)構(gòu) 7.薯莖分離裝置 8.機(jī)架 9.行走輪

1.2 液壓控制系統(tǒng)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.2.1 地表仿形機(jī)構(gòu)

地表仿形機(jī)主要由限位桿、限位彈簧、聯(lián)軸器、仿形軸、角度傳感器、仿形連接板和仿形托板8個(gè)部分組成，如圖1所示。

地表仿形裝置隨木薯收獲機(jī)一起向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到凹凸不平的地面時(shí)，緊貼地表的仿形托板帶動(dòng)仿形軸轉(zhuǎn)動(dòng)；再經(jīng)聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信號(hào)傳送給角度傳感器，完成對(duì)地表信號(hào)的采集?？紤]到實(shí)際收獲情況，采用限位桿、限位彈簧減少機(jī)械振動(dòng)及地表對(duì)形托板的摩擦力等因素對(duì)測(cè)量精度的影響，實(shí)現(xiàn)地表情況的精準(zhǔn)收集。

1.仿形連接板 2.限位彈簧 3.仿形軸 4.緊固螺栓 5.仿形托板 6.底座 7.角度傳感器 8.聯(lián)軸器 9.限位桿

1.2.2 仿形機(jī)構(gòu)仿形量的確定

仿形量的大小與傳感器擺臂的轉(zhuǎn)角等如圖3所示。建立它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，需要考慮到擺臂順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度的情況分別計(jì)算，即

Δh1=Lcos(30°-α1)-h

(1)

Δh2=h-Lcos(30°+α2)

(2)

式中L—擺臂的長(zhǎng)度(mm)；

Δh1—上坡時(shí)機(jī)構(gòu)仿形量(mm)；

h2—下坡時(shí)機(jī)構(gòu)仿形量(mm)；

α1—上坡時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度(°)；

α2—下坡時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度(°)。

由公式(1)和(2)可知：仿形角度在 -20°～20°時(shí)，仿形量為-133mm～71mm之間，符合實(shí)際工作要求。

1.3 挖掘鏟液壓機(jī)構(gòu)

挖掘鏟液壓機(jī)構(gòu)主要由提升液壓缸、角度調(diào)節(jié)液壓缸、挖掘鏟、鏟板等部分組成，如圖4所示。根據(jù)機(jī)構(gòu)實(shí)際工作要求與傳動(dòng)性能，設(shè)計(jì)的限深式液壓挖掘鏟機(jī)構(gòu)包括挖掘鏟的角度調(diào)節(jié)和機(jī)構(gòu)整體提升兩個(gè)方面。角度調(diào)節(jié)主要通過(guò)角度調(diào)節(jié)液壓缸伸縮實(shí)現(xiàn)，其范圍為 0°～30°，符合挖掘鏟土下限深調(diào)節(jié)工作的要求；機(jī)構(gòu)整體提升采用兩個(gè)垂直安裝的提升液壓缸來(lái)完成，可滿足收獲是挖掘鏟提升下放的性能，同時(shí)在收鏟時(shí)可以幫助清理鏟面上的雜草和壅土，在此不多做設(shè)計(jì)說(shuō)明[10-11]。

圖3 地表仿形機(jī)構(gòu)與角度關(guān)系分析圖Fig.3 Table copying mechanism structure

1.挖掘鏟 2.提升液壓缸 3.角度調(diào)節(jié)液壓缸 4.鏟托

2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)的最大優(yōu)點(diǎn)就是傳遞力量大、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快[12]，因此本次所設(shè)計(jì)的挖拔式木薯收獲機(jī)挖掘裝置控深系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用液壓裝置來(lái)提高挖掘裝置的穩(wěn)定性和使用性能。

2.1 液壓系統(tǒng)工作原理

挖拔式木薯收獲機(jī)液壓挖掘鏟的深度液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。液壓系統(tǒng)由液壓缸、三位四通電磁換向閥、液壓泵、過(guò)濾器、溢流閥及油箱等部分組成。

液壓控制挖掘鏟的動(dòng)作要求如下：鏟的下放工作由提升液壓缸來(lái)執(zhí)行；鏟的入土傾角調(diào)節(jié)和限深均由角度調(diào)節(jié)液壓缸來(lái)執(zhí)行。同步液壓缸的動(dòng)作是同步的，共用一個(gè)油路系統(tǒng)和電磁閥。

液壓控制挖掘鏟液壓系統(tǒng)原理如下：

1)鏟的下放。提升油缸的電磁閥的線圈YA2通電，提升液壓缸的無(wú)桿腔進(jìn)油，活塞桿伸長(zhǎng)，液壓鏟整體下降。

2)鏟的傾角調(diào)節(jié)。提升油缸的電磁閥位于中位，兩端線圈均不通電，油缸不動(dòng)作。角度調(diào)節(jié)油缸的的電磁閥電磁線圈YA4通電，角度調(diào)節(jié)油缸無(wú)桿腔進(jìn)油，油缸活塞桿伸長(zhǎng)，達(dá)到入土角度。

3)液壓鏟收鏟、收角。提升油缸電磁線圈YA1、YA3通電，電磁閥位于左位，液壓缸有桿腔進(jìn)油，無(wú)桿腔回油，活塞桿縮回，實(shí)現(xiàn)收鏟、收角動(dòng)作。

圖5 液壓系統(tǒng)控制原理圖Fig.5 Hydraulic System Control Schematic

2.2 負(fù)載分析

2.2.1 負(fù)載特性分析

負(fù)載分析是執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行受力分析，機(jī)構(gòu)所要求的工藝目的不同，對(duì)構(gòu)件所受負(fù)載分析的重點(diǎn)就不同[13]。液壓式挖掘鏟的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓缸，在此對(duì)液壓缸工作情況進(jìn)行重點(diǎn)分析，分析活塞桿作用對(duì)象對(duì)液壓缸產(chǎn)生的力。

通過(guò)理論分析確定液壓鏟控深系統(tǒng)的負(fù)載。計(jì)算執(zhí)行元件負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮所受到的各種力和力矩，主要包括工作負(fù)載(如相互擠壓作用力、重力和發(fā)生彈性塑性變形所需的力等)、慣性負(fù)載和阻力負(fù)載(摩擦力)等。

液壓缸做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要克服的負(fù)載為

F=Fg+Fa+Ff

(3)

式中Fg—工作負(fù)載(N)；

Fa—慣性負(fù)載(N)；

Ff—摩擦負(fù)載(N)。

在測(cè)試系統(tǒng)啟動(dòng)工作時(shí)，忽略摩擦負(fù)載、粘性阻尼力和彈性負(fù)載，故負(fù)載分析只需考慮工作負(fù)載和慣性負(fù)載。

2.2.2 工作負(fù)載分析

研究對(duì)象為挖掘鏟和鏟板，受力如圖6所示。

圖6 角度調(diào)節(jié)液壓缸受力分析圖Fig.6 Angle adjustment hydraulic cylinder force analysis diagram

1)提升液壓缸工作負(fù)載。提升液壓缸是兩個(gè)同步動(dòng)作的法蘭油缸組成，負(fù)載為拉力，計(jì)算公式為

Fg1=mg

(4)

2)角度調(diào)節(jié)液壓缸最大工作負(fù)載，則

∑Fx=0,Fzsinα-Fg2cosβ=0

(5)

∑Fy=0,G+FNsinβ-Fzcosα-FN=0

(6)

∑MA=0,FNLcosα-Fg2cosβL2=0

(7)

式中Fg1—提升壓缸最大工作負(fù)載(N)；

Fg2—提升液壓缸最大工作負(fù)載(N)；

FZ—鉸銷軸對(duì)鏟體支持力(N)；

FN—地面對(duì)挖掘鏟的阻力(N)；

L1—液壓缸最大伸直長(zhǎng)度(mm)；

L2—垂直高度(mm)；

α—挖掘鏟最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度(°)；

β—液壓缸安裝角度(°)；

G—機(jī)構(gòu)所受重力(N)。

通過(guò)計(jì)算得到：Fg1=782.24N，F(xiàn)g2=2800N。

2.2.3 慣性負(fù)載分析

慣性負(fù)載是指動(dòng)作機(jī)構(gòu)在開(kāi)始執(zhí)行和停止執(zhí)行的時(shí)候的的慣性力，其平均的慣性力計(jì)算公式為

(8)

式中F—慣性負(fù)載(N)；

G—執(zhí)行機(jī)構(gòu)自身重力(N)；

g—重力加速度(m/s2)；

Δv—速度變化量(m/s)；

Δt—啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間(s)。

根據(jù)相關(guān)資料[13]，選取合適的啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間，得到F=100N。

2.3 液壓執(zhí)行元件的選定

2.3.1 提升液壓缸的選定

液壓鏟具有兩個(gè)提升液壓缸，主要功能是承受整個(gè)鏟的質(zhì)量和將鏟提升到一定高度，可以通過(guò)其伸縮達(dá)到對(duì)挖掘后鏟面上所擁堵的土壤和雜草進(jìn)行清除的作用。

根據(jù)液壓缸的工作要求、安裝要求及工作壓力，選定63/35×200-400型液壓缸。其行程為 200mm,活塞桿直徑為 35mm，液壓缸內(nèi)徑 63mm，最小安裝尺寸為 400mm。考慮到際工作情況，計(jì)算液壓缸分別計(jì)算最大推力與最大拉力為

Ft=pA1

(9)

Fl=pA2

(10)

式中Ft—油缸推力(N)；

Fl—油缸拉力(N)；

A1—油缸前推截面面積(mm2)；

A2—油缸后拉截面面積(mm2)；

p—系統(tǒng)工作壓力(Pa)。

由計(jì)算可知：液壓缸的最大拉力為3 115.6N，最大推力為2 744N，滿足系統(tǒng)負(fù)載要求。

2.3.2 角度調(diào)節(jié)液壓缸選定

液壓鏟的角度調(diào)節(jié)液壓缸的主要作用是調(diào)節(jié)鏟身在入土、碎土及限深時(shí)的角度，選擇的液壓缸類型為單活塞缸。

當(dāng)無(wú)桿腔為主工作腔時(shí)，則

p1A1-p2A2=Fmax/ηcm

(11)

有桿腔為主工作腔時(shí)，則

p1A2-p2A1=Fmax/ηcm

(12)

式中p1—主工作腔壓力(Pa)；

p2—無(wú)桿腔壓力(Pa)。

考慮實(shí)際工作情況選定50/28×100-300型液壓缸，其行程為 100mm,活塞桿直徑為28mm，液壓缸內(nèi)徑為50mm，最小安裝尺寸為 300mm。由式(9)～式(12)可得：液壓缸的最大拉力19 635N，最大推力為13 477N，滿足系統(tǒng)負(fù)載要求。

3 挖深控制機(jī)構(gòu)土槽試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

該實(shí)驗(yàn)在海南大學(xué)農(nóng)機(jī)土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由挖掘鏟深度控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見(jiàn)圖7)、控制器、PC機(jī)、卷尺、秒表及量角器等試驗(yàn)器件組成。仿形機(jī)構(gòu)的行程為 1 200mm，電機(jī)帶動(dòng)仿形裝置的行進(jìn)速度為 20mm/s，單片機(jī)的采集頻率為 50ms/次；土壤質(zhì)地為紅土[14]，堅(jiān)實(shí)度為207.5×105Pa；土壤含水率為7.3%(0～5cm)、10.7%(5～10cm)。

圖7 挖掘鏟挖深控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)Fig.7 Excavation shovel depth control system test bench

3.2 試驗(yàn)方法

由牽引裝置勻速托動(dòng)仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)入模擬地面，經(jīng)傳感器、PLC收集處理地表起伏數(shù)據(jù)，通過(guò)液壓站將數(shù)據(jù)反饋給挖深控制液壓缸實(shí)現(xiàn)挖深自動(dòng)控制；模擬地面采用鋪筑方式，將仿形裝置經(jīng)過(guò)的地面平分成3段，如圖8所示。仿形托板的初始位置在水平地面區(qū)域，鋪設(shè)凸臺(tái)平滑鋪設(shè)，每段1個(gè)凸臺(tái)并測(cè)量實(shí)際起伏數(shù)據(jù)，共3個(gè)凸臺(tái)，A、B、C等3個(gè)區(qū)域的中心線為所鋪筑路面的最高位置。進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析仿形結(jié)果理論值與實(shí)際測(cè)量凸臺(tái)值，觀察液壓控制系統(tǒng)指示燈發(fā)光和熄滅情況，記錄液壓系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、提升液壓缸工與角度調(diào)節(jié)液壓缸自動(dòng)控制使用時(shí)間。

圖8 仿形地面鋪設(shè)要求Fig.8 The construction requirements of profiling ground

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 地表仿形機(jī)構(gòu)仿形結(jié)果分析

地表仿形機(jī)構(gòu)理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析如表1所示。由表1可知：最大誤差為 8.9%，平均誤差為3.5%，仿形機(jī)構(gòu)測(cè)試精度在誤差范圍之內(nèi)，性能可靠。但此次試驗(yàn)所選取點(diǎn)的高度為均勻變化，誤差的大小卻差別較大。其原因可能是傳感器在測(cè)量過(guò)程中受其他因素干擾，出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)造成的，但總體上是可靠的。

表1 仿形結(jié)果理論值與實(shí)際值Table 1 Profile data between the theory and practice

3.3.2 液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

由挖掘鏟液壓控制系統(tǒng)指示燈觀察結(jié)果可知：從開(kāi)始液壓鏟下放，提升油缸的動(dòng)作時(shí)間為 0.7s，行程為200mm，角度調(diào)節(jié)油缸的動(dòng)作時(shí)間為1s，行程為100mm，給予地表起伏信號(hào)后觀察到油缸的響應(yīng)時(shí)間為 1.7s，滿足使用要求。

4 結(jié)論

1)對(duì)測(cè)試裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了地表仿形機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面起伏狀況的實(shí)時(shí)檢測(cè)。仿形角度為 -20°～20°，仿形高度為 -133～71mm。設(shè)計(jì)了挖掘鏟液壓控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)挖深的 0°～30°的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2)根據(jù)挖掘鏟控制要求設(shè)計(jì)了挖掘鏟液壓控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)挖掘鏟的負(fù)載情況進(jìn)行系統(tǒng)分析，選擇了合適的液壓執(zhí)行元件。

3)通過(guò)土槽實(shí)驗(yàn)，由地表仿形機(jī)構(gòu)測(cè)量的理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析得到：最大誤差為8.9%，平均誤差為3.5%；掘鏟液壓控制系統(tǒng)油缸的響應(yīng)時(shí)間為1.7s，1s內(nèi)完成對(duì)挖出鏟的角度與深度調(diào)節(jié)，測(cè)試效果能夠滿足精準(zhǔn)挖深控制控要求。