基于PVG的甘蔗聯(lián)合收割機負(fù)載敏感控制研究*

陳遠玲，彭卓，覃東東，曹镕韜，張凡毅

(廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，南寧市，530004)

0 引言

甘蔗是制糖的主要原料，當(dāng)前我國甘蔗種植面積位居世界第三，其中廣西種植面積占比達60%，但受季節(jié)天氣、地形及收割機性能等因素的影響，導(dǎo)致我國的甘蔗收割機械化仍不足15%，遠遠低于美國、澳大利亞等發(fā)達國家，與巴西等發(fā)展中國家相比甚至存在較大差距，因此甘蔗的收獲成本較高，這使得我國的白糖價格在國際上處于劣勢[1-4]。為提高蔗農(nóng)經(jīng)濟效益，降低勞動力強度，國家制訂了相關(guān)政策來加快提高廣西甘蔗收割機械化水平[5]。盡管甘蔗聯(lián)合收割機在市場上已有成品出售，但其液壓系統(tǒng)性能仍有待提高，系統(tǒng)能耗高，發(fā)熱嚴(yán)重，綜合性能不理想[6]。廣西地形多為丘陵地帶，工況復(fù)雜，導(dǎo)致甘蔗收割機工作時負(fù)載波動大，加上其執(zhí)行元件眾多，使得各執(zhí)行器間的速比往往不能在負(fù)載波動的時候保持在合理范圍，進而發(fā)生堵塞的情況，降低收割效率，各執(zhí)行器的速比關(guān)系還會影響到甘蔗收獲質(zhì)量[7-10]。陳遠玲等[11-14]針對廣西地形多變造成的負(fù)載波動大，液壓系統(tǒng)工作效率低等問題，采用負(fù)載敏感技術(shù)，通過AMESim對閉式負(fù)載敏感泵系統(tǒng)的節(jié)能性進行了仿真分析，但仿真所用載荷參數(shù)主要來源于理論計算，與實際工況有一定差距。

本文通過試驗獲得甘蔗聯(lián)合收割機在無倒伏、有倒伏兩種工況下各工作部件的載荷特征，研究將PVG負(fù)載敏感閥應(yīng)用于甘蔗聯(lián)合收割機液壓系統(tǒng)的可行性，尋找能兼顧甘蔗收割機液壓系統(tǒng)節(jié)能減耗、保持子系統(tǒng)間速比關(guān)系的思路和方法，優(yōu)化甘蔗聯(lián)合收割機液壓系統(tǒng)的設(shè)計。

1 材料和方法

1.1 試驗平臺的設(shè)備及儀器

本次數(shù)據(jù)采集試驗的機型為廣西某企業(yè)研制的中型切段式甘蔗聯(lián)合收割機，各工作部件均采用液壓驅(qū)動，如圖1所示。

圖1 試驗用甘蔗收割機Fig. 1 Sugarcane combine for test

試驗采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(型號：SomateDAQ-lite)能在復(fù)雜工況順利進行數(shù)據(jù)采集，具有性能穩(wěn)定，采樣頻率高、多通道、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等特點，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機械及農(nóng)機領(lǐng)域。此外，試驗采用托普濕度和硬度測試儀，對試驗場地的土壤濕度、硬度進行檢測。

1.2 試驗測試方案設(shè)計及數(shù)據(jù)采集

切段式甘蔗收割機的關(guān)鍵工作部件(包括：刀盤、切段及風(fēng)機馬達)承擔(dān)了甘蔗收獲的重要工序任務(wù)[15]，因此將刀盤、切段及風(fēng)機的馬達作為主要測試對象。圖2為田間載荷數(shù)據(jù)采集的方案示意圖，電源采用甘蔗收割機自帶的24 V直流電池，分別給SomateDAQ-lite數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器供電。本次測試試驗中，選擇刀盤、切段和風(fēng)機馬達的進口壓力作為壓力傳感器的測量點，轉(zhuǎn)速傳感器將脈沖信號轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速值，傳感器信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行動態(tài)采集，并在筆記本電腦中實時顯示、存儲。

圖2 數(shù)據(jù)采集方案示意圖Fig. 2 Schematic diagram of data acquisition scheme

數(shù)據(jù)采集試驗分別在廣西扶綏縣和南寧金光農(nóng)場進行，表1為試驗田條件參數(shù)，各工作部件的運動參數(shù)則根據(jù)課題組前期研究得到的較優(yōu)速比約束關(guān)系設(shè)定：行走速度2 km/h、刀盤轉(zhuǎn)速600 r/min、切段轉(zhuǎn)速250 r/min和風(fēng)機轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

表1 試驗田條件參數(shù)Tab. 1 Field parameters

2 兩種典型工況關(guān)鍵部件的載荷研究

圖3、圖4分別為無倒伏工況和有倒伏工況各部件的轉(zhuǎn)速及載荷情況。從圖3可見，甘蔗聯(lián)合收割機在無倒伏試驗田工作時，各工作部件的壓力載荷和轉(zhuǎn)速有一定程度的波動；從圖4中可以看出,甘蔗收割機在有倒伏工況收割時各工作部件轉(zhuǎn)速、壓力波動幅度很大，原因是甘蔗倒伏導(dǎo)致了甘蔗不規(guī)則排序，引起喂入量不均勻；此外，倒伏彎曲的甘蔗在喂入過程中容易造成與機械裝置的刮碰、卡堵，多種因素綜合導(dǎo)致載荷波動幅度增大。

(a) 刀盤馬達轉(zhuǎn)速

(b) 刀盤馬達壓力

(c) 切段馬達轉(zhuǎn)速

(d) 切段馬達壓力

(e) 風(fēng)機馬達轉(zhuǎn)速

(f) 風(fēng)機馬達壓力

(a) 刀盤馬達轉(zhuǎn)速

(b) 刀盤馬達壓力

(c) 切段馬達轉(zhuǎn)速

(d) 切段馬達壓力

(e) 風(fēng)機馬達轉(zhuǎn)速

(f) 風(fēng)機馬達壓力

運用數(shù)據(jù)處理軟件Ncode統(tǒng)計分析出甘蔗收割機各工作部件在無倒伏和有倒伏工況收割時的轉(zhuǎn)速和壓力載荷，具體數(shù)值見表2、表3。

表2 各工作部件的轉(zhuǎn)速情況Tab. 2 Speed of components

表3 各工作部件的壓力載荷情況Tab. 3 Pressure of components

從表2、表3數(shù)據(jù)可見，有倒伏工況下各工作部件載荷的波動范圍均比無倒伏工況載荷的波動范圍大，其中刀盤馬達受影響最大，在有倒伏工況下刀盤馬達載荷波動范圍是無倒伏工況的2.8倍、轉(zhuǎn)速波動范圍是無倒伏工況的8.1倍。甘蔗聯(lián)合收割機作業(yè)時的工況常常是有倒伏工況和無倒伏工況交替出現(xiàn)，載荷波動很大，由此可見在甘蔗聯(lián)合收割機液壓系統(tǒng)采用負(fù)載敏感技術(shù)進行負(fù)載匹配和穩(wěn)定工作部件轉(zhuǎn)速是非常必要的。

3 基于PVG32負(fù)載敏感控制的研究

刀盤子系統(tǒng)作為甘蔗收割機最重要的工作部件之一，其工作穩(wěn)定性直接影響了甘蔗切割的質(zhì)量、效率和成本。本節(jié)首先介紹PVG32閥前補償?shù)幕窘M成及原理；其次，通過AMESim對PVG32閥閥前補償進行建模分析；最后，結(jié)合刀盤馬達的試驗測試數(shù)據(jù)，將PVG32-A開芯系統(tǒng)、PVG32-C閉芯系統(tǒng)和普通節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真分析，對比三種系統(tǒng)的節(jié)能性。

3.1 兩種典型工況載荷信號

根據(jù)數(shù)據(jù)采集情況，選擇無倒伏與有倒伏兩種典型工況的刀盤壓力及轉(zhuǎn)速信號進行分析，見圖5。

從圖5可以看出，無倒伏工況刀盤的壓力均值為7.03 MPa，轉(zhuǎn)速均值為613 r/min；有倒伏工況刀盤的壓力均值為9.9 MPa，轉(zhuǎn)速均值為591 r/min，整個過程來回波動較大。

(a) 刀盤壓力

(b) 刀盤轉(zhuǎn)速

3.2 PVG32-A系統(tǒng)原理及建模

PVG32-A系統(tǒng)主要由定量泵、電機、定差溢流閥、溢流閥、換向閥、梭閥及單向閥等組成。其中由三通型壓力補償器構(gòu)成的定差溢流閥結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 三通壓力補償器的結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Principle of the three-way pressure compensator

定差溢流閥的非彈簧腔接入節(jié)流閥進油口，彈簧腔接入節(jié)流閥的出油口，則閥芯的平衡方程為

PP×A=PL×A+F

(1)

因此節(jié)流閥前后壓差

(2)

可以得出有用功率

PW=PL×q1

(3)

損失功率

Ploss=ΔP×q1+PT×q2

(4)

式中:PP——泵的出口壓力，MPa；

A——彈簧腔的作用面積，m2；

PL——負(fù)載壓力，MPa；

F——彈簧力，N；

PT—溢流壓力；

q1——節(jié)流閥出口流量，L/min。

由式(1)、式(2)可以得出，加入定差溢流使得泵的出口壓力與負(fù)載壓力的壓差始終為定值。

PVG32-A液壓系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 PVG32-A液壓系統(tǒng)Fig. 7 PVG32-A hydraulic system1.泵 2.溢流閥 3.定差溢流閥 4.換向閥 5.馬達 6.單向閥 7.梭閥

PVG32-A在AMESim軟件中搭建仿真模型如圖8所示。模型主要元件仿真參數(shù)如表4所示。

圖8 PVG32-A的AMESim仿真模型Fig. 8 AMESim simulation model of PVG32-A

表4 仿真參數(shù)Tab. 4 Simulation parameters

通過AMESim軟件建立好仿真模型后，各元件的參數(shù)根據(jù)實際的參數(shù)進行編輯，刀盤齒輪箱減速比為2∶1，設(shè)置仿真時間為313 s，取樣頻率100 Hz。

3.3 節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)和PVG32-C系統(tǒng)的建模

切段式的甘蔗聯(lián)合收割機刀盤子系統(tǒng)目前常用的是傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，由定量泵、溢流閥、節(jié)流閥、馬達等元件組成，該系統(tǒng)在AMESim搭建模型搭建完畢后，將試驗采集的刀盤載荷譜數(shù)據(jù)通過AMESim元件庫中的動態(tài)插值表導(dǎo)入仿真模型。主要操作步驟為：將采集所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入此元件內(nèi)置的插值表中形成相對應(yīng)的插值函數(shù)，之后模型輸入信號可根據(jù)此插值函數(shù)轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的載荷加載在仿真模型中。

圖9、圖10分別為采用節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的刀盤轉(zhuǎn)速與壓力的仿真與現(xiàn)場試驗測試對比曲線，根據(jù)其跟蹤結(jié)果來看：無倒伏的工況刀盤轉(zhuǎn)速的平均跟蹤誤差為0.4%，有倒伏工況其平均跟蹤誤差為0.2%，可見仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性較好，從而驗證了仿真模型的正確性。

(a) 無倒伏工況

(b) 有倒伏工況

PVG32-C系統(tǒng)與PVG32-A系統(tǒng)相比，主要區(qū)別是不含定差溢流閥，它將LS負(fù)載信號直接引入變量泵系統(tǒng)，其AMESim建模見圖11。以下通過分析PVG32-C系統(tǒng)與PVG32-A系統(tǒng)性能，進一步對刀盤系統(tǒng)的節(jié)能性進行分析。

(a) 無倒伏工況

(b) 有倒伏工況

圖11 PVG32-C的AMESim仿真模型Fig. 11 AMESim simulation model of PVG32-C

3.4 無倒伏和有倒伏刀盤子系統(tǒng)性能分析

3.4.1 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性分析

將節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)、PVG32-A系統(tǒng)及PVG32-C系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性分析，見表5，其對應(yīng)的無倒伏和有倒伏工況的轉(zhuǎn)速對比曲線見圖12。

通過對比發(fā)現(xiàn)：無倒伏工況轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性比較：PVG32-A系統(tǒng)≈PVG32-C系統(tǒng)(優(yōu)于)>節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)；有倒伏工況穩(wěn)定性比較：PVG32-A系統(tǒng)≈PVG32-C系統(tǒng)(優(yōu)于)>節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。

表5 三種系統(tǒng)中工作部件的轉(zhuǎn)速對比Tab. 5 Speed comparison of working parts in the three systems

(a) 無倒伏工況

(b) 有倒伏工況

通過以上分析可知，在刀盤工作部件的負(fù)載波動量較大時，PVG32閥閥前補償系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性明顯優(yōu)于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，對于改善宿根切割質(zhì)量，為后續(xù)物流通道的流暢、平穩(wěn)工作提供一定的工作條件。

3.4.2 節(jié)能性分析

將節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)、PVG32-A系統(tǒng)及PVG32-C系統(tǒng)進行節(jié)能性對比分析,見表6，其對應(yīng)的無倒伏和有倒伏典型工況三種系統(tǒng)的功率對比曲線見圖13。

通過對比發(fā)現(xiàn)：(1)無倒伏工況系統(tǒng)平均功率情況：節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)>PVG32-A系統(tǒng)>PVG32-C系統(tǒng)，且PVG32-A系統(tǒng)和PVG32-C系統(tǒng)的功率分別比節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)降低54.81%、59.81%。(2)有倒伏工況系統(tǒng)平均功率情況：節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)>PVG32-A系統(tǒng)>PVG32-C系統(tǒng)，且PVG32-A系統(tǒng)和PVG32-C系統(tǒng)的功率分別比節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)降低47.73%、53.8%。

表6 三種系統(tǒng)節(jié)能性的分析Tab. 6 Energy saving analysis of three systems

(a) 無倒伏工況

(b) 有倒伏工況

綜上分析，節(jié)能性：PVG32-C系統(tǒng)(優(yōu)于)> PVG32-A系統(tǒng)(優(yōu)于)>節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。分析原因是PVG32閥閥系統(tǒng)的壓力補償閥發(fā)揮了負(fù)載匹配作用，使得泵的出口壓力始終與負(fù)載壓力相匹配，相較于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)降低了壓力損失。

4 結(jié)論

通過實測獲得各工作部件的載荷譜，并將實際載荷導(dǎo)入機電液仿真模型AMESim進行了定量分析，得出如下結(jié)論。

1) 有倒伏工況下液壓馬達負(fù)荷變化的幅度比無倒伏工況的大，因此采用節(jié)流調(diào)速回路時工作部件轉(zhuǎn)速波動范圍也較大,由于系統(tǒng)壓力需要根據(jù)最大負(fù)荷值設(shè)定，定壓調(diào)速系統(tǒng)能量損失大，回路效率低。

2) 采用基于PVG的負(fù)載敏感閥閥前補償技術(shù)后，有倒伏情況下馬達轉(zhuǎn)速波動的幅度可減小到15.38 r/min，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定有利于保證各執(zhí)行部件間轉(zhuǎn)速的速比關(guān)系，從而提高甘蔗的機械收獲質(zhì)量。

3) 采用基于PVG的負(fù)載敏感閥閥前補償技術(shù)，相比較于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)可獲得明顯的節(jié)能效果，甘蔗無倒伏時采用PVG32-C的系統(tǒng)功率消耗降低最高可達59.81%，采用PVG32-A的系統(tǒng)功率消耗降低最高可達54.81%，但從投入的設(shè)備成本來看，后者優(yōu)于前者，使用者可根據(jù)實際情況進行選擇。