農用機械負載敏感分流同步驅動仿真研究

穆洪云，羅艷蕾，鄧行，杜威，劉堯

(1.貴州大學機械工程學院，貴州貴陽 550025；2.六盤水師范學院礦業與土木工程學院，貴州六盤水 553000)

0 前言

隨著科學技術的進步，農用機械迎來了無人駕駛技術[1]，即在傳統農業機械上加入傳感器和控制器進行控制，能夠大大提高農用機械的生產效率，但是對于農用機械行駛的同步精度提出更高的要求。對于液壓驅動的農用機械，要求它行駛時具有良好的直線行駛性、高準確性，必須提高驅動液壓馬達的同步精度。對于液壓系統的同步控制，國內外學者進行了大量研究[2-13]，譚頓等人[14]提出一種基于改進粒子群算法的雙液壓馬達同步控制策略，仿真結果顯示該方法能夠有效減少系統超調量與同步誤差，并且能夠提高系統響應速度。陳靖等人[15]提出一種同步閥+電磁比例閥的液壓驅動地盤，為農用機械底盤設計提供理論依據。丁海港等[16]提出一種抗時變偏載的負載敏感變速分流同步驅動系統，該系統可以有效提高執行元件的同步精度。

本文作者在以上研究的基礎上提出一種農用機械負載敏感分流驅動系統，該系統同時具備負載敏感系統和分流閥的優點，與閉環反饋同步控制相比，該系統具有更好的經濟性，能夠滿足農用機械高直線行駛性、高準確性的要求。

1 系統原理分析

1.1 液壓工作原理分析

如圖1所示，該系統為開式系統，采用了閥后壓力補償技術，當多路閥處于左位或右位工作時均能實現壓力補償功能。動力源3帶動負載敏感泵1轉動產生高壓油，從負載敏感泵1出來的高壓油通過分流閥4分別進入多路閥5.1和5.2，當多路閥5.1和5.2處于中位時，高壓油直接通過冷卻器10和過濾器11流回油箱12，實現卸荷功能；當多路閥5.1和5.2處于左位工作時，高壓油分別通過壓力補償閥6.1和6.3進入液壓馬達9.1和9.2，液壓馬達9.1和9.2開始轉動，從液壓馬達9.1和9.2出來的低壓油分別通過單向閥7.2和7.4進入多路閥5.1和5.2，再通過冷卻器10和過濾器11流回油箱12。當冷卻器10和過濾器11發生堵塞時，低壓油通過單向閥7.5和7.6流回油箱12。

1.2 壓力補償原理與分流原理分析

取壓力補償閥分析壓力，則：

(1)

Δpn=pP-pn

(2)

取分流閥和多路閥分析流量，則：

(3)

式中：qn為通過閥芯流量；Cdn為流量系數；An為分流閥和多路閥閥芯開口面積；m為指數。

2 系統建模

2.1 負載敏感泵建模

根據圖1中負載敏感泵1工作原理，利用AMESim中的HCD庫建立如圖2所示模型，系統仿真前，柱塞油缸下腔在彈簧力的作用下流回油箱，變量泵排量最大。開機后負載壓力引至負載敏感閥彈簧腔，兩端受力平衡pP=pLS+3 MPa，負載敏感閥閥口關閉，變量泵的斜盤傾角維持在某一位置，提供比例溢流閥閥所需的流量。流量增加過程，當節流閥開口增大，閥口的節流作用減弱，Δp減小，負載敏感閥兩端壓差Δp=pP-pLS<3 MPa,負載敏感閥閥芯向上移動，柱塞缸下腔流量流回油箱，閥芯往下移動，變量泵排量增加。流量減少過程，當節流閥開口減小時，閥口的節流作用加強，Δp增大，負載敏感閥兩端壓差Δp=pP-pLS>3 MPa,負載敏感閥閥芯向下移動，流量進入柱塞缸下腔，變量馬達排量減小。高壓待機狀態，pP=pLS,3 MPa彈簧力將負載敏感閥推向上位，變量泵持續輸出的流量將導致出口壓力迅速上升并超過30 MPa，壓力切斷閥克服30 MPa彈簧力，閥芯往下移動，使壓力油流入柱塞缸下腔，推動斜盤傾角處于排量幾乎為0的位置，變量泵提供保持高壓狀態下系統內泄漏的流量。

在圖2中，節流閥模擬負載流量需求，比例溢流閥模擬外負載變化。設定節流量口直徑為7 mm，負載壓力為0～20 MPa，仿真時間為5 s，則節流閥閥前、閥后壓力和流量如圖3所示。可知：系統在0.6 s時達到穩定，穩定后閥前閥后壓差為3 MPa。隨著負載的增加，流量不再發生變化，實現流量與負載無關。

2.2 分流閥建模

根據分流閥的工作原理，建立如圖4所示模型，液壓油通過1口分別進入中間的2個容腔，其中左側的容腔連接質量塊左腔，并且通過節流閥連接右側彈簧腔，另一側容腔同理。當2口和3口的負載相同時，閥芯位于中間，兩腔閥芯開口大小相等，流量相等；當2口壓力增大時，需要更大流量，閥芯向左移動，左側閥芯開口增大，流量增加，右側閥芯開口減小，流量減小，使得2口和3口的流量相等，其他工況同理。

2.3 多路閥建模

根據多路閥的工作原理建立如圖5所示模型，3口為進油口，2口和4口為出油口，1口和5口為回油口，右端比例電磁體可以根據輸入的電信號的大小輸出對應的力，推動閥芯移動，實現左位、中位和右位工作。

2.4 系統建模

根據農用機械液壓驅動原理(圖1)，建立如圖6所示模型。考慮農用機械在行駛過程中實際情況，在液壓馬達9.1和9.2后增加了轉動慣量。忽略系統泄漏，設置仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

3 仿真分析

3.1 同步分析

設定仿真時間為5 s，步長為0.01 s，進行仿真，分析液壓馬達9.1和9.2的同步轉速曲線和同步誤差曲線，仿真結果分別如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知：當多路閥全開時，系統在0.9 s時達到穩定轉速，液壓液馬達9.1轉速為369 r/min，液壓馬達9.2轉速為371 r/min，達到穩定轉速前液壓馬達9.1和9.2最大的同步誤差為851 r/min，達到穩定轉速后，液壓馬達9.1和9.2同步誤差為2 r/min；當多路閥半開時，系統在0.8 s時達到穩定轉速，液壓液馬達9.1轉速為88 r/min，液壓馬達9.2轉速為87 r/min，達到穩定轉速前液壓馬達9.1和9.2最大的同步誤差為466 r/min，達到穩定轉速后，液壓馬達9.1和9.2同步誤差為1 r/min。故該系統在偏載啟動時，能夠迅速達到穩定轉速，并且同步精度高，能夠應對農用機械復雜的啟動環境。

3.2 魯棒性分析

為了分析系統的魯棒性，在t=2.5 s時，將液壓馬達9.1外負載轉矩減少50 N·m，將液壓馬達9.2外負載轉矩增加50 N·m，仿真結果分別如圖9和圖10所示。

由圖9和圖10可知：當負載突變時，系統在0.7 s內恢復穩定，當多路閥全開時，最大同步誤差為179 r/min，當多路閥半開時，最大同步誤差為280 r/min。故該系統具有較好的魯棒性，能夠滿足農用機械復雜的行駛環境要求。

4 結論

提出一種農用機械負載敏感分流驅動系統，并對該系統進行建模和仿真。仿真結果表明：該系統具有響應速度快和同步精度高的優點，在偏載啟動時，無論多路閥全開還是半開，液壓馬達均能在0.9 s內達到穩定轉速，液壓馬達轉速穩定后同步誤差小于2 r/min。該系統具有較好的魯棒性，當負載發生突變時，系統能在0.7 s內達到穩定的目標轉速。該系統能夠適應農用機械偏載啟動和負載突變的工況，滿足現代農用機械在行駛過程中所要求的高直線行駛性、高準確性，為現代農用機械底盤設計提供了理論指導。