AMESim 仿真技術在液壓與氣壓傳動課程實踐中的應用-以收獲機割臺液壓系統為例

李明生， 劉 偉， 李云伍， 謝守勇

（西南大學工程技術學院，重慶 400715）

0 引言

液壓與氣壓傳動課程實踐性強，需要大量的課程實踐來增強學生的實踐能力，這對試驗條件建設提出了較高的要求[1-3]。仿真試驗技術能夠將試驗內容與仿真有機結合，有助于使學生清晰地掌握各液壓元件、回路和系統的原理，明確液壓系統基本原理，提升學生解決實際問題的能力。本研究以收獲機割臺液壓系統為例，介紹AMESim 仿真技術在液壓與氣壓傳動課程實踐中的應用。

AMESim 是一款多學科領域復雜系統建模仿真平臺，旨在控制復雜的動態系統，將液壓伺服執行機構與有限單元機械結構耦合起來[4-5]。AMESim 的建模方法是基于功率鍵合圖，具有圖形界面直觀、可實現面向原理圖建模的特點[6-8]。AMESim 中的元件可以進行雙向數據傳遞，賦予變量物理意義，能以直觀圖形的形式描述系統設備間的聯系，有效反映各元件間負載效應，以及系統中功率、能量的流動情況[9-10]。

1 割臺液壓系統

收獲機為榨菜聯合收獲機，配備榨菜收獲機專用動力底盤，采用液壓動力系統，一次完成榨菜的切葉、切根、輸送提升及裝箱等作業，總體方案如圖1 所示。為解決密葉散長帶來的纏繞、堵塞等問題，在收獲部件前端設計切葉裝置，采用滾式切割刀對榨菜上方和兩側的葉片進行切離；榨菜的根為木質纖維結構，韌且粗壯，因此在輸送裝置前端設計雙圓盤切割裝置來取代傳統的拔取式收獲方法；切根后，由輸送提升裝置對榨菜進行輸送，輸送提升裝置同時具有榨菜的夾持與固定功能；最后榨菜球體隨收集裝置進入木箱，完成裝箱，從而完成榨菜的整個機械化收獲流程。收獲機割臺驅動為液壓驅動方式，對切葉裝置、切根裝置、輸送提升裝置和自動仿形系統等進行動力傳遞。

圖1 榨菜收獲機Fig.1 Pickle harvester

1.1 根葉切割與夾持輸送系統液壓回路設計

根葉切割與夾持輸送一體液壓系統要求在收獲榨菜時能順利切斷根莖部，并通過以切根馬達作為動力來源的夾持輸送機構將榨菜輸送到水平輸送帶上，這要求切根馬達的扭矩足夠大，能夠同時完成切根和夾持輸送。根據使用環境要求，同時考慮收獲效率，計劃采用3 條收割線，滿足3 行榨菜的收獲，以保證收獲速度。每條收割線路采用2 個并聯的液壓馬達作為動力源，通過2 個液壓馬達驅動兩切根刀片的旋轉，實現對刀片中間的榨菜根莖切斷；為了避免切斷后，刀片與榨菜之間的接觸摩擦帶來因慣性帶飛榨菜，同時也為了保證夾持輸送的穩定性，對2 個液壓馬達的同步性提出較高要求。不同的收割線要保持一定的同步性，以此保證整體收獲效率及穩定性。

根據以上要求，使用多個同步閥來保證液壓馬達之間的同步性，每條收割線之間采取并聯管路的形式以保證整個系統的壓力要求，所以采用泄壓閥保證系統管路的完整。水平輸送帶由2 個串聯液壓馬達組成，整體仍與其他3 條收割線的液壓馬達保持并聯狀態，能夠保證輸送的扭矩要求，2 個水平輸送馬達的串聯則是保證轉速一致，使輸送帶能正常運行。整個液壓回路的通斷由三位四通的電磁閥控制，使系統在中位時，液壓管路的液壓油返回油箱以保護油路。設計有調速閥，實現對整個液壓回路流量的控制與調整。根葉切割與夾持輸送系統液壓回路如圖2 所示。

圖2 根葉切割與夾持輸送系統液壓回路Fig.2 Hydraulic circuit of root and blade cutting，clamping and conveying system

1.2 割臺、切葉舉升及仿形液壓回路設計

設計割臺舉升液壓回路由2 個液壓缸作為執行元件控制割臺升降，液控單向閥防止割臺的液壓缸快速下落造成安全事故，同步閥用于保證液壓缸運動同步，三位四通的電磁液壓閥控制割臺液壓油缸動作。切葉舉升液壓回路與割臺舉升液壓回路類似。仿形舉升液壓回路是單獨并聯的3 條支路，各自負責一條收割線以應對不同的地面起伏，將以上3 個總液壓回路并聯，通過單獨的電磁閥控制總油路的通斷，實現割臺正常舉升。設計割臺、切葉及仿形舉升液壓回路如圖3 所示。

圖3 割臺、切葉及仿形舉升液壓系統回路Fig.3 Hydraulic system circuit of header，blade cutting and profiling lifting

2 AMESim 建模及工作過程仿真

2.1 榨菜收獲機割臺液壓系統AMESim 建模

2.1.1 切葉切根及輸送液壓回路建模

基于AMESim 平臺建立切葉切根及輸送回路模型如圖4 所示。為了避免管路過多出現壓力驟增或驟減的現象出現，設置液壓腔。電磁閥與模擬開關信號控制回路的開斷，溢流閥用于控制回路壓力，電動機控制液壓泵為整個回路提供動力。

圖4 切葉、切根輸送回路仿真模型Fig.4 Simulation model of blade and root cutting conveying circuit

2.1.2 舉升及仿形液壓回路建模

基于AMESim 平臺建立舉升及仿形液壓回路模型如圖5 所示。溢流閥用于控制回路的壓力，電動機控制液壓泵，為整個回路提供動力。

圖5 舉升仿形回路仿真模型Fig.5 Simulation model of lifting profiling circuit

2.2 榨菜收獲機割臺液壓系統工作過程仿真分析

2.2.1 切葉裝置舉升、下降過程

切葉裝置舉升、下降過程仿真數據如圖6、圖7 和圖8 所示。當切葉裝置舉升時，開始階段存在振蕩，后面趨于穩定，舉升時間為2 s，穩定工作壓力為8 MPa，工作流量為12.2 L/min，計算其穩定工作的移動速度為0.1 m/s；當切葉裝置下降時，在機架重力作用下，開始下降并有加速過程，在液控單向閥的限制下，當速度增加到0.18 m/s 時趨于穩定，高于舉升速度，承受管路壓力為8 MPa。其原因是回路剛接通時，管路內部需要建壓所致，持續時間2s 左右，相對較短。

圖6 切葉裝置舉升、下降過程流量與位移曲線Fig.6 Flow and displacement curve of blade cutting device during lifting and lowering

圖7 切葉裝置舉升、下降過程速度與加速度曲線Fig.7 Speed and acceleration curve of blade cutting device during lifting and lowering

圖8 切葉裝置舉升、下降過程壓力曲線Fig.8 Pressure curve of blade cutting device during lifting and lowering

2.2.2 仿形裝置舉升、下降過程

仿形裝置舉升、下降過程仿真數據如圖9、圖10和圖11 所示。仿形裝置舉升時間為5 s，在電磁閥剛得電時，存在輕微振蕩；穩定工作流量為12.5 L/min，穩定工作速度為0.1 m/s，工作壓力為8 MPa。仿形裝置下降時，液控單向閥的限制下降速度恒定于0.22 m/s，回路壓力8 MPa。

圖9 仿形裝置舉升、下降過程流量與位移曲線Fig.9 Flow and displacement curve of profiling device during lifting and lowering

圖10 仿形裝置舉升、下降過程速度與加速度曲線Fig.10 Speed and acceleration curve of profiling device during lifting and lowering

圖11 仿形裝置舉升、下降過程壓力曲線Fig.11 Pressure curve of profiling device during lifting and lowering

2.2.3 割臺整體舉升、下降過程

割臺整體舉升、下降過程仿真數據如圖12、圖13和圖14 所示。割臺舉升工作時間為2.2 s，由于管路的突然開啟與關閉系統回路產生持續1.8 s 的壓力波動，穩定工作流量為30.2 L/min，穩定工作速度為0.09 m/s，工作壓力為8 MPa；在重力作用下，割臺下降速度穩定在0.23 m/s，下降時間為0.9 s，液控單向閥控制下降時回路的壓力為8 MPa。

圖12 割臺整體舉升、下降過程流量與位移曲線Fig.12 Flow and displacement curve of header during overall lifting and lowering

圖13 割臺整體舉升、下降過程速度與加速度曲線Fig.13 Speed and acceleration curve of header during overall lifting and lowering

圖14 割臺整體舉升、下降過程壓力曲線Fig.14 Pressure curve of header during overall lifting and lowering

3 結束語

AMESim 從基礎元件設計出發，對系統組成部件和系統功能進行性能仿真和優化，并能與其他軟件進行聯合仿真和優化，還可以納入控制器進行硬件在環仿真，從而對液壓系統進行快速、高效和準確地分析設計。隨著仿真試驗技術對傳統教學理念的逐步改變，通過AMESim 仿真技術對課程中的液壓系統進行設計和仿真，開展理論知識與仿真試驗相結合的教學實踐，可以有效降低理論學習的難度，激發學生學習興趣，提高課程教學效果。

在使用AMESim 進行仿真試驗過程中，電磁閥的最大開口流量和最大壓降會對系統性能產生較大影響。此外，也應注意負載方向的設置，避免產生錯誤。仿真試驗與實際試驗的部分差異也有可能是因為液壓油、油腔和管路等參數的設置不準確導致，因此可以在以上環節進行調節，使實際試驗與仿真試驗結果匹配。