雙排三行采棉機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計及AMESim仿真分析

柯春鵬 丁問司

摘要：結(jié)合目前我國采棉機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計一款雙排三行采棉機(jī)的液壓系統(tǒng)，并通過AMESim軟件對其中采用負(fù)載敏感液壓技術(shù)的采棉頭仿形系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，該采棉頭仿形系統(tǒng)在提升過程中能很好地實現(xiàn)速度的穩(wěn)定控制;但在速度下降過程中，下降速度隨液壓缸承受負(fù)載的增大而增大。而通過在液壓缸下腔添加平衡閥能很好地解決此問題，但須對平衡閥的設(shè)定壓力和控制比這2個主要參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。

關(guān)鍵詞：采棉機(jī);液壓系統(tǒng);負(fù)載敏感系統(tǒng);平衡閥;仿真分析;AMESim

中圖分類號： TH137;S225.91+1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）11-0170-08

收稿日期：2020-11-07

基金項目：廣東省科技計劃 （ 編號：2017B010136113）

作者簡介：柯春鵬（1995—），男，廣東湛江人，碩士研究生，主要從事液壓系統(tǒng)設(shè)計及控制相關(guān)研究。E-mail：1127148686@qq.com。

通信作者：丁問司，博士，教授，主要從事流體傳動與控制科學(xué)研究。E-mail：wsding@scut.edu.cn。

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，而近年來用工難問題日益顯著，我國采棉的機(jī)械化發(fā)展迫在眉睫[1]。我國采棉機(jī)的研發(fā)始于20世紀(jì)50年代，曾研發(fā)了幾種垂直摘錠式采棉機(jī)，但由于采棉效果不好，采棉機(jī)的機(jī)械化發(fā)展被擱置。直到20世紀(jì)90年代，我國開始真正重視采棉機(jī)自主研發(fā)，貴州平水機(jī)械有限責(zé)任公司與中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院于2002年共同研制出首臺4MZ-5大型自走式摘錠式采棉機(jī)[2]。然而，摘錠式采棉機(jī)的采棉頭結(jié)構(gòu)比統(tǒng)收式采棉機(jī)復(fù)雜很多，且制造成本昂貴。為減輕我國棉農(nóng)的壓力，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院于2009年研制出4MCS-300梳齒式棉花聯(lián)合采收機(jī)，其采凈率超過90%[3]。為進(jìn)一步提高統(tǒng)收式采棉機(jī)的采凈率，本研究創(chuàng)新地提出采用雙排三行采棉機(jī)的方案，采棉作業(yè)時，前排3個采棉頭同時進(jìn)行采棉工作，后排采棉頭則對前排遺漏的棉鈴進(jìn)行采摘，預(yù)估采凈率達(dá)99%以上。

目前，液壓技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)機(jī)行業(yè)中[4]，但關(guān)于采棉機(jī)液壓系統(tǒng)的研究甚少。王建潭等設(shè)計了具有可拼裝式采棉頭的采棉機(jī)，但該液壓系統(tǒng)適用范圍較窄，不適用于中大型采棉機(jī)[5]。基于此，本研究研發(fā)了一款雙排三行采棉機(jī)液壓系統(tǒng)，并對其中較重要的采棉頭仿形系統(tǒng)進(jìn)行AMESim仿真分析。

1 采棉機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 采棉機(jī)系統(tǒng)組成

本研究研發(fā)的采棉機(jī)系統(tǒng)主要由以下7個部分組成。

（1）行走系統(tǒng)：由液壓泵控制馬達(dá)來完成作業(yè)，一般采用液壓驅(qū)動方式，以實現(xiàn)大功率傳動及無級調(diào)速，傳動結(jié)構(gòu)簡單[6]。

（2）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：采用前橋驅(qū)動，后橋轉(zhuǎn)向形式，由組合閥控制左右2個液壓缸實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

（3）采摘系統(tǒng)：采用雙排滾筒式軟摘錠采摘方式，摘錠由滾筒及其上面按一定方式排列的數(shù)百個鋼棒組成[7]。工作時，采棉頭滾筒帶動鋼棒從棉株根部往上對棉株進(jìn)行擊打帶出棉鈴，隨著鋼棒的縮回，棉鈴被風(fēng)機(jī)吹進(jìn)輸棉管道內(nèi)。

（4）仿形系統(tǒng)：采棉頭仿形系統(tǒng)由高度感應(yīng)系統(tǒng)的4個升降液壓缸組成，其中高度感應(yīng)系統(tǒng)把高度信號傳給控制器控制采棉頭升降液壓缸移動，實現(xiàn)仿形動作。

（5）風(fēng)力輸送系統(tǒng)：采棉機(jī)風(fēng)力輸送系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、輸棉通道、操控裝置等組成。從摘錠摘下的棉花受風(fēng)機(jī)正壓力進(jìn)入輸棉管道內(nèi)。輸棉管道內(nèi)的負(fù)壓使棉花進(jìn)入清雜機(jī)構(gòu)，也是棉花輸送的主要動力。

（6）清花系統(tǒng)：采用氣力-機(jī)械復(fù)合式清雜方法，在風(fēng)力輸棉過程中，重質(zhì)雜質(zhì)自行掉落完成初步清雜;而后帶有輕質(zhì)雜質(zhì)的棉雜混合物經(jīng)過刺釘滾筒式清雜機(jī)構(gòu)與鋸齒滾筒式清雜機(jī)構(gòu)實現(xiàn)二次復(fù)合清理，可達(dá)到較好的清雜效果[8]。

（7）棉箱升降與卸棉系統(tǒng)：采棉機(jī)棉箱包括可升降外棉箱與內(nèi)棉箱。在公路運輸時，內(nèi)棉箱降至最低以提高采棉機(jī)的通過性。在作業(yè)時，內(nèi)棉箱升高以增加棉箱容量，減少卸棉次數(shù)。棉箱底部裝有卸棉鏈耙，當(dāng)采棉機(jī)卸棉時，棉箱門打開，啟動鏈耙以幫助將棉箱內(nèi)的棉花卸空。

1.2 采棉機(jī)工作原理

如圖1所示，采棉機(jī)作業(yè)時，液壓泵控制馬達(dá)驅(qū)動前輪行走。行進(jìn)過程中采棉頭采摘系統(tǒng)將棉鈴從棉株上摘下，再通過風(fēng)力輸送系統(tǒng)把棉花送進(jìn)棉箱內(nèi)。同時當(dāng)采棉頭離地面的高度發(fā)生變化時，仿形系統(tǒng)會使采棉頭做出相應(yīng)的升降動作。在棉箱快要裝滿時，由于棉箱頂部布滿絮狀物、樹枝等，大大減弱棉花風(fēng)送效果，所以啟動棉箱內(nèi)的絞龍壓實機(jī)幫助棉花均勻分布，壓實棉花。待棉箱裝滿后，采棉機(jī)行駛到卸棉位置，棉箱升降系統(tǒng)與卸棉系統(tǒng)開始工作，外棉箱提升到可裝車位置后棉箱門打開，卸棉鏈耙開始工作，把棉花輸送到收棉花的車內(nèi)，隨后采棉機(jī)再返回地里繼續(xù)工作。

2 采棉機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 液壓系統(tǒng)的組成及原理

如圖2所示，采棉機(jī)的液壓系統(tǒng)主要包括以下8大系統(tǒng)：行走系統(tǒng)、清花系統(tǒng)、風(fēng)力輸送系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、采棉頭采摘和棉花壓實系統(tǒng)、采棉頭仿形和外棉箱升降系統(tǒng)、內(nèi)棉箱升降系統(tǒng)、卸棉蛟龍和棉箱門開啟系統(tǒng)。各系統(tǒng)的組成及工作原理如下。

如圖3所示，采棉機(jī)行走系統(tǒng)采用了變量泵+定量馬達(dá)的閉式容積調(diào)速回路?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)液壓泵排量或者液壓泵輸入軸轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，改變行走速度。考慮到實際使用情況，行走液壓系統(tǒng)中還須添加一些實用回路。

排熱油措施：雖然閉式容積調(diào)速回路沒有可調(diào)液阻，不會引起液壓油發(fā)熱，但循環(huán)過程中液壓泵和馬達(dá)摩擦產(chǎn)生的能耗會使液壓油發(fā)熱， 因此須要排出熱油。即補油泵從油箱中吸入冷液壓油，通過補油閥將其壓入循環(huán)回路中低壓側(cè)。同時，沖洗梭閥使低壓側(cè)始終與背壓閥相連，排出熱油。

過載保護(hù)措施：為了防止受到過大正向或負(fù)向負(fù)載引起高壓損壞液壓元件，故在回路中加入多功能閥，包括壓力限制閥與高壓溢流閥。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到壓力限制閥的設(shè)定值時，壓力限制閥打開，高壓油通過壓力限制伺服控制缸的低壓側(cè)，減少泵的排量。高壓溢流閥相當(dāng)于系統(tǒng)的二級壓力限制閥，設(shè)定壓力比壓力限制閥高，在系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時壓力峰值時可短暫開啟回油，以減少溢流發(fā)熱。

故障拖車措施：采棉機(jī)發(fā)生故障后須在發(fā)動機(jī)不能啟動情況下移動到維修區(qū)修理，故要在回路中設(shè)置旁通閥。當(dāng)液壓泵主軸不能旋轉(zhuǎn)時，旁通液壓馬達(dá)可解決采棉機(jī)的短距離拖車問題[9]。

清花系統(tǒng)采用變量泵+定量馬達(dá)的閉式容積調(diào)速回路，回路原理與行走系統(tǒng)基本一致，易于實現(xiàn)清花馬達(dá)的無級變速。

大風(fēng)機(jī)系統(tǒng)也是采用變量泵+定量馬達(dá)的閉式容積調(diào)速回路，基本原理與行走系統(tǒng)、清花系統(tǒng)一致。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用的是閉芯無負(fù)載反應(yīng)的負(fù)載傳感全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓泵的液壓油經(jīng)過優(yōu)先閥、方向控制閥，再通過轉(zhuǎn)向器控制2個單桿活塞缸運動，進(jìn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運動，實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。同時在回路中設(shè)置了蓄能器及防過載溢流閥。

如圖4所示，采棉頭采摘、棉花壓實系統(tǒng)系統(tǒng)由負(fù)載敏感變量泵、負(fù)載敏感液壓閥組、采棉頭馬達(dá)和絞龍馬達(dá)等組成。其原理參考丹佛斯（Danfoss）的PVG32 閥組[10]。

采棉頭仿形、外棉箱升降系統(tǒng)由負(fù)載敏感變量泵、負(fù)載敏感閥組、雙向液壓鎖和采棉頭升降油缸、外棉箱升降油缸組成。工作原理與采摘系統(tǒng)類似?？紤]到升降油缸在負(fù)載重力作用下會由于油液從液壓缸內(nèi)徑與缸筒間隙泄露而自動伸出，故添加了雙向液壓鎖?？梢試?yán)密封閉液壓缸兩腔的油液，防止活塞因外力作用而產(chǎn)生移動。

內(nèi)棉箱升降系統(tǒng)由變量泵、三位四通換向閥、雙通道單向節(jié)流閥、液控單向閥、液壓缸等組成。其中3個液壓缸須同時運動，以防止升降過程中出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。液控單向閥接于液壓缸下腔的回路，可以防止液壓缸在重力負(fù)載作用下引起下滑。雙通道單向節(jié)流閥可以使液壓缸回油腔始終與節(jié)流閥相連，屬于出口節(jié)流回路，在負(fù)載波動時，使液壓缸運動較平緩。

卸棉絞龍、棉箱門開啟系統(tǒng)由變量泵、二位三通換向閥、三位四通換向閥、雙向液壓鎖、雙通道單向節(jié)流閥和液壓缸等組成。其中三位四通換向閥用于液壓缸與馬達(dá)的各自換向，而二位三通換向閥用于同時換向。

2.2 液壓系統(tǒng)的特點

行走系統(tǒng)、清花系統(tǒng)以及風(fēng)力輸送系統(tǒng)為變量泵控制的定量馬達(dá)閉式容積回路，其余液壓系統(tǒng)為開式回路。這樣設(shè)計是考慮到閉式回路可輕易實現(xiàn)雙向運動，對于須雙向運動的馬達(dá)，若依靠馬達(dá)換向會經(jīng)過排量為0的點，而此時馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)速無窮大[11]。而對于液阻控制回路，若采用閉式回路，參與工作的液壓油體積較小，熱容量較小，容易升溫和降溫，所以對于發(fā)熱較多的液阻控制回路，宜采用開式回路。

采棉頭采摘和棉箱壓實系統(tǒng)、副棉箱升降系統(tǒng)、卸棉絞龍、棉箱門開啟系統(tǒng)采用同一液壓源，屬于單泵多執(zhí)行器的簡單液阻液壓控制回路。其中副棉箱升降油缸在采摘作業(yè)前及卸棉后工作，而采棉頭采摘馬達(dá)和壓實絞龍馬達(dá)在采棉機(jī)作業(yè)過程中將同時工作，棉箱門油缸及卸棉絞龍馬達(dá)在卸棉過程中工作，且棉箱門開啟完成后卸棉絞龍才開始工作。這幾個系統(tǒng)的工作互不干擾，采用同一液壓源可減少能耗，節(jié)約運行成本[12]。

采棉頭仿形、主棉箱升降系統(tǒng)采用1個負(fù)載敏感泵和負(fù)載敏感閥組，屬于單泵多執(zhí)行器的負(fù)載敏感回路。負(fù)載敏感泵只產(chǎn)生液壓缸動作所需流量，體現(xiàn)了節(jié)能的優(yōu)點。且壓力補償閥可保證比例伺服閥的壓差恒定，每個工作模塊的流量只與比例伺服閥開度有關(guān)，可實現(xiàn)穩(wěn)定控制。

3 液壓系統(tǒng)仿真分析

對此液壓系統(tǒng)中比較重要的采棉頭仿形系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。采棉機(jī)設(shè)計了前后2排各3個，共計6個采棉頭，采棉頭仿形液壓系統(tǒng)有4個液壓缸，前排與后排采棉頭各用2個液壓缸來實現(xiàn)采棉頭的提升與下降。

3.1 仿真模型建立

帶有負(fù)載感應(yīng)功能的采棉頭仿形系統(tǒng)主要由5個部分組成，分別為具有負(fù)載感應(yīng)和壓力補償功能的可變排量泵（區(qū)域1）、局部壓力補償閥（區(qū)域2）、負(fù)載感應(yīng)方向控制閥（區(qū)域3）、防震和防氣蝕閥（區(qū)域4）、平衡閥（區(qū)域5）（圖5），搭建該模型使用了標(biāo)準(zhǔn)液壓庫、信號庫和平面機(jī)械庫等。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

本研究所有原件都直接采用系統(tǒng)默認(rèn)子模型，仿真時長設(shè)置10 s，步長0.01 s。當(dāng)圖6中k信號取值為1，表示平衡閥不起作用;k信號取值為0則現(xiàn)穩(wěn)定控制（采棉頭運動速度只與液壓比例伺服閥開度有關(guān)，而與負(fù)載大小、方向無關(guān)[13]）。通過批處理方法進(jìn)行控制變量研究（表5），其中處理1、處理2、平衡閥起作用。相關(guān)原件參數(shù)如表1、表2、表3、表4所示，HYDCONLSPCO、HYDLPCO、HYDSVLSO均表示閥的AMESim模型名稱。

3.3 仿真結(jié)果分析

為了驗證該負(fù)載敏感采棉頭仿形系統(tǒng)能夠?qū)嵦幚?研究液壓比例伺服閥開度對采棉頭運動速度的影響，而處理3、處理4、處理5研究負(fù)載質(zhì)量對采棉頭運動速度的影響。如圖6所示，仿真時長10 s，前排采棉頭在0.5～5.0 s從底部提升，然后5.0～9.5 s從頂部下降。后排采棉頭由于與前排采棉頭有一定距離，所以比前排采棉頭動作慢0.5 s。

如圖7所示，隨著伺服閥開度的增大，采棉頭升降速度隨之增大;在提升過程中（模擬的前5 s），負(fù)載質(zhì)量對穩(wěn)定的采棉頭速度沒有影響。 因此， 在舉

升過程中，采棉頭通過調(diào)整活塞腔中的壓力維持正常工作，從而獨立于負(fù)載質(zhì)量以具有相同的舉升速度。但在下降階段，由于承受的是負(fù)值負(fù)載，負(fù)載決定了背壓腔的壓力，排出背壓腔的流量決定了運動速度[14];所以隨著負(fù)載質(zhì)量的增加，采棉頭下降速度隨之增加，此時負(fù)載敏感系統(tǒng)沒有起到穩(wěn)定控制的作用。

為了使得采棉頭在下降受到負(fù)值負(fù)載的情況下仍然能夠保持流量的恒定，實現(xiàn)精確控制，本研究在液壓缸的下腔添加了平衡閥。平衡閥是為了滿足作業(yè)中負(fù)載保持功能、下降減速功能、溢流功能、低液阻上升等[15]功能。所以，平衡閥對于要承受負(fù)值負(fù)載的系統(tǒng)具有重要的意義，了解平衡閥的各項參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也有很大作用。

平衡閥模型及工作原理如圖8所示。平衡閥把液壓缸的上腔壓力作為控制壓力，利用這一端口壓力的變化來控制節(jié)流口的開啟量。因為液壓缸上腔的壓力取決于進(jìn)入該腔的流量與活塞實際下降所需的流量之差。所以當(dāng)負(fù)載下降太快時，液壓缸上腔需要的流量大于進(jìn)入流量，壓力會降低，就會關(guān)小平衡閥節(jié)流口，從而降低液壓缸下腔的流量，以通過控制輸入上腔的流量來控制下降速度。

平衡閥較重要的參數(shù)是設(shè)定壓力和控制比。設(shè)定壓力是閥門開始打開的壓力，控制比是控制壓力與負(fù)載口壓力的作用面積之比。這2個參數(shù)的相關(guān)方程計算公式如下：

力平衡方程式：

F+PB+SB=PASA。（1）

平衡閥開啟條件：

PA+PBKC>PS。（2）

結(jié)合公式（1）、公式（2）得：

PB>（PS-PF）/（KC+KA）。（3）

式中：F表示負(fù)載力;PA 表示負(fù)載口壓力;PB表示控制口壓力;PF表示負(fù)載壓力，即PF=F/SA;PS表示設(shè)定壓力;SA表示活塞面積;SB表示有桿腔環(huán)形面積;KA表示液壓缸無桿腔與有桿腔面積比;KC表示控制比。

由公式（3）可以看出，設(shè)定壓力越高，負(fù)載壓力越低，控制比越小，則需要控制壓力越高。由于負(fù)載壓力不受平衡閥控制，所以通過調(diào)節(jié)合適的設(shè)定壓力與控制比使采棉頭穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

在采棉頭提升過程測得無桿腔穩(wěn)定壓力為180 MPa，考慮到1.15的安全系數(shù)[16]，算得壓力為207 MPa，取設(shè)定壓力為210 MPa。設(shè)置k信號值為1，平衡閥設(shè)定壓力為210 MPa，控制比設(shè)置為0.5、1.0、2.0進(jìn)行批處理仿真，得到圖9。該曲線表明較高控制比導(dǎo)致更多的振蕩，當(dāng)工作中負(fù)載振幅變化較大時，優(yōu)先使用低控制比。

因此，本系統(tǒng)的平衡閥參數(shù)設(shè)置如下：壓力為210 MPa，控制比為0.5。對添加了平衡閥作用的采棉頭仿形系統(tǒng)進(jìn)行表5所示的批處理仿真分析，得到圖10?？梢钥闯?，平衡閥僅在采棉頭下降過程中才會打開，實現(xiàn)了下降減速功能。使采棉頭下降時獨立于負(fù)載質(zhì)量而具有相同的穩(wěn)定下降速度。在上升過程中，液壓油流經(jīng)單向閥實現(xiàn)低液阻上升功能。

4 結(jié)論

（1）本研究設(shè)計的液壓系統(tǒng)能很好地滿足采棉機(jī)的各項功能要求，原理簡單，安全可靠。且設(shè)計了雙排采棉頭采摘的方案，把采棉機(jī)的采凈率提高到最大。

（2）該采棉機(jī)的采棉頭仿形系統(tǒng)采用負(fù)載敏感系統(tǒng)，負(fù)載感應(yīng)變量泵只提供液壓缸需要的流量，比其他調(diào)速回路效率高，具有節(jié)能的優(yōu)點。而且由于通過伺服閥的壓差保持恒定，系統(tǒng)流量只與伺服閥開度有關(guān)，具有穩(wěn)定控制的優(yōu)點。

（3）用AMESim軟件對采棉機(jī)采棉頭仿形系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)在采棉頭下降過程中通過液壓缸的流量不能實現(xiàn)穩(wěn)定控制，通過在液壓缸下腔添加平衡閥很好地解決該問題。同時對平衡閥某些重要參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)較

高的控制比導(dǎo)致更多的振蕩和更少的馬達(dá)能量消耗，當(dāng)工作中負(fù)載振幅變化較大時，優(yōu)先使用低控制比。

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