基于AMESim的煙草中耕培土機液壓系統設計與仿真研究

仝振偉， 張秀麗， 吳亞文， 陳雪婷， 侯朝朋

(1.河南農業大學 機電工程學院， 河南 鄭州 450002; 2.鄭州宇通客車股份有限公司， 河南 鄭州 450061)

引言

在烤煙生產中，煙田中耕培土是煙苗正常生長、收獲優質煙葉的關鍵[1-2]。目前國內在煙草中耕期間進行培土作業的方式主要有人工中耕培土和機器中耕培土兩種。隨著土地流轉，傳統的人工培土方式正逐漸轉向效率更高的機械培土方式，其中液壓傳動技術在農業機械中的應用也越來越廣[3-4]。崔中凱等[5]設計的4YZP-4X自走式玉米收獲機通過液壓系統實現機器行走、轉向輪的轉向、割臺升降、 還田機升降和卸糧等功能。張曉輝等[6]設計的自走式棉田打頂定向施藥管理機，液壓系統實現機器的行走、打頂、噴藥和送風等動作。武廣偉等[7]研發的1KY-40型液壓驅動農田水渠開溝機，開溝作業的動力由獨立的液壓系統提供，雙開溝刀盤同時轉動，機體可整體升降。陳書法等[8]設計研發的水田高地隙自走式變量撒肥機，機器的液壓系統可實現撒肥裝置工作高度的調節，驅動可無級調速的單圓盤撒肥裝置旋轉，實現自動變量連續撒肥功能。何騰鋒等[9]通過對菱形4輪中耕機全液壓轉向系統進行設計與分析，實現了前、后車輪反向轉向，轉向過程同步。范沿沿等[10]采用AMESim對井窖式移栽機的液壓系統進行了仿真分析,分析了其作業狀況。

本研究針對傳統機械式培土機械存在的效率低問題，研究設計了采用液壓系統驅動作業的煙草中耕培土機，對液壓系統方案進行分析，并采用AMESim軟件進行仿真，為煙草中耕培土機液壓傳動系統優化提供了理論依據。

1 煙草中耕培土機整機設計與工作原理

如圖1所示, 煙草中耕培土機由螺旋培土總成、送分土犁刀裝置、護葉裝置、限深裝置、壟距調整裝置、機架和液壓傳動系統等組成。在作業時，機具通過三點懸掛在高地隙拖拉機后，由拖拉機牽引向前作業，且為液壓傳動系統提供動力。拖拉機后動力輸出軸將動力通過萬向軸傳到二級齒輪增速箱的動力輸入軸，二級齒輪增速箱將轉速調整到2000 r/min左右，驅動液壓泵轉動，經過一系列液壓元件和液壓油管，將動力傳輸到液壓馬達上，驅動螺旋培土刀旋轉，切削并輸送土壤，完成培土作業。

1.螺旋培土總成 2.送分土犁刀裝置 3.護葉裝置4.限深裝置 5.壟距調整裝置 6.機架 7.液壓傳動系統圖1 煙草中耕培土機結構簡圖

2 液壓傳動系統設計

根據煙草中耕培土機整機結構，螺旋培土刀可通過萬向軸傳動、軟軸傳動和液壓傳動三種方式進行傳動。其中萬向軸傳動具有傳動效率低、震動較大等缺點；軟軸傳動有易受固有的結構限制、安裝要求較高等特點；液壓傳動整體結構緊湊，可實現無級調節。綜合考慮農業機械工作環境及螺旋培土刀工作特性，采用液壓傳動可減少整機重量，利于螺旋培土刀轉速調節。

2.1 液壓傳動方案的設計

根據煙草中耕培土機的設計，1個螺旋培土總成中設置2個螺旋培土刀，共設置2組螺旋培土總成，所以在機具中共需要4個液壓馬達。根據培土作業要求，需保證4個液壓馬達轉速盡可能保持一致，保證培土作業質量。根據以上要求，提出了4個液壓馬達連接的3種方案，如圖2所示。

1) 串聯方式連接

如圖2a所示，該方案的4個液壓馬達采用串聯方式連接。在選用相同規格的液壓馬達時，理論上可實現液壓馬達轉速的同步，同時具有需要液壓油少，系統結構緊湊等優點；但系統所需壓力較大，對液壓元器件的要求較高。

2) 并聯方式連接

如圖2b所示，該方案的4個液壓馬達采用并聯方式連接，通過3個分流閥來實現流經每個液壓馬達的流量一致。在培土作業理想的情況下，4個螺旋培土刀的負載一致，該方案工作時壓力一致，能較好作業；但在實際工況下，螺旋培土刀的負載易受到土壤性質影響，存在負載波動的問題，當一個螺旋培土刀受影響時，易影響整個液壓系統的運轉，且采用3個分流閥，壓力損失較大；且給4個支路供油，液壓泵的排量、液壓油箱的體積相對都較大。

3) 串并聯方式連接

如圖2c所示，該方案的4個液壓馬達根據螺旋培土總成設計分成兩組，同一組2個液壓馬達串聯后在并聯在分流閥的2個出油口(簡稱“串并聯”)。理論上，該方案最高壓力為4個液壓馬達串聯連接時的1/2，流量為4個液壓馬達并聯時的1/2,但同一支路上的2個液壓馬達進油口壓力會存在不一致問題。

圖2 煙草中耕培土機液壓傳動系統三種方案

2.2 液壓傳動方案的仿真

為了比較三種液壓方案的優劣，在AMESim系統中建立三種方案的簡易模型。如圖3所示，根據螺旋培土刀前期臺架試驗與田間測量，設置螺旋培土刀所受扭矩為60 N·m，設置液壓馬達排量為50 mL/r，其他元器件采用系統首選子模型。調整液壓泵轉速和溢流閥參數，使第一個液壓馬達轉速在300 r/min左右。在系統穩定后，分別測量3個系統的最高壓力、單向閥處的流量、4個馬達轉速一致性(以最大轉速與最低轉速差值表示)與負載變化時系統穩定性(改變第二個螺旋培土刀負載，模擬土壤性質突然變化，測量系統穩定后第二個液壓馬達轉速，用與300 r/min的差值表示)。3種方案系統對比如表1所示。

圖3 螺旋培土刀轉矩的測量

表1 3種方案數據對比

通過方案的對比可以發現，串聯時結構最簡單，所需液壓油最少，受負載不均影響小，但整個系統壓力也最大，對液壓元件和管路有較高的要求，容易發生泄漏，工作一段時間后系統容易失調，需要補償裝置；并聯時系統壓力最低，但結構最復雜，所需液壓油最多，并且液壓馬達轉速受負載影響很大，一旦發生負載不均，4個液壓馬達轉速就不能保證。串并聯相較于串聯，系統壓力約為1/2，系統所需液壓油流量增加不多，轉速一致性與系統穩定性相差較小；相較于并聯，只需要1個分流閥，系統壓力損失較小，2個液壓馬達串聯，可以減少負載不均造成的影響。綜上對比，液壓傳動系統采用串并聯時較好。

3 串并聯液壓傳動系統仿真與分析

根據以上液壓傳動系統方案的選擇，對液壓元器件進行設計選型，且根據整機結構，設計的煙草中耕培土機液壓傳動系統如圖4所示。針對在田間作業情況下，螺旋培土刀所受負載易受土壤中石塊、秸稈等影響，造成4個螺旋培土刀負載不均、發生突變的情況進行仿真，為結構優化提供依據。

1.液壓馬達 2.液壓油箱 3.二級齒輪增速箱4.輸入軸 5.液壓泵圖4 煙草中耕培土機液壓傳動系統三維圖

3.1 液壓傳動方案的仿真

根據螺旋培土刀工作過程中的實際情況，在AMESim中用Mechanical庫中的旋轉負載動力模型(RLOO)來模擬螺旋培土刀的轉動慣量和摩擦力。用扭矩產生器模型(MECFR1ROA)、輸入信號(UD00)和旋轉負載(RL01)來改變轉矩，模擬螺旋培土刀受到突變載荷時的情況。AMESim中螺旋培土刀負載模型及參數設置如圖5所示。

圖5 AMESim中螺旋培土刀負載模型

為了仿真煙草中耕培土機受到沖擊時的狀況，右側螺旋培土刀2采用變轉矩的負載模型。建立的煙草中耕培土機的串并聯液壓傳動系統模型如圖6所示。

1.分流閥 2.右側螺旋培土刀1 3.右側螺旋培土刀24.左側螺旋培土刀2 5.左側螺旋培土刀1 6.增速器圖6 串并聯液壓傳動系統模型

3.2 串并聯液壓傳動系統仿真試驗

為了保證培土效果的一致性，整個液壓傳動系統應具有良好的穩定性與自我調節能力。正常工況下，4個螺旋培土刀的負載基本相同，分流閥閥芯處于平衡狀態。在某一螺旋培土刀的負載發生突變時，與其相連的分流閥出油口壓力會升高或降低，分流閥需要調整閥芯位置，穩定螺旋培土刀轉速。因此設置兩組仿真試驗，一組模擬正常工作情況下的負載，另一組模擬右側螺旋培土刀2載荷突變時的情況。通過軟件采集4個液壓馬達的轉速與分流閥閥芯位移。對比兩種情況下液壓馬達轉速誤差，可以得到系統的穩定性與調節能力。

1) 正常負載時液壓馬達同步性能仿真試驗

通過仿真試驗，選擇兩側第一個液壓馬達的參數進行對比。在正常工況下，兩側第一個液壓馬達轉速曲線和流量曲線如圖7a、圖7b所示。為了分析系統壓力，繪制右側支路2個液壓馬達進油口壓力曲線，如圖7c所示。

圖7 串并聯系統液壓仿真曲線

通過轉速曲線圖7a可知，機具開始工作后，5 s左右液壓傳動系統到達穩定狀態，2個液壓馬達轉速分別為308.96, 307.74 r/min，相較于設計值300 r/min略高，是由于二級齒輪增速箱傳動比的設定使液壓馬達轉速相較于設計值有所升高，整個系統轉速可以保留有一定的調節余量，實際作業時可以通過調整調速閥來控制液壓馬達轉速。通過流量曲線圖7b可知，2個液壓馬達流量相差約15.16 mL/min，低于理論值，是由于仿真模型更加理想化，實際上分流閥存在1%～3%的分流誤差，并聯的2個液壓馬達轉速差值約為3～9 r/min。

通過壓力曲線圖7c可知，測量液壓馬達穩定工作壓力為14.19 MPa，略高于選擇的BM2-50型液壓馬達的最大連續工作壓力14 MPa。造成仿真結果高于理論計算的原因有兩個方面：一是液壓泵實際轉速為2000 r/min，高于液壓傳動系統計算時轉速1800 r/min，使整個系統壓力升高；二是支路中添加單向閥，單向閥打開需要一定壓力。系統中設置有溢流閥，壓力調節范圍0.5～25 MPa，可以降低溢流閥的設置壓力來控制整個液壓傳動系統的最高壓力，實現對液壓元件的過載保護。

2) 突變負載時液壓馬達同步性能仿真試驗

為了模擬實際工況下某個螺旋培土刀負載突變的情況，將輸入信號(UD00)的信號變化次數設置為3次，在20 s時加載信號，25 s時信號取消，圖8為輸入信號(UD00)的參數設置。在突變負載情況下，右側螺旋培土刀2上的負載曲線、右側2個液壓馬達受到突變負載時的轉速曲線、兩側第二個液壓馬達受到突變負載時的轉速曲線和分流閥閥塊位移曲線，如圖9所示。

圖8 輸入信號參數設置

從圖9可以看出，在20 s時，右側第二個液壓馬達負載突變，右側支路2個馬達轉速降低，在21 s左右轉速達到最低，為284.08 r/min；分流閥閥芯向右側移動，22 s時基本達到最大位移，為0.33 mm。在 25 s 左右，左右兩側液壓馬達轉速基本一致。25 s加載的突變負載結束，右側支路馬達轉速發生波動，但很快恢復正常。說明分流閥在系統中可以起到調整兩支路轉速的作用，整個系統的響應時間為4 s左右，兩側馬達轉速最大相差約為10%。

設計的液壓傳動系統對液壓馬達轉速具有一定的自我調節能力，但負載不均時，由于液壓傳動系統存在一定的遲滯，即使有分流閥進行調整，兩側液壓馬達轉速會有一定程度上的偏差，并不能完全實現4個螺旋培土刀轉速的完全一致。負載突變后，螺旋培土刀轉速下降約5.3%，對培土效果影響并不明顯，且實際培土作業過程中，負載突變出現的情況并不多。

圖9 突變載荷下串并聯系統液壓仿真曲線

4 田間試驗

2019年4月，在河南省許昌市小呂鄉羅莊全程機械化示范點大田環境中，針對液壓系統工作狀況、液壓馬達轉速的調節和液壓系統發熱情況進行了樣機試驗。

試驗結果表明，液壓馬達平均轉速為200.30 r/min，低于設計最高轉速300 r/min，分流閥后的平均壓力為11.95 MPa左右，低于計算和仿真的14 MPa，滿足設計要求。液壓油箱的溫度略微偏高，考慮在后期優化時，增加輔助散熱裝置。

5 結論

(1) 根據目前煙草大田中耕培土作業的要求， 對液壓傳動方案進行分析，設計了煙草中耕培土機的串并聯式液壓傳動系統；

(2) 采用AMESim軟件對串并聯液壓傳動系統進行仿真，對兩種工況下液壓馬達的轉速與液壓馬達輸入口壓力等進行分析。結果表明，在正常負載時，兩側第一個液壓馬達的轉速分別為308.96， 307.74 r/min，右側支路上2個串聯液壓馬達輸入口的壓力分別為14.19， 7.60 MPa；在負載突變時，右側2個液壓馬達最低轉速分別為279.38， 284.07 r/min；左右兩側第一個液壓馬達在第21 s時，轉速分別為284.07， 326.38 r/min，系統受到沖擊后4 s左右恢復穩定狀態;

(3) 田間表明，樣機液壓系統結構緊湊，工作狀況良好，達到設計要求。