基于AMESim的小型葉菜收割機液壓系統仿真分析

摘要：

針對現有葉菜收割機的割臺和轉向液壓系統使用有待發展的問題，根據我國收割機實際使用需求，設計一種小型葉菜收割機液壓傳動系統，包括割臺升降和前輪轉向控制。對液壓系統中執行元件、液壓泵等主要元件進行選型，對液壓缸的負載力、系統流量進行數值計算，并利用AMESim軟件對液壓系統進行建模，分析不同排量的液壓泵對割臺和轉向液壓缸工作情況的影響，確定選用3.3mL/r的液壓泵。分析定負載、變負載工況下割臺液壓缸的動態特性。研究結果表明：采用3.3mL/r排量的液壓泵，割臺液壓缸可以在3s內達到最大行程，轉向液壓缸可以在6s從初始位置達到最大行程，在變負載條件下，割臺液壓缸與定負載工況達到最大位移時間相差在1s以內，滿足使用需求。

關鍵詞：葉菜收割機；液壓系統；AMESim仿真；液壓泵；割臺

中圖分類號：S225.92； TH137

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 01-0061-06

Simulation analysis on hydraulic system of a small leaf harvester based on AMESim

Ji Ce¹， Lu Guan¹， Zhang Xuewen¹， Wu Yipeng²， Chen Hua²， Li Jialin¹

（1. School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong， 226019， China；

2. Nantong Shengli Electromechanical Technology Co.， Ltd.， Nantong， 226007， China）

Abstract：

Aiming at the problems of the cutting table and steering hydraulic system of the existing leaf vegetable harvester， a small hydraulic transmission system of the leaf vegetable harvester was designed according to the actual use of harvesters in our country， including the harvester，s lift of the cutting table and the steering control of the front wheel. The main components of the hydraulic system， such as the actuator and hydraulic pump， were selected. The load force and system flow of the hydraulic cylinder were numerically calculated， and the hydraulic system was modeled by AMESim software. The influence of hydraulic pumps with different displacements on the working conditions of the cutting table and the steering hydraulic cylinder was analyzed， and the 3.3mL/r hydraulic pump was selected. Then， the dynamic characteristics of the hydraulic cylinder under constant load and variable load conditions were analyzed. The research results show that： with a 3.3mL/r displacement hydraulic pump， the cutting table hydraulic cylinder can reach the maximum stroke in 3s， and the steering hydraulic cylinder can reach the maximum stroke in 6s from the initial position. Under the variable load condition， the maximum displacement time difference between the cutting table hydraulic cylinder and the fixed load condition is within 1s， which can meet the users，"requirements.

Keywords：

leaf vegetable harvester; hydraulic system; AMESim simulation; hydraulic pump; cutting table

0"引言

我國的葉菜產需量較大，品種較為豐富，出口量也逐年增長^［1］。但國內葉菜種植面臨的問題在于機械化采收不夠完善和成熟，由于我國葉菜種植品種繁多，且不同葉菜的種植密度、種植模式和生長特性等差異明顯^［2］，因此，很多的葉菜種類，例如雞毛菜、生菜、上海青等基本依靠人工來進行采收^［3］。所以，發展葉菜收割機械對提高葉菜生產效率和產量有著十分重要的意義^［4］。

葉菜收獲中存在的問題主要在于收割機的割臺高度控制和行走控制。葉菜的不帶根收獲需要利用割臺前端的割刀緊貼土壤對葉菜根部進行切割，但葉菜的葉片比較柔軟且容易破損，要減少葉菜收割時的損失率就要對割臺高度進行有效控制。據統計，在葉菜收獲過程中，由于割臺高度調整不當所導致的損耗約有75％^［5］。葉菜種植的田間地形和種植情況較為復雜，存在小規模種植和分布零散的現象，還有在大棚等狹小空間使用收割機的場景，所以對收割機割臺升降和轉向及其響應速度有一定的要求^［6］。液壓系統的使用可以有效地解決以上問題，利用液壓系統響應快，運行穩定等特點可以滿足復雜的使用環境要求。

液壓系統的應用是農業機械的發展趨勢之一，在農業機械中的應用越來越廣泛，也更具優越性。與傳統的機械傳動相比，液壓傳動的功率質量比大，故障率低，響應速度快且維護較為方便^［7］。國外的一些先進的聯合收割機在行走系統、撥禾輪驅動、割臺升降系統等結構中都使用了液壓驅動^［8］。意大利的SLIDE FW型葉菜收割機^［9］，采用了仿形機構對割臺進行控制，執行元件為液壓缸。美國的8010系列聯合收割機的割臺帶有浮動割刀，將割臺的進給量與行進速度進行反饋調節^［10］。德國的E516型收割機使用了全液壓四輪驅動，通過液壓馬達帶動行走輪，有效地增加了牽引力。Nang等^［11］設計了一種卷心菜收割機，利用液壓推桿對切割組件進行高度控制。

相比于國外的農機行業，我國的農業機械自動化、智能化水平還有一定的差距。增加液壓技術的應用范圍并將液壓與控制結合可以為我國農業機械的智能化發展奠定基礎。我國現有的葉菜收割機割臺升降方式主要有電力驅動的電推桿和手動調節的旋轉推桿^［12］，但電力驅動在大面積戶外作業時續航方面有所不足，機械傳動則在操作方面不夠便捷。液壓轉向系統在拖拉機和聯合收割機中較為常見，可以簡化機械結構，響應較為迅速^［13］。大型收割機中液壓的使用主要是在割臺升降、撥禾等需要方便調速和運行穩定的結構^［14］，但小型葉菜收割機仍以電力驅動為主，液壓系統的使用還有待發展。

針對以上的問題，設計一套能夠滿足小型收割機的液壓系統，將收割機割臺升降及前輪轉向整合進同一個液壓系統進行控制。元件占用較小的體積便可獲得足夠的工作力矩，并且可以防止系統過載，使葉菜收割可以更加適應復雜的工作環境，使用范圍更廣，生產效率更高。

1"收割機液壓系統

1.1"收割機結構

自走型葉菜收割機結構如圖1所示，主要由機架、割臺、行走裝置和液壓電氣控制系統組成。

割刀臺架位于收割機中底盤與機架之間，割臺末端由一個球頭關節軸承與機架進行連接，可以做到上下移動和左右傾斜運動。割臺寬度為1.5m，左右兩側分別有一個傾斜安裝的液壓缸對割臺進行升降控制。液壓和電氣控制系統置于機器后方的工作臺下，整體結構緊湊，充分考慮了收割機尺寸對整體結構布置的影響。

工作時，割臺在左右兩個液壓缸的控制下按照實際需要進行高度調節，通過割臺的起降控制割臺前方割刀的高度。割刀在對葉菜進行收割后會直接落在割臺的傳送帶上，通過傳送落入收割機后方的收集筐中。割臺高度既可以由人工進行手動控制，也可以通過割臺下方的地面仿形機構傳輸信號來進行自動高度調節。

該收割機的行走方式選用輪胎形式，行走裝置通過螺栓與機架進行連接，由電機驅動后輪前進。轉向液壓系統的工作元件為一個雙作用液壓缸，液壓缸放置于懸架結構的中間，通過連接兩個萬象連桿控制前輪左右轉動以進行方向控制。

1.2"收割機液壓系統工作原理

收割機液壓系統如圖2所示。

該液壓系統主要由割臺升降控制回路和轉向回路組成，工作系統包括液壓泵、油箱、過濾器、溢流閥、換向閥、液壓缸等元件。在對各個元件的流量需求和工作狀況進行考慮后，整個液壓系統采用一臺液壓泵供油，系統的執行元件是兩個割臺液壓缸和一個轉向液壓缸。其中電磁換向閥1和電磁換向閥2分別控制兩個割臺油缸的運動，換向閥3控制轉向油缸的運動。

收割機工作時，換向閥1、2接收控制系統的電信號控制割臺油缸同時工作或分別工作。在割臺油缸工作的同時，轉向油缸在收割機需要轉向時也會由換向閥3控制進行工作。

2"收割機液壓系統元件計算

液壓系統設計首先要對液壓系統進行系統壓力的選定，該葉菜收割機為小型農機裝備，負載較小，液壓系統并不復雜，如果選用過大的系統壓力會對液壓元件使用的材料和精度有一定的要求。一般農用機械的工作壓力范圍為10～16MPa^［15］，本文中的葉菜收割機的系統壓力選用10MPa。

2.1"液壓缸主要參數計算

割臺油缸的負載包括割臺的自重和割臺工作時落在割臺傳送帶上的葉菜及泥土等重量。割臺的兩個液壓缸，安裝在割臺的左右兩側，與地面有一定的安裝角度。計算割臺油缸負載，需要根據割臺的安裝角度對割臺的油缸進行受力分析。割臺油缸工作時的角度為45°，兩個割臺油缸的總負載F設為4000N。則兩個割臺油缸同時工作時，單個液壓缸在豎直方向上所受到的負載力計算如式（1）所示。

Fy=12F

（1）

因為割臺油缸是傾斜45°安裝，則單個液壓缸實際的負載力計算如式（2）所示。

F₁=Fycosα

（2）

式中：

α——油缸傾斜角度。

代入數據得出單個油缸的負載力為2828.43 N。

根據液壓缸的負載力可以計算選取合適的液壓缸缸徑。割臺液壓缸無桿腔的有效面積計算公式如式（3）所示^［16］。

A₁=1P₁Fηcm+P₂A₂

（3）

式中：

A1——

割臺油缸無桿腔工作面有效面積，mm²；

A2——

割臺油缸有桿腔有效面積，mm²；

P1——系統壓強，MPa；

P2——回油背壓，MPa；

ηcm——該系統的機械效率。

因為割臺自重較大，為了防止割臺下落時速度過快，液壓缸需要有一定的回油背壓。在割臺液壓回路中，取割臺油缸的背壓為0.2MPa。取液壓缸的機械效率ηcm為0.95，實際工作中需要進退速比相同，取A1=2A2。根據無桿腔的有效面積計算缸徑

D=4A₁π

（4）

式中：

D——液壓缸內徑，mm。

把相關參數代入式（4）計算，根據標準GB/T 2348—2018《流體傳動系統及元件 缸徑及活塞桿直徑》，將割臺液壓缸內徑圓整為40mm，工作行程150mm。

轉向液壓缸的負載主要是轉向時受到的阻力作用，收割機的工作環境一般為農田，阻力較大，計算時取200N，計算后得到轉向液壓缸內徑，根據標準圓整為50mm，工作行程為105mm。

2.2"系統所需流量

液壓缸工作時所需要的流量計算如式（5）和式（6）所示^［17］。

v=St

（5）

q=vA

（6）

式中：

v——油缸工作速度，m/s；

S——油缸最大行程，m；

t——走完最大行程所需要的時間，s；

q——油缸工作時所需流量，L/min；

A——油缸工作面的總有效面積，mm²。

將割臺液壓缸和轉向液壓缸工作時走完全程所需要的時間代入計算公式，計算得出3個液壓缸同時工作時所需要的流量至少為9.54L/min。

2.3"液壓泵的設計與計算

根據液壓系統的最大流量，即3個液壓缸同時工作時所需要的流量計算液壓泵所需的最小排量計算如式（7）所示。

Vmin=Qmaxn

（7）

式中：

Qmax——系統所需最大流量，L/min；

n——液壓泵的轉速，r/min。

代入數據得出最小排量為2.73mL/r，根據計算結果選用合適的液壓泵規格，葉菜收割機最終選用的液壓泵參數如表1所示。

3"AMESim建模與仿真結果分析

3.1"AMESim建模

在經過液壓系統元件的計算和選型后，為了研究選定的液壓元件是否能夠滿足收割機實際工作時的使用要求，根據設計的液壓系統在AMESim中搭建出葉菜收割機液壓系統的仿真模型，如圖3所示，并對不影響仿真結果的部分進行簡化。回路中的換向閥由信號源控制，模擬實際中的控制信號。液壓缸的負載力由常值信號的數值給定。

3.2"建模的仿真結果分析

為了驗證建模的正確性與系統計算的合理性，按照計算得到的參數在AMESim中進行參數設置，收割機液壓系統中各元件所設置的參數如表2所示。

3.2.1"割臺油缸仿真結果

割臺采用單作用液壓缸控制，下降過程會受到一部分割臺自重的影響，為了防止割臺升降速度過快對機器造成損傷，需要根據收割機實際使用需求，使割臺油缸達到最大行程的時間控制在3 s左右。左右兩側的油缸位移曲線仿真結果如圖4所示，在0～3 s為割臺上升階段，兩液壓缸勻速運行，在2.6s時達到最大位移150mm。3～6s為割臺下降階段，從曲線看出割臺運行較上升階段有所放緩，3.2s時開始響應，從最大位移處向初始位置移動，在5.9s時油缸完全回到初始位置。

割臺油缸速度曲線如圖5所示。割臺抬升階段，兩個割臺油缸的速度在0.2s內達到最大，并基本穩定在0.058m/s左右，曲線圖表明液壓缸的上升階段十分平穩；下降階段由于割臺自重以及外負載等作用，割臺液壓缸無桿腔壓力突然增大，出油口的單向節流閥工作，調節出油口流量，使割臺不至于下落過快。割臺油缸在0.8s左右達到了穩定速度，約為0.057m/s，在5.8s時割臺達到最大位移處，速度降為0。液壓系統整體上沒有較大的速度波動，整體運行平穩，運行狀況符合設計要求。

3.2.2"轉向油缸分析

轉向油缸根據轉向時間所需，活塞從初始位置運動到最大位移處的時間控制在3 s左右。轉向油缸的位移曲線仿真結果如圖6所示，初始位置設置為轉向油缸的最左側，在0～3 s轉向油缸向最大位移方向運行，在2.6s時達到最大位移210mm。3 s開始油缸向初始位置運動，在5.7s時回到初始位置，速度與朝最大位移處位移時的速度基本相同。轉向油缸的位移情況說明，轉向回路的工作狀態穩定，能夠在3 s時間內完成轉向。

轉向油缸的速度曲線如圖7所示，在運行初始階段，速度有些許波動，在0.2s后速度開始基本穩定在0.8m/s。轉向油缸從最大位移處回到初始位置階段，在前0.5s由于流量變化速度也產生了較大的波動，在0.5s后速度基本穩定在0.8m/s，整體運行較為平穩。

3.3"不同排量的液壓泵對液壓缸的影響

液壓泵的排量對系統的穩定性和工作狀況有一定的影響，為了探究液壓泵排量對該收割機液壓系統的影響，在AMESim將液壓泵設置不同的排量，分別為2.8mL/r、3.3mL/r和4mL/r。這幾種排量下的割臺油缸位移曲線如圖8所示，當排量為2.8mL/r時，油缸位移明顯不足以達到最大行程位置；當排量為4mL/r時，割臺油缸響應速度最快，但由于泵的排量增加導致系統壓力上升，在1.8s左右就達到了最大位移處，不利于割臺的控制；當排量為3.3mL/r時，液壓缸前進時間和回退時間基本相同，且可以在3 s內達到最大行程處。由此可知，雖然液壓泵的排量為2.8mL/r和4mL/r時可以滿足系統的計算要求，但是對于實際運行時3.3mL/r的液壓泵運行效果最佳，最符合該收割機所需要的設計要求。

圖9是轉向液壓缸在不同的泵排量情況下的位移曲線圖，與割臺液壓缸情況相同，在2.8mL/r時未達到最大行程處，3.3mL/r與4mL/r時的位移均可以滿足轉向油缸的使用要求，綜合割臺液壓缸在不同排量時的行程情況，最終應該選用排量為3.3mL/r的液壓泵。

3.4"變負載工況割臺油缸特性分析

收割機在工作過程中負載不是一成不變的，實際收割狀況有很多變化的情況。割臺負載變化通常會根據收獲的葉菜重量而改變。在AMESim中將割臺油缸的負載信號設置為隨時間變化的變量，信號變化如圖10所示，負載在6s內從200kg變化到400kg，從而模擬出負載變化情況下的割臺油缸位移情況。圖11為割臺油缸的位移曲線圖，在負載變化的情況下，割臺在2.6s的時間里走完了整個行程，在下降過程中，由于負載的增加，使割臺重量加重，回到初始位置的時間較定負載條件時有所減少，在5.6s時活塞回到初始位置。工作狀態并沒有較大的改變，走完全部行程所用的時間也在合理的范圍之內。

4"結論

根據葉菜收割機實際需要設計一套液壓系統，分析其工作原理，并進行理論計算。利用仿真軟件AMESim搭建出仿真模型。仿真分析葉菜收割機液壓驅動系統在割臺同步運行以及割臺油缸和轉向油缸同時工作下的動態特性。

1） 系統壓力為10MPa時，兩液壓缸同時工作的總工作載荷約為4000 N，即載重約400kg。割臺液壓油缸的缸徑選用40mm，可以滿足割臺承重要求。轉向液壓缸根據轉向時所受的阻力選用50mm缸徑的雙活塞桿液壓缸，可以滿足收割機轉向和行駛要求。

2） 根據3個液壓缸所需要的流量計算出系統所需的最大流量，從而選取出合適排量的液壓泵，即3.3mL/r的液壓泵，并通過數值計算對系統的其他液壓元件進行選型。

3） 對該收割機液壓系統進行AMESim仿真模擬，對割臺液壓缸和轉向液壓缸的位移和速度進行分析。割臺可以在3 s內完成整個行程的起降，該系統設計能夠達到預期的使用要求，響應迅速，工作穩定。

4） 在變負載條件下對兩割臺液壓缸的工作狀態進行了模擬分析。在變負載條件下對割臺油缸的行程情況與普通工況下進行對比，結果表明，該系統在變負載條件下仍可以保持較為穩定的工作狀態，與定負載條件相比達到最大行程的時間相差1 s以內，可以滿足實際的使用需求，位移情況在合理的范圍內。

以上仿真結果證明，采用3.3mL/r排量的液壓泵，割臺液壓缸可以在3 s內達到最大行程，轉向液壓缸可以在6s從初始位置達到最大行程，在變負載條件下，割臺液壓缸與定負載工況達到最大位移時間相差在1 s內，滿足使用需求，割臺油缸運行平穩，響應時間迅速，流量較為穩定，同時工作時同步性能較好。轉向油缸可以在規定時間內完成轉向工作，并且運行速度較為均勻，運行穩定，可以應用于田間生產。通過液壓傳動技術的應用，收獲機械的穩定性和靈活性可以得到進一步的提升。

參"考"文"獻

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