玉米田間作業(yè)車液壓行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析*

張紅梅，陳博，李康，李順利，朱晨輝，王萬章

(1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州市，450002； 2. 淇縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，河南鶴壁，456750)

0 引言

玉米是我國主要糧食作物，其全程機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)是保證其產(chǎn)量的重要技術(shù)手段[1-4]。而玉米田間作業(yè)車目前普遍存在行駛不穩(wěn)定、平衡性差的問題，液壓行駛系統(tǒng)是田間作業(yè)車的核心，研究其液壓機(jī)理，可改善液壓行駛系統(tǒng)性能。Sisay[5]、Comellas[6]等學(xué)者研究了全液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用分流調(diào)速閥，使各機(jī)構(gòu)在不同壓力下同時(shí)工作，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但子系統(tǒng)存在相互干擾的問題。劉學(xué)峰等[7]在液壓系統(tǒng)工作泵高壓口加裝負(fù)載敏感優(yōu)先閥。張華[8]、夏鼎寬[9]采用電磁比例換向閥控制液壓系統(tǒng)提高可靠性。Lieberberg[10]、Akkaya[11]、陳寶瑞[12]采用PID控制和模糊控制并對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)PID控制算法和模糊控制算法能滿足控制性能要求。袁全春[13]、扈凱[14]采用AMESim軟件分別對(duì)果園施肥機(jī)、高地隙噴霧機(jī)、氣力式直播機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真分析。周倩倩[15]、任文濤[16]、吳曉鵬[17]、陳文良[18]對(duì)噴霧機(jī)、插秧機(jī)、拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)向行走和防滑控制進(jìn)行了研究。

本文建立一種雙泵雙伺服閥控液壓馬達(dá)行駛系統(tǒng)，引入雙泵供油降低油路干擾，采用比例伺服控制精準(zhǔn)調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，采用編碼器實(shí)現(xiàn)PID控制單通道轉(zhuǎn)向和交叉耦合雙通道保證直線行駛穩(wěn)定。通過AMESim軟件仿真和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)模擬來驗(yàn)證行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

1 作業(yè)車液壓行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 作業(yè)車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)行走執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線運(yùn)行與轉(zhuǎn)彎，其次為作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，如圖1所示。

液壓系統(tǒng)采用三聯(lián)泵供油，油泵與控制閥體總成之間采用獨(dú)立電磁溢流閥，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩側(cè)油馬達(dá)經(jīng)獨(dú)立控制閥組在控制電路下完成交叉耦合驅(qū)動(dòng)行駛，作業(yè)執(zhí)行系統(tǒng)采用雙路電磁閥體控制，系統(tǒng)可根據(jù)作業(yè)需要選擇控制方式。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

電磁溢流閥采用常開結(jié)構(gòu)，在保證作業(yè)需求狀態(tài)下可完成卸荷需求，同時(shí)降低設(shè)備啟動(dòng)要求。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中采用比例伺服閥，比例伺服閥配有三通補(bǔ)償器用于穩(wěn)定比例伺服閥進(jìn)、出口油壓差，以便控制油路流量穩(wěn)定性。

1.2 作業(yè)車液壓行駛系統(tǒng)主要元器件計(jì)算選型

1.2.1 液壓泵選型

通過計(jì)算得出液壓泵輸出總流量，選用CBNSL-E310/310-E306-AFHL三聯(lián)齒輪泵，前雙泵獨(dú)立供油、后泵單獨(dú)供油作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其參數(shù)如表1所示。

表1 CBNSL-E310/310-E306-AFHL齒輪泵技術(shù)參數(shù)Tab. 1 CBNSL-E310/310-E306-AFHL gearpump technical parameters

1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)選型

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab. 2 Engine parameters

考慮前雙泵并聯(lián)，齒輪泵排量取值為20 mL/r，計(jì)算得發(fā)動(dòng)機(jī)功率PF為8.4 kW。考慮動(dòng)力余量以及不能達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速，選用百利通Vanguard雙缸21HP發(fā)動(dòng)機(jī)。采用一級(jí)皮帶傳動(dòng)用于緩沖氣動(dòng)瞬時(shí)阻力同時(shí)降低輸出轉(zhuǎn)速。

1.2.3 電液比例伺服閥選型

選用SGDH-G05-TE32-L7/6/V/E-80比例伺服閥，其采用直動(dòng)式帶閥套結(jié)構(gòu)，閥芯在運(yùn)行過程中可根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行無壓力補(bǔ)償條件下的流量控制。控制時(shí)對(duì)其集成放大器輸入-10～+10 V電壓信號(hào)，可使伺服閥的閥芯線性位移移動(dòng)。其性能參數(shù)如表3所示。

表3 SGDH-G05-TE32-L7/6/V/E-80伺服閥參數(shù)表Tab. 3 SGDH-G05-TE32-L7/6/V/E-80 servovalve parameter table

1.3 作業(yè)車液壓行駛系統(tǒng)建模

針對(duì)田間道路行駛，綜合考慮選用支重輪履帶行走機(jī)構(gòu)。作業(yè)車機(jī)架采用分層布置，上下兩層均采用復(fù)合梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩側(cè)機(jī)架通過過渡桿件連接，輪距調(diào)整采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 履帶式玉米田間作業(yè)車模型

發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓油箱、泵站與電磁溢流閥布置于一側(cè)履帶正上方，另一側(cè)履帶布置比例伺服閥組總成、作業(yè)閥組總成、電源以及控制系統(tǒng)，電控系統(tǒng)布置于作業(yè)車前端。

2 液壓系統(tǒng)仿真

田間作業(yè)行駛時(shí)工況較為復(fù)雜，通常兩側(cè)履帶行駛阻力有所不同，采用雙泵供油可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)工作壓力互不干涉。使用單泵供油和同步閥控制時(shí)，由于設(shè)備質(zhì)心同幾何中心不重合引起作業(yè)車分布履帶上的驅(qū)動(dòng)阻力有差異，液壓系統(tǒng)仿真主要研究不同行駛阻力作用下單、雙泵兩種供油方式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性影響。

2.1 液壓仿真模型

2.1.1 控制系統(tǒng)原理與模型搭建

液壓控制模型圖如圖3所示。

(a) 雙泵供油直線運(yùn)行仿真模型圖

(b) 單泵供油直線運(yùn)行仿真模型

(c) 雙泵供油轉(zhuǎn)向行駛仿真模型圖

(d) 單泵供油轉(zhuǎn)向行駛仿真模型

分別采用雙泵雙馬達(dá)獨(dú)立供油和單泵雙馬達(dá)供油的方式，調(diào)用AMEsim標(biāo)準(zhǔn)液壓元件庫中相應(yīng)模型對(duì)原理圖進(jìn)行仿真建模，在AMEsim中選用帶摩擦力的HL001和HL003模型替代實(shí)際工況下油管，液壓仿真模型如圖4所示。

圖4 仿真用液壓原理圖

2.1.2 參數(shù)設(shè)置

據(jù)田間作業(yè)機(jī)各工況下最大輸出扭矩轉(zhuǎn)速，計(jì)算液壓馬達(dá)排量和泵站壓力，設(shè)置仿真參數(shù)如表4所示。

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

2.2 直線行駛作業(yè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)同步性仿真

通過模型對(duì)負(fù)載恒定時(shí)變速、單側(cè)負(fù)載變化時(shí)定速、單側(cè)負(fù)載變化時(shí)變速三種情況下直線行駛性能進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如圖5所示。

設(shè)置仿真轉(zhuǎn)速為87 r/min，變速為70～87 r/min，設(shè)定負(fù)載變化均發(fā)生在左側(cè)馬達(dá)，取值85 N·m，持續(xù)時(shí)間2～4 s，采樣頻率4 Hz。圖5(a)、圖5(b)為負(fù)載恒定變速情況下在交叉耦合控制下雙泵供油、單泵供油情況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化，從圖中可看出雙泵供油、單泵供油在負(fù)載恒定變速情況下曲線變化基本一致，轉(zhuǎn)速均在期望波動(dòng)范圍內(nèi)變化，單泵同步誤差最大2.6%，雙泵最大同步誤差2.2%。圖5(c)、圖5(d)為單側(cè)負(fù)載變化定速情況下在交叉耦合控制下雙泵供油、單泵供油情況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化，從圖中可看出雙泵供油系統(tǒng)一側(cè)遇到?jīng)_擊性負(fù)載時(shí)，受負(fù)載變化影響側(cè)出現(xiàn)波動(dòng)，最大同步誤差為8%，另一側(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化不明顯，在單泵供油狀態(tài)下另一側(cè)負(fù)載無變化馬達(dá)轉(zhuǎn)速受到一定影響，最大同步誤差為16.8%；圖5(e)、圖5(f)為單側(cè)負(fù)載變化變速情況下在交叉耦合控制下雙泵供油、單泵供油情況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化，從圖中可看出在變速過程中一側(cè)油泵負(fù)載發(fā)生變化時(shí)采用雙泵供油方案同步變化在設(shè)定期望轉(zhuǎn)速附近，最大同步誤差為14.3%，但是采用單泵供油方案轉(zhuǎn)速偏離設(shè)定期望曲線，最大同步誤差為37.76%。仿真結(jié)果顯示采用雙泵雙馬達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于單泵雙馬達(dá)。

2.3 轉(zhuǎn)向狀態(tài)下液壓馬達(dá)工作狀態(tài)仿真

對(duì)雙泵雙馬達(dá)轉(zhuǎn)彎情況與單泵雙馬達(dá)轉(zhuǎn)彎情況進(jìn)行模擬仿真結(jié)果如圖6所示。

(a) 負(fù)載恒定變速雙泵仿真圖 (b) 負(fù)載恒定變速單泵仿真圖 (c) 單側(cè)負(fù)載變化定速雙泵仿真圖

(d) 單側(cè)負(fù)載變化定速單泵仿真圖 (e) 單側(cè)負(fù)載變化變速雙泵仿真圖 (f) 單側(cè)負(fù)載變化變速單泵仿真圖

(a) 轉(zhuǎn)彎狀態(tài)負(fù)載恒定雙泵仿真圖 (b) 轉(zhuǎn)彎狀態(tài)負(fù)載恒定單泵仿真圖

仿真設(shè)置轉(zhuǎn)向右側(cè)轉(zhuǎn)速75 r/min，左側(cè)轉(zhuǎn)速40 r/min，原始負(fù)載45 N·m，設(shè)定負(fù)載變化均發(fā)生在左側(cè)馬達(dá)，取值30 N·m，持續(xù)時(shí)間4～7 s，采樣頻率100 Hz。圖6(a)、圖6(b)為轉(zhuǎn)彎狀態(tài)負(fù)載恒定在單通道系統(tǒng)雙泵供油、單泵供油情況下控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速仿真圖，從圖中可看出雙泵供油、單泵供油在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)負(fù)載恒定時(shí)轉(zhuǎn)速曲線變化基本一致，均在期望轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍，雙泵供油0.5 s達(dá)到設(shè)定值，且轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)波動(dòng)小，單泵供油需要2 s達(dá)到設(shè)定值且轉(zhuǎn)速波動(dòng)很大。圖6(c)、圖6(d)為轉(zhuǎn)彎狀態(tài)負(fù)載變化在單通道系統(tǒng)雙泵供油、單泵供油情況下控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速仿真圖，從圖中可看出雙泵、單泵供油在此狀況下曲線變化基本一致，轉(zhuǎn)速均在期望轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍內(nèi)，但是在受到?jīng)_擊性負(fù)載時(shí)雙泵供油能很快恢復(fù)到期望轉(zhuǎn)速且變化較小，單泵供油波動(dòng)較大。仿真結(jié)果顯示采用雙泵雙馬達(dá)轉(zhuǎn)向性能優(yōu)于單泵供油。

3 液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)

3.1 液壓行駛系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架搭建

參照?qǐng)D3液壓原理圖，為使試驗(yàn)更加接近真實(shí)情況，選取精工SKISIA磁粉制動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)負(fù)載源，根據(jù)扭矩選定型號(hào)為PB-5，制動(dòng)器通過聯(lián)軸器同BM系列擺線馬達(dá)連接，通過控制器改變磁粉制動(dòng)器力矩大小，系統(tǒng)選用歐姆龍E6B2-CWZ6C1500P/R編碼器、EC-PB20壓力傳感器檢測(cè)相關(guān)參數(shù)，試驗(yàn)臺(tái)架采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)力士樂R979系列定量泵。試驗(yàn)臺(tái)架有控制閥組、泵組、帶有磁粉制動(dòng)器馬達(dá)、編碼器、控制板、控制電源、PC檢測(cè)主機(jī)。

3.2 試驗(yàn)步驟與方法

3.2.1 PID閉環(huán)控制效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)向行駛情況，啟動(dòng)雙泵雙閥控馬達(dá)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，將一組伺服閥給定信號(hào)，另一組不做控制，調(diào)節(jié)伺服閥開度，使得系統(tǒng)中只有一側(cè)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而驗(yàn)證單通道閥控在常規(guī)PID控制下運(yùn)轉(zhuǎn)情況。單通道系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，通過控制信號(hào)模擬減速運(yùn)行，通過控制器控制磁粉制動(dòng)器為單通道馬達(dá)施加制動(dòng)力用于模擬實(shí)際運(yùn)行負(fù)載工況，記錄馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理分析得出對(duì)應(yīng)工作曲線。

3.2.2 交叉耦合PID閉環(huán)控制效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證直線行駛情況，啟動(dòng)雙泵雙閥控馬達(dá)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，通過控制磁粉制動(dòng)器為馬達(dá)添加負(fù)載，對(duì)兩組通道同時(shí)給定信號(hào)，使得在兩組通道控制下馬達(dá)轉(zhuǎn)速相等。通過交叉耦合PID控制，記錄在此控制下兩組通道閥控馬達(dá)轉(zhuǎn)速情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到對(duì)應(yīng)工作曲線。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試輸入階躍信號(hào)分別測(cè)試單通道馬達(dá)控制與雙通道交叉耦合馬達(dá)同步控制，通過對(duì)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。試驗(yàn)中，設(shè)定編碼器采集信號(hào)精度為1 r/min，采樣頻率為2 Hz，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)下取值。單通道閥控馬達(dá)控制進(jìn)行階躍試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為50～100 r/min，通過磁粉制動(dòng)器模擬20 N·m瞬時(shí)阻力，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，單通道期望參數(shù)控制下實(shí)際參數(shù)與試驗(yàn)曲線變化趨勢(shì)基本一致，測(cè)得馬達(dá)轉(zhuǎn)速同期望參數(shù)變化不大，穩(wěn)定調(diào)節(jié)時(shí)間為1.4 s，馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差為±7 r/min。

圖7 單通道PID控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速圖

雙通道閥控馬達(dá)進(jìn)行交叉耦合控制驗(yàn)證馬達(dá)同步性時(shí)，設(shè)定馬達(dá)期望轉(zhuǎn)速為100 r/min，磁粉制動(dòng)器對(duì)雙通道馬達(dá)添加模擬負(fù)載10 N·m，在交叉耦合控制下收集整理數(shù)據(jù)。由圖8可知，雙通道采用交叉耦合PID控制時(shí)，系統(tǒng)同步誤差為3.06%，系統(tǒng)變化趨勢(shì)穩(wěn)定，在交叉耦合下兩組馬達(dá)變化趨勢(shì)相同，轉(zhuǎn)速誤差較小。

圖8 雙通道交叉耦合控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速圖

4 結(jié)論

1) 提出一種雙泵雙伺服閥控制的液壓行駛系統(tǒng)，利用AMESim軟件對(duì)單、雙泵兩種供油形式下的馬達(dá)同步性進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，建立了液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真試驗(yàn)臺(tái)，模擬實(shí)際工況PID控制下的單通道轉(zhuǎn)向和雙通道交叉耦合直線行駛性能來驗(yàn)證液壓行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

2) 仿真分析了單、雙泵供油在直線行駛以及轉(zhuǎn)彎時(shí)，雙通道馬達(dá)受到不同阻力及不同轉(zhuǎn)速變化下的同步誤差。結(jié)果表明，負(fù)載恒定變速直線行駛時(shí)，單、雙泵供油馬達(dá)轉(zhuǎn)速最大同步誤差分別為2.6%、2.2%；單側(cè)負(fù)載變化定速行駛時(shí)，單、雙泵供油馬達(dá)轉(zhuǎn)速最大同步誤差分別為16.8%、8%；單側(cè)負(fù)載變化變速行駛時(shí)，單、雙泵供油馬達(dá)轉(zhuǎn)速最大同步誤差分別為37.76%、14.3%；負(fù)載恒定轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，單泵供油馬達(dá)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值較慢，且波動(dòng)很大，說明雙泵供油設(shè)計(jì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速同步誤差更小，平穩(wěn)性更好。

3) 通過液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，模擬實(shí)際工況下PID控制單通道轉(zhuǎn)向和交叉耦合雙通道直線行駛。試驗(yàn)結(jié)果表明，單通道轉(zhuǎn)彎時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速同期望值變化不大；雙通道控制直線行駛時(shí)，兩組馬達(dá)速度變化趨勢(shì)相同，系統(tǒng)同步誤差為3.06%，驗(yàn)證了雙泵雙伺服閥控制田間作業(yè)車的行駛性能是可行的。