懸掛式割草機(jī)折疊機(jī)構(gòu)優(yōu)化與液壓仿形系統(tǒng)研究

祝 露 尤 泳 王德成 張 楠 馬 偉 劉照啟

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083; 2.德邦大為(蕪湖)農(nóng)機(jī)有限公司， 蕪湖 241002)

0 引言

隨著我國“糧改飼”、“退耕還林還草”等政策的推廣落實(shí)，大量丘陵山區(qū)的耕地變?yōu)椴莸兀暡莘N植面積進(jìn)一步擴(kuò)大，丘陵山區(qū)的飼草機(jī)械化收獲目前還是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)[1-3]。根據(jù)農(nóng)藝要求，割草機(jī)在作業(yè)時(shí)切割器緊貼地面，以降低收獲損失，增加飼草產(chǎn)量[4-6]，而丘陵山區(qū)常有凸起和斜坡地形，造成切割器無法貼地作業(yè)、切割器入土引起停機(jī)等狀況。

為了適應(yīng)丘陵山區(qū)復(fù)雜的地形條件，割草機(jī)應(yīng)具備良好的仿形功能，使切割器接地作業(yè)時(shí)能夠隨地形情況自動(dòng)調(diào)節(jié)角度、位置[7-11]。目前，我國已在玉米播種機(jī)仿形技術(shù)上開展了深入研究[12-14]，部分學(xué)者使用電液控制技術(shù)，通過采集壓力信息實(shí)時(shí)控制仿形機(jī)構(gòu)，使得播種單體獲得穩(wěn)定的下壓力和播種深度[15-16]。目前割草機(jī)仿形技術(shù)的相關(guān)理論研究相對(duì)較少，并且市場(chǎng)上割草機(jī)產(chǎn)品基本都采用被動(dòng)仿形方式，即仿形機(jī)構(gòu)在地面的支撐作用下被動(dòng)地隨地形起伏，是因?yàn)楦畈輽C(jī)沒有類似播種單體的結(jié)構(gòu)，只能切割器整體仿形，而整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，增加了控制難度；同時(shí)電液控制的仿形技術(shù)成本高、易損壞、仿形動(dòng)作滯后，所以雖有割草機(jī)主動(dòng)仿形技術(shù)的研究，卻未得到推廣。

科樂收、庫恩等一些國外農(nóng)機(jī)公司在大型割草機(jī)上應(yīng)用了液壓式仿形系統(tǒng)，增強(qiáng)了割草機(jī)在起伏地形條件下的作業(yè)能力，國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)割草機(jī)仿形技術(shù)開展了相關(guān)研究，這些仿形機(jī)構(gòu)均采取被動(dòng)仿形方式，而且機(jī)械仿形方式多用于小型割草機(jī)，液壓仿形方式多用于大型割草機(jī)。

為了解決丘陵山區(qū)的飼草收獲難題，本文從大型懸掛式割草機(jī)入手，對(duì)割草機(jī)仿形技術(shù)展開相關(guān)研究。基于德邦大為(蕪湖)農(nóng)機(jī)有限公司的一款幅寬3.2 m割草機(jī)，對(duì)其折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析與計(jì)算，推導(dǎo)出適用于不同幅寬割草機(jī)的折疊機(jī)構(gòu)，使割草機(jī)可以在坡度-30°～30°范圍內(nèi)的地形下作業(yè)，并研制與折疊機(jī)構(gòu)相配套的液壓仿形系統(tǒng)，使割草機(jī)在滿足折疊功能的同時(shí)具備仿形功能，能夠通過高度250 mm的波形凸起路面，提高懸掛式割草機(jī)在丘陵山區(qū)的工作能力。

1 折疊機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)

1.1 割草機(jī)折疊機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)

對(duì)于懸掛式割草機(jī)，折疊機(jī)構(gòu)的主要作用有：在作業(yè)結(jié)束后執(zhí)行切割器的提升、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，使其背負(fù)在拖拉機(jī)后方，以滿足運(yùn)輸條件；在割草作業(yè)過程中帶動(dòng)切割器前進(jìn)并隨地形浮動(dòng)。在有起伏的地形環(huán)境下，折疊機(jī)構(gòu)應(yīng)具有一定范圍的活動(dòng)余量，隨切割器一起隨地形上下浮動(dòng)，使切割器的底部始終貼在地面上。

懸掛式割草機(jī)折疊機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、旋轉(zhuǎn)臂、提升臂、回轉(zhuǎn)液壓缸、提升液壓缸組成。其中機(jī)架與拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛相連接，支撐起整個(gè)折疊機(jī)構(gòu)，機(jī)架的右端通過銷軸與旋轉(zhuǎn)臂配合安裝，旋轉(zhuǎn)臂的右端與提升臂通過銷軸連接，回轉(zhuǎn)液壓缸一端掛耳連接在機(jī)架上，另一端掛耳與旋轉(zhuǎn)臂連接，提升液壓缸上端連接旋轉(zhuǎn)臂，下端與提升臂相連接，最后，切割器與提升臂的切割器安裝孔配合安裝，構(gòu)成了整個(gè)折疊機(jī)構(gòu)。

圖1 懸掛式割草機(jī)折疊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hanging mower folding mechanism1.機(jī)架 2.回轉(zhuǎn)液壓缸 3.旋轉(zhuǎn)臂 4.提升液壓缸 5.提升臂 6.切割器安裝孔

1.2 折疊機(jī)構(gòu)工作原理

懸掛式割草機(jī)工作狀態(tài)與運(yùn)輸狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，割草作業(yè)結(jié)束后，在提升液壓缸的拉力作用下，提升臂與切割器被向上提升起來，切割器繞提升臂下鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，最后呈豎直狀態(tài)；執(zhí)行完切割器的提升動(dòng)作后，通過控制回轉(zhuǎn)液壓缸，拉動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂向后方旋轉(zhuǎn)，最終切割器以直立狀態(tài)位于機(jī)架后方，在拖拉機(jī)后方呈背負(fù)狀態(tài)，以便于安全運(yùn)輸。同理，當(dāng)割草機(jī)被運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)地點(diǎn)時(shí)，控制回轉(zhuǎn)液壓缸伸出，切割器在重力作用下拉動(dòng)提升液壓缸伸出，切割器下落，直到與地面接觸，進(jìn)入工作狀態(tài)。

圖2 懸掛式割草機(jī)不同狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagrams of hanging mower in different states1.機(jī)架 2.割草機(jī)上懸掛點(diǎn) 3.回轉(zhuǎn)液壓缸 4.旋轉(zhuǎn)臂 5.提升臂上鉸點(diǎn) 6.提升液壓缸 7.提升臂 8.提升臂下鉸點(diǎn) 9.切割器總框架 10.壓扁輥

折疊機(jī)構(gòu)執(zhí)行提升與回轉(zhuǎn)動(dòng)作均由折疊機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)執(zhí)行，液壓系統(tǒng)的原理圖如圖3，其中液壓泵、溢流閥、提升系統(tǒng)三位換向閥、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)三位換向閥均為拖拉機(jī)內(nèi)部液壓系統(tǒng)元件，且提升系統(tǒng)三位換向閥、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)三位換向閥始終處于中位，通過駕駛員手動(dòng)操縱調(diào)整換向閥的位置執(zhí)行液壓缸的伸縮動(dòng)作。

圖3 懸掛式割草機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of hydraulic system of hanging mower1.提升液壓缸 2.球閥 3.提升系統(tǒng)三位換向閥 4.溢流閥 5.液壓油箱 6.液壓泵 7.拖拉機(jī)內(nèi)部液壓元件 8.回轉(zhuǎn)系統(tǒng)三位換向閥 9.液壓鎖 10.回轉(zhuǎn)液壓缸

1.3 折疊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

1.3.1折疊機(jī)構(gòu)剛性連接

由圖2a與圖3可知，當(dāng)割草機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，液壓系統(tǒng)中的2個(gè)三位換向閥(位于拖拉機(jī)駕駛室內(nèi))均處于中位，即提升液壓缸與回轉(zhuǎn)液壓缸固定連接，無法執(zhí)行伸縮動(dòng)作。此時(shí)提升液壓缸無法帶動(dòng)切割器上下運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)液壓缸也無法帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂向后擺動(dòng)，折疊機(jī)構(gòu)所有部件剛性連接，沒有活動(dòng)的自由度。切割器與折疊機(jī)構(gòu)的提升臂鉸接，且始終接地作業(yè)，在遇到起伏較大地形時(shí)，切割器與提升臂的鉸接點(diǎn)不能向上抬升，切割器不能主動(dòng)移動(dòng)以適應(yīng)起伏環(huán)境，造成刀片入土，同時(shí)折疊機(jī)構(gòu)受到向后方的沖擊力，容易造成連接銷軸斷裂或回轉(zhuǎn)液壓缸受壓變形，使切割器或折疊機(jī)構(gòu)受損。

1.3.2折疊機(jī)構(gòu)擺動(dòng)角度

通過在三維軟件中對(duì)折疊機(jī)構(gòu)裝配模型進(jìn)行提升、擺動(dòng)一系列模擬操作，發(fā)現(xiàn)原型機(jī)折疊機(jī)構(gòu)在帶動(dòng)切割器順時(shí)針擺動(dòng)20°左右時(shí)就達(dá)到了極限位置，此時(shí)提升液壓缸完全伸出，提升液壓缸也將與提升臂發(fā)生干涉，如圖4所示。

圖4 折疊機(jī)構(gòu)順時(shí)針擺動(dòng)20°狀態(tài)圖Fig.4 State diagram of the folding mechanism swinging 20° clockwise1.提升液壓缸 2.提升臂 3.切割器框架

為了解決上述2個(gè)問題，需要對(duì)割草機(jī)的折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，將折疊機(jī)構(gòu)擺動(dòng)角度范圍擴(kuò)大至±30°，同時(shí)改進(jìn)割草機(jī)折疊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)，使割草機(jī)作業(yè)時(shí)提升液壓缸根據(jù)地形條件自主調(diào)節(jié)伸出長(zhǎng)度，以自適應(yīng)起伏地形，提高割草機(jī)在復(fù)雜地形環(huán)境下的作業(yè)能力。

2 折疊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 折疊機(jī)構(gòu)各鉸點(diǎn)位置計(jì)算分析

由于折疊機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)角度范圍以及提升切割器所需的拉力均由折疊機(jī)構(gòu)連接鉸點(diǎn)的位置決定，故需對(duì)折疊機(jī)構(gòu)各零件的連接尺寸進(jìn)行分析。

為了適應(yīng)±30°以內(nèi)的斜坡作業(yè)環(huán)境，使折疊機(jī)構(gòu)具備在此角度范圍內(nèi)調(diào)整切割器姿態(tài)的能力，懸掛式割草機(jī)折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足以下基本條件[17]：①折疊機(jī)構(gòu)擺動(dòng)角度最大可以達(dá)到±30°。②提升臂和切割器可以達(dá)到豎直狀態(tài)，便于運(yùn)輸。③折疊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理，提升過程所需的液壓缸拉力相對(duì)較小。④運(yùn)動(dòng)過程中各部件不會(huì)發(fā)生干涉。為了使折疊機(jī)構(gòu)能夠滿足以上條件，繪制折疊機(jī)構(gòu)擺動(dòng)-30°(順時(shí)針擺動(dòng)30°)時(shí)的狀態(tài)圖與運(yùn)輸狀態(tài)圖，如圖5所示，并對(duì)折疊機(jī)構(gòu)各部件的尺寸進(jìn)行分析計(jì)算。

圖5 折疊機(jī)構(gòu)不同狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematics of structure of folding mechanism in different states1.旋轉(zhuǎn)臂上鉸點(diǎn) 2.旋轉(zhuǎn)臂 3.提升臂上連接點(diǎn) 4.提升臂下連接點(diǎn) 5.提升缸下連接點(diǎn) 6.提升臂 7.提升液壓缸

由于提升臂下連接點(diǎn)與切割器連接，該連接點(diǎn)必須接近切割器中心位置，使切割器左右兩側(cè)平衡并均勻接地，假設(shè)懸掛式割草機(jī)的幅寬為B，為了避免切割器與旋轉(zhuǎn)臂干涉，提升臂上連接點(diǎn)與切割器左側(cè)邊緣應(yīng)留有一定空間，在此以250 mm計(jì)算，幅寬越小，所留空間應(yīng)越小。故提升臂上連接點(diǎn)與下連接點(diǎn)距離a的計(jì)算公式為

a=B/2+250

(1)

如圖5所示，折疊機(jī)構(gòu)執(zhí)行提升動(dòng)作時(shí)，提升臂繞提升臂上連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)臂上鉸點(diǎn)與提升臂上連接點(diǎn)的水平距離d過大時(shí)，提升臂順時(shí)針擺動(dòng)30°時(shí)提升臂易與提升液壓缸發(fā)生干涉，d過小時(shí)，易在運(yùn)輸狀態(tài)使旋轉(zhuǎn)臂與提升臂發(fā)生干涉，本文中，d應(yīng)在250 mm左右為宜。

如圖5b所示，為使運(yùn)輸狀態(tài)下提升臂與切割器能夠保持豎直狀態(tài)，提升缸下連接點(diǎn)與提升臂下連接點(diǎn)的水平距離c應(yīng)略小于d，本文中，c的取值為

c≈d-50

(2)

提升液壓缸完全縮回時(shí)，切割器完全提起，此時(shí)割草機(jī)為運(yùn)輸狀態(tài)，提升臂應(yīng)處于豎直狀態(tài)，此時(shí)運(yùn)輸割草機(jī)占用空間最小，提升液壓缸受到的拉力也最小，可避免拉力過大造成液壓油泄漏發(fā)生事故，如圖5b所示，此時(shí)近似有

a≈e+L+b

(3)

式中e——機(jī)架上鉸點(diǎn)與提升臂上連接點(diǎn)的垂直距離

L——液壓缸縮回全長(zhǎng)

b——提升缸下連接點(diǎn)與提升臂下連接點(diǎn)的垂直距離

對(duì)于缸徑大于50 mm的液壓缸，兩側(cè)掛耳與端面密封至少要留出270 mm左右的尺寸余量，假設(shè)液壓缸縮回時(shí)兩側(cè)掛耳的距離為L(zhǎng)，則必須滿足：L≥s+270，s為液壓缸行程，此時(shí)s=a+e-b-L，見圖5b，為了使液壓缸內(nèi)具備足夠的長(zhǎng)度容納縮回的液壓桿，應(yīng)滿足

L≥a+e-b-L+270

(4)

根據(jù)公式(1)～(4)，可求出幅寬為B的懸掛式割草機(jī)折疊機(jī)構(gòu)滿足在±30°范圍內(nèi)擺動(dòng)的尺寸條件為

(5)

此外，對(duì)折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，明確各尺寸對(duì)折疊機(jī)構(gòu)提升力的影響，如圖5a所示，提升臂在下連接點(diǎn)處受拉力作用，其大小等于切割器的重力，提升臂還受自身重力G0，在提升液壓缸的拉力Ft作用下，提升臂繞提升臂上連接點(diǎn)向上旋轉(zhuǎn)，由力學(xué)平衡有

(6)

其中φ與θ的三角函數(shù)關(guān)系為

(7)

聯(lián)立公式(5)、(6)可得

(8)

式中θ——提升臂在執(zhí)行提升動(dòng)作過程中與水平面的夾角，(°)

Fg——提升臂在第一鉸點(diǎn)處受的拉力，N

φ——提升液壓缸與豎直平面的夾角，(°)

由公式(7)可知，機(jī)架上鉸點(diǎn)與提升臂上連接點(diǎn)在豎直方向上的距離e越大，提升液壓缸的拉力Ft越小。綜上，得出幅寬為B的懸掛式割草機(jī)折疊機(jī)構(gòu)滿足正負(fù)擺動(dòng)30°的活動(dòng)范圍的折疊機(jī)構(gòu)尺寸條件與提升液壓缸的拉力計(jì)算公式。

2.2 幅寬3.2 m折疊機(jī)構(gòu)仿真

根據(jù)上述計(jì)算的折疊機(jī)構(gòu)滿足擺動(dòng)±30°基本條件，設(shè)計(jì)計(jì)算出適用于幅寬3.2 m原型機(jī)的折疊機(jī)構(gòu)，其中a為1 581 mm，b為77 mm，c為212 mm，d為258 mm，e為425 mm。

將優(yōu)化后的折疊機(jī)構(gòu)的三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，按照實(shí)際連接關(guān)系將轉(zhuǎn)動(dòng)副添加到各零件之間，在提升臂的下端施加切割器的拉力，本次優(yōu)化的折疊臂適用于幅寬3.2 m的割草機(jī)，在提升臂的下端施加8 428 N(割草機(jī)切割器的重力)的拉力，在旋轉(zhuǎn)臂的左側(cè)安裝孔與下表面定義固定約束，賦予各零件材料類型與重力方向，模擬提升液壓缸將貼合在-30°斜坡的切割器提升至豎直狀態(tài)的過程中提升液壓缸的拉力情況。

折疊機(jī)構(gòu)在ADAMS軟件中液壓缸端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示；提升液壓缸拉力隨時(shí)間變化曲線如圖7，提升液壓缸拉力隨著切割器被提升逐漸減小，整個(gè)過程歷時(shí)4 s多，在零時(shí)刻提升液壓缸拉力最大，為51 600 N，故提升液壓缸在拖拉機(jī)16 MPa油壓下至少具備51 600 N的拉力才能使折疊機(jī)構(gòu)正常工作。

圖6 液壓仿形系統(tǒng)ADAMS仿真模型Fig.6 ADAMS simulation model of hydraulic profiling system

旋轉(zhuǎn)臂左側(cè)安裝孔與機(jī)架固定連接，上端安裝孔與液壓缸連接，是整個(gè)折疊機(jī)構(gòu)中受力最大的零件，需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，定義其左側(cè)安裝孔固定約束，上端安裝孔受到傾斜向下30°、51 600 N的拉力，此時(shí)為旋轉(zhuǎn)臂受力最大的時(shí)刻，各部位應(yīng)力分布如圖8，應(yīng)力集中分布在上端的掛耳與下方部件的焊接處，應(yīng)力最大值為216.67 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖8 旋轉(zhuǎn)臂應(yīng)力分布云圖Fig.8 Contour diagram of stress distribution of rotating arm

根據(jù)理論計(jì)算與模擬仿真結(jié)果，折疊機(jī)構(gòu)實(shí)物尺寸如圖9所示。

圖9 優(yōu)化折疊機(jī)構(gòu)實(shí)物尺寸Fig.9 Trial production size of reformed folding mechanism

3 割草機(jī)液壓仿形系統(tǒng)仿真

為提高割草機(jī)在丘陵山區(qū)作業(yè)能力，在折疊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)±30°的基礎(chǔ)上，還需要對(duì)割草機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使割草機(jī)自適應(yīng)起伏地形，具備仿形功能。

3.1 液壓仿形系統(tǒng)工作原理

液壓仿形系統(tǒng)原理如圖10所示，在原液壓系統(tǒng)上將提升液壓缸的輸入口與蓄能器連接，并通過單向閥與截止閥調(diào)節(jié)蓄能器的進(jìn)出流量大小。蓄能器可作為輔助油源，在閉式液壓環(huán)境中為提升液壓缸提供液壓油，使提升液壓缸具備執(zhí)行伸縮動(dòng)作的條件，故切割器的滑板隨地形上下浮動(dòng)時(shí)，提升臂也能上下擺動(dòng)一定角度，實(shí)現(xiàn)了懸掛式割草機(jī)的仿形功能。

圖10 液壓仿形系統(tǒng)原理圖Fig.10 Schematic of hydraulic profiling system1.油表 2.蓄能器 3、12.球閥 4.提升液壓缸 5.雙作用液壓缸 6.液壓鎖 7.回轉(zhuǎn)系統(tǒng)三位換向閥 8.液壓油源 9.過濾器 10.溢流閥 11.提升系統(tǒng)三位換向閥 13.單向閥 14.截止閥

3.2 液壓仿形系統(tǒng)虛擬仿真

虛擬仿真技術(shù)可以為農(nóng)業(yè)機(jī)械提供良好的理論參考[18-19]，在ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件中，可以計(jì)算出起伏路面上切割器的位移、提升液壓缸的伸縮位移數(shù)據(jù)，但無法獲得提升液壓缸對(duì)提升臂拉力數(shù)據(jù)；在AMESim液壓仿真軟件中可以獲取提升液壓缸對(duì)提升臂拉力數(shù)據(jù)，但提升液壓缸的伸縮位移會(huì)引起蓄能器內(nèi)氣囊體積變化，使得閉式液壓回路中的油壓改變，由此提升液壓缸對(duì)提升臂拉力也是隨地形變化的，兩個(gè)單獨(dú)的仿真均無法反映真實(shí)的割草機(jī)在起伏路面的通過情況。

為了驗(yàn)證液壓仿形系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)的正確性，應(yīng)用ADAMS-AMESim聯(lián)合仿真技術(shù)進(jìn)行液壓仿形系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，克服單一仿真方式的局限性。將ADAMS仿真模型中提升液壓缸伸縮位移隨信息數(shù)據(jù)輸入AMESim仿真模型，將AMESim仿真模型中提升液壓缸的拉力信息數(shù)據(jù)輸入ADAMS仿真模型，綜合探究液壓仿形系統(tǒng)對(duì)起伏路面的適應(yīng)效果。

在ADAMS軟件中創(chuàng)建路面總長(zhǎng)度20 m、寬度5 m、波峰高度250 mm的8個(gè)連續(xù)的正弦波作為作業(yè)環(huán)境中的起伏路面，并將整個(gè)割草機(jī)模型導(dǎo)入，按照相關(guān)零件實(shí)際連接情況添加約束關(guān)系，并賦予所有零件質(zhì)量信息，設(shè)置切割器總成與路面間接觸約束動(dòng)摩擦因數(shù)為0.45，靜摩擦因數(shù)為0.4[20]，割草機(jī)前進(jìn)速度為0.5 m/s，ADAMS仿真模型如圖11所示。

圖11 液壓仿形虛擬樣機(jī)ADAMS仿真模型Fig.11 ADAMS simulation model of hydraulic profiling virtual prototype

在AMESim液壓仿真模型中，設(shè)置蓄能器體積2.0 L，預(yù)充氣壓力7.0 MPa，提升液壓缸缸徑90 mm，桿徑45 mm,液壓泵輸出流量62.5 L/min。最終搭建的機(jī)械-液壓聯(lián)合仿真模型如圖12所示。

圖12 液壓仿形系統(tǒng)ADAMS-AMESim聯(lián)合仿真模型Fig.12 ADAMS-AMESim co-simulation model of hydraulic profiling system

在聯(lián)合仿真交互環(huán)境中的AMESim系統(tǒng)中查看仿真結(jié)果，將仿真模型中蓄能器氣囊體積變化信息、切割器的位移信息、切割器接地壓力信息導(dǎo)出，繪制相關(guān)曲線。如圖13a所示，在割草機(jī)通過波形路面的過程中，蓄能器氣囊體積在0.4～0.7 L范圍內(nèi)波動(dòng)，證明該過程中有液壓油進(jìn)出蓄能器，提升液壓缸供油或吸收其中的油液；圖13b顯示了切割器上刀片在豎直方向位移隨時(shí)間變化關(guān)系，其運(yùn)動(dòng)軌跡與仿真模型中的地形一致；圖13c為切割器接地壓力隨時(shí)間變化，主要在1 700～2 500 N范圍內(nèi)波動(dòng)，最大可接近3 000 N。仿真結(jié)果表明，搭載液壓仿形系統(tǒng)的割草機(jī)具有貼地通過崎嶇起伏路面的條件，且可以通過高度250 mm的波形路面。

圖13 聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)曲線Fig.13 Co-simulation data curves

4 折疊機(jī)構(gòu)仿形系統(tǒng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿形系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性，試制了仿形系統(tǒng)的折疊結(jié)構(gòu)與液壓系統(tǒng)，并將其安裝在原型機(jī)上，開展割草機(jī)折疊試驗(yàn)與地形適應(yīng)性試驗(yàn)，探究試驗(yàn)樣機(jī)對(duì)復(fù)雜地形的適應(yīng)性，并查驗(yàn)折疊機(jī)構(gòu)是否滿足折疊割草機(jī)的基本功能。

4.1 折疊機(jī)構(gòu)功能試驗(yàn)

將優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)臂、提升臂以及液壓缸配合組裝構(gòu)成折疊機(jī)構(gòu)，與原型機(jī)切割器配合安裝，最后掛接在拖拉機(jī)上，與拖拉機(jī)的后輸出液壓接口連接，測(cè)試優(yōu)化后的折疊機(jī)構(gòu)執(zhí)行折疊動(dòng)作情況。

圖14a展示了割草機(jī)處于作業(yè)狀態(tài)下的位姿，優(yōu)化折疊機(jī)構(gòu)將切割器提升后的折疊狀態(tài)(即割草機(jī)被背負(fù)在拖拉機(jī)后方的運(yùn)輸狀態(tài))如圖14b所示，經(jīng)角度數(shù)顯儀測(cè)量，此時(shí)提升臂與豎直方向的夾角為3.2°，接近豎直，滿足割草機(jī)的安全運(yùn)輸條件。可認(rèn)為優(yōu)化的折疊機(jī)構(gòu)具備了將割草機(jī)折疊的功能，且滿足各種工況下的力學(xué)和強(qiáng)度要求。

圖14 折疊功能測(cè)試Fig.14 Folding function tests1.懸掛機(jī)架 2.旋轉(zhuǎn)臂 3.液壓缸 4.提升臂 5.角度數(shù)顯儀 6.液壓油管

4.2 優(yōu)化樣機(jī)地形適應(yīng)性試驗(yàn)

4.2.1優(yōu)化樣機(jī)斜坡地形試驗(yàn)

在野外尋找角度接近30°的斜坡地形，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的折疊臂是否具有±30°的擺動(dòng)范圍。

優(yōu)化后的折疊機(jī)構(gòu)活動(dòng)范圍試驗(yàn)場(chǎng)地分別在0°～28°的山丘以及-24°～0°的洼地進(jìn)行，以此反映天然草場(chǎng)極端惡劣的斜坡地形，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖15、16所示，割臺(tái)與斜坡的貼合情況良好，折疊機(jī)構(gòu)無干涉情況，折疊機(jī)構(gòu)可順利完成折疊動(dòng)作，說明優(yōu)化后的折疊機(jī)構(gòu)具備了擺動(dòng)±30°的能力，能適應(yīng)斜坡地形環(huán)境。

圖15 樣機(jī)在0°～28°的山丘作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.15 Working situation of prototype in hills from 0° to 28°

圖16 樣機(jī)在-24°～0°的洼地作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.16 Prototype working in depressions from -24° to 0°

4.2.2優(yōu)化樣機(jī)波形路面通過性試驗(yàn)

折疊機(jī)構(gòu)經(jīng)過一系列折疊、擺動(dòng)的初步調(diào)試試驗(yàn)后，再將仿形液壓系統(tǒng)裝載在折疊機(jī)構(gòu)上，探究割草機(jī)液壓仿形系統(tǒng)對(duì)起伏地形的適應(yīng)性，測(cè)試液壓仿形系統(tǒng)的綜合性能，優(yōu)化后的液壓仿形系統(tǒng)如圖17所示。

圖17 液壓仿形系統(tǒng)Fig.17 Hydraulic profiling system1.壓力表 2.球閥1 3.球閥2 4.減壓閥 5.單向閥 6.蓄能器

試驗(yàn)于2022年1月20日在安徽省蕪湖市弋江區(qū)德邦大為(蕪湖)農(nóng)機(jī)有限公司附近的野外草地進(jìn)行。經(jīng)過調(diào)查勘測(cè)，選擇一段凸起最大高度接近250 mm的波浪形路面，場(chǎng)地情況如圖18所示，部分凸起截面尺寸如圖19，測(cè)得波形凸起的最大高度可達(dá)243 mm，在浪形路面的左側(cè)清理出拖拉機(jī)行駛道，便于測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)地的地形特征。壓力傳感器型號(hào)為DYZ-101，量程為10 000 N，供電電壓5～15 V，固定在滑板與切割器之間，實(shí)時(shí)記錄整個(gè)過程中的切割器接地壓力情況，數(shù)字記錄儀型號(hào)為OHR-F8-10-X-02-A-U，工作電源AC85～264 V、50/60 Hz，記錄間隔是1 s。截取其中一次試驗(yàn)中經(jīng)過波形路面16 s時(shí)間段內(nèi)接地壓力隨時(shí)間的變化值，并制作點(diǎn)線圖，如圖20所示。

圖18 波形路面試驗(yàn)場(chǎng)地Fig.18 Wave road test site

圖19 波形路面的側(cè)邊截面圖Fig.19 Cross section of wavy pavement

圖20 割草機(jī)接地壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.20 Curve of ground pressure of lawn mower with time

切割器隨地形上升到波峰位置的情況如圖21，壓力傳感器記錄結(jié)果基本反映了波形路面的起伏情況，試驗(yàn)場(chǎng)地有3個(gè)波形起伏，且第2個(gè)起伏最大，整個(gè)過程中，壓力傳感器始終有示數(shù)，故認(rèn)為切割器始終緊貼地面，且折疊機(jī)構(gòu)可以隨著地形起伏調(diào)節(jié)液壓缸的長(zhǎng)度，割草機(jī)具備了仿形功能。

圖21 割草機(jī)通過波峰的瞬間Fig.21 Moment lawn mower passed wave road

從圖20中可以看出，通過波形路面的整個(gè)過程中，接地壓力保持在2 000～5 000 N。切割器經(jīng)過第1個(gè)波峰時(shí)接地壓力會(huì)增加到4 000 N左右，經(jīng)過第2個(gè)波峰時(shí)接地壓力接近5 000 N，經(jīng)過第3個(gè)波峰

時(shí)接地壓力接近4 800 N。

已知切割器的質(zhì)量在860 kg左右，而整個(gè)過程中接地壓力的測(cè)量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于切割器的重力。通過試驗(yàn)過程觀察，認(rèn)為是在蓄能器氣囊壓力作用下使液壓缸對(duì)切割器提供了一定的拉力，以及機(jī)架對(duì)切割器提供了一定的支撐力，使得切割器的對(duì)地壓力小于自身重力，減小了切割器的接地壓力，有利于切割器隨地面仿形。

試驗(yàn)結(jié)果表明，仿形系統(tǒng)樣機(jī)具備了通過250 mm高度的波形凸起路面的能力，切割器能夠在無人參與條件下自行上浮下落，始終接地作業(yè)。且經(jīng)過傳感器測(cè)量，在惡劣的波形路面條件下，仿形系統(tǒng)樣機(jī)接地壓力為2 000～5 000 N，減小了接地壓力，可緩解割草機(jī)作業(yè)過程中對(duì)地面的壓實(shí)作用。

5 結(jié)論

(1)為了提高割草機(jī)在起伏大、有坡度等復(fù)雜地形條件下的適應(yīng)能力，優(yōu)化了懸掛式割草機(jī)的折疊機(jī)構(gòu)，使割草機(jī)在能順利折疊的基礎(chǔ)上，可以適應(yīng)30°以內(nèi)斜坡地形，且具備越過250 mm高度波形凸起路面的能力，增強(qiáng)了割草機(jī)在丘陵山區(qū)的作業(yè)能力。

(2)通過對(duì)折疊機(jī)構(gòu)理論分析計(jì)算，得出折疊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滿足擺動(dòng)±30°各零部件需要滿足的基本尺寸，對(duì)優(yōu)化后的零件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析、關(guān)鍵受力零件強(qiáng)度分析，確保順利完成割草機(jī)折疊動(dòng)作。

(3)試制出適用于幅寬3.2 m懸掛式割草機(jī)的折疊機(jī)構(gòu)和與之相配套的液壓仿形系統(tǒng)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化的折疊機(jī)構(gòu)能順利完成割草機(jī)折疊動(dòng)作，滿足各種工況下的力學(xué)和強(qiáng)度要求；優(yōu)化折疊機(jī)構(gòu)具備30°以內(nèi)的擺動(dòng)范圍，在斜坡地形下割臺(tái)與地面的貼合情況良好；搭載仿形系統(tǒng)的折疊機(jī)構(gòu)樣機(jī)具備通過250 mm高度的波形凸起路面的能力，切割器可隨地形自行上浮下落，提高了割草機(jī)在起伏較大地形條件下的適應(yīng)能力。