馬鈴薯聯合收獲機清潔裝置液壓系統設計與閥控液壓馬達數學建模

張童等

摘要：為了解決傳統馬鈴薯輥式聯合收獲機液壓馬達驅動清潔滾筒易停轉的問題，提升收獲機的工作效率、工作穩定性、經濟性，以4UL-2型收獲機為研究對象，在深入剖析清潔裝置的結構和工作原理的基礎上，設計了全新的伺服閥控液壓馬達調速換向系統。對閥控液壓馬達動力機構的傳遞函數進行了推導，對速度控制系統進行了數學建模并最終確立了該系統中各元件的參數值。

關鍵詞：清潔裝置；系統設計；數學建模；傳遞函數

中圖分類號： S225.7+1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0444-04

馬鈴薯具有產量高、經濟效益好、環境適應能力強等優點，目前我國馬鈴薯的種植面積和鮮薯產量均居世界首位。內蒙古自治區地域遼闊，土壤肥沃，全區種植馬鈴薯面積多達9 300萬hm2，占全國的18%[1-2]。使用馬鈴薯收獲機，不僅可減輕勞動強度，而且可提高收獲效率、縮短收獲時間，降低成本。近些年，我國馬鈴薯收獲機發展迅速，典型機型有 4M-2 型，4UFD-1400型等[3-4]。但由于我國馬鈴薯種植地況的復雜性，現有機型均難以完全滿足收獲需求，特別是馬鈴薯清潔裝置易被硬物卡死不能及時反轉的現象尤為突出。對4UL-2型馬鈴薯收獲機清潔裝置存在反轉卡死的現象進行研究，設計了新的伺服閥控制液壓馬達的伺服控制回路，有效地解決了液壓系統工作不穩定的問題，對提高收獲機的收獲效率及加快馬鈴薯產業的發展具有重要意義。

1清潔裝置的工作原理及不足

薯塊清潔裝置是清潔初收獲薯塊表面泥土、雜質的裝置，是馬鈴薯聯合收獲機的關鍵組成部分。該裝置結構如圖1所示，由圓柱滾筒、螺旋滾筒、擋板、液壓馬達、支撐板、變速箱組6個部分組成。在工作過程中，液壓馬達通過增速變速箱組驅動由圓柱滾筒和螺旋滾筒組成的橡膠清潔滾筒，帶動薯塊進行旋轉、摩擦，從而實現薯塊及其表面泥土的分離。薯塊清潔滾筒的間隙為12 mm，狹小的滾筒間隙不僅可以避免薯塊從滾筒間脫落，而且可避免泥土等雜質的堆積[1]。

4UL-2型馬鈴薯收獲機正常工作狀態可高效地實現馬鈴薯地收獲，但在內蒙古很多種植區土壤中存在大量不規則石子，當其徑向尺寸大于12 mm時，經常會出現石子阻止清潔滾筒轉動的現象，使滾筒的轉速降低、割傷橡膠層，甚至清潔滾筒會完全被石子卡住。此時，馬達進油管路中油壓迅速升高，壓力繼電器應該快速根據油壓作出響應，實現馬達反轉，但實際工作中壓力繼電器常常不能快速準確地對液壓馬達停轉時進油管路中的高壓油作出反應，使溢流閥不能及時卸荷，這就容易造成液壓系統壓力過高甚至損壞[1，5]。

2液壓系統設計

為了解決上述缺陷，需要研究一種新的液壓馬達自動換向系統，實現動態的液壓馬達轉速檢測及反饋，使液壓馬達可快速進行轉向切換，從而實現收獲機清潔裝置持續穩定的工作。為此設計圖2所示的馬鈴薯收獲機清潔裝置液壓系統，該液壓系統主要由2個部分組成，右半部分為原有的普通液壓馬達換向系統，一般不工作；左半部分是設計的全新液壓伺服調速系統。

該系統的工作原理如下：左側系統：收獲機在作業中由發動機功率為70 kW的拖拉機進行牽引，油箱18中的液壓油經吸油過濾器1過濾后進入由輸出軸驅動的定量液壓泵2，使低壓液壓油變為工作所需的高壓液壓油。高壓液壓油經過高壓過濾器8，將液壓油中的雜質進一步過濾，保證更加清潔的液壓油進入到伺服閥10，高壓液壓油經過二位四通電磁閥11的左腔，進而驅動液壓馬達12實現正轉。當清潔滾筒被不規則石子卡住時，液壓馬達將停轉，這時檢測清潔滾筒轉速的測速機將檢測到的速度信號與給定的指令信號比較，實現伺服閥閥芯位置的移動，液壓油從伺服閥的右腔流入，從而實現液壓馬達的反轉及清潔滾筒的換向工作，保證了清潔裝置的正常運行。該系統中其他元件還有單向閥5，可以防止收獲機停車時發生清潔裝置液壓系統液壓油倒流，對液壓馬達及清潔滾起到制動作用；蓄能器7可以對整個液壓系統多余的液壓能實現儲存，當蓄能器儲能飽和后，系統的壓力升高，這時壓力繼電器6得電使二位二通電磁閥4動作，進而使卸荷溢流閥3卸去多余的液壓能，實現整個液壓系統的恒壓工作。

右側系統：當伺服調速換向系統不能正常工作時，手動按下二位二通電磁閥9和二位四通電磁閥11動作的按鈕，實現閥芯移動，切換到液壓系統原理圖的右半部分，保證清潔裝置中的清潔滾筒按照原有收獲機的液壓系統正常工作。壓力表15對供油壓力實時監控，當清潔滾筒被石子卡住使得液壓馬達供油壓力顯著升高后，這時壓力繼電器16得電使換向優先閥13動作，保證清潔裝置中驅動清潔滾筒的液壓馬達反轉，實現清潔裝置正常運行。卸荷優先閥14的主要作用是對流經液壓馬達換向系統中的液壓油實現恒壓，回油過濾器17對整個液壓系統的回油作過濾除雜。

3控制系統原理分析

伺服閥控液壓馬達是上述液壓系統的核心，因此有必要對其控制系統進行原理分析。伺服閥控液壓馬達的原理如圖3所示，它由伺服放大器、電液伺服閥、液壓馬達、測速機等組成。測速機作為清潔裝置液壓控制系統的反饋檢測元件，用于控制液壓馬達驅動清潔滾筒的轉速，使之按照給定的指令信號變化，利用測速機的測速軸與清潔裝置中清潔滾筒軸相連接，將檢測到的速度信號與指令信號差（誤差信號）經伺服放大器進行功率放大，產生的電流控制電液伺服閥閥芯的位置，電液伺服閥輸出壓力油驅動液壓馬達，帶動清潔滾筒旋轉。

根據閥控液壓馬達速度伺服系統原理中給出的清潔滾筒換向控制方案，閥控液壓馬達速度伺服控制系統方框圖（圖4）更加簡明地描述了清潔裝置中清潔滾筒的換向工作流程，為液壓系統的數學建模及參數確定奠定基礎[1]。

4閥控液壓馬達數學建模

4.1閥控液壓馬達動力機構傳遞函數的推導

閥控液壓馬達的傳遞函數是根據液壓控制閥的流量方程、液壓馬達的流量連續性方程、液壓馬達與負載的力平衡方程這3個基本方程推導出來的。endprint

假定：控制零開口四邊滑閥的4個節流窗口是匹配對稱的，供油壓力Ps恒定，回油壓力P0為零。閥的線性化流量方程為：

qL=KqXv-KcPL 。（1）

式中：qL為負載流量，m3/s；Kq為流量增益，m3/（s·m）；Kc為流量-壓力系數，m3/（s·Pa）；Xv為閥芯位移，m；PL為負載壓力。

假定：閥與液壓馬達的連接管道對稱且短而粗，忽略管道中的壓力損失和管道動態；馬達工作腔內各處的壓力相等，油溫、體積彈性模量為常數；液壓馬達內、外泄漏均為層流動。根據進入液壓馬達進油腔的流量q1和回油腔中流出的流量q2以及液壓馬達2個工作腔的容積V1、V2，可得出流量連續性方程，經合理的簡化后該方程為：

則速度傳感器增益 Kf=0.19 V/（rad/s）。測速機傳動比為in=3。伺服放大器增益參數Ka=0.14。

利用MATLAB軟件對以上參數進行仿真，結果顯示控制系統信號的響應時間不大于0.1 s，且波動不超過5%，因此設計的液壓控制系統能夠滿足給定的性能指標。

5結論

本研究在原有4UL-2型馬鈴薯聯合收獲機清潔裝置液壓系統的基礎上，設計全新的閥控液壓馬達調速換向系統，能夠有效解決液壓馬達的停轉問題，在提高收獲機收獲效率的基礎上，也保護了清潔裝置中的液壓系統。對閥控液壓馬達動力機構的傳遞函數進行了推導，對速度控制系統進行了數學建模，并最終確立了系統中各元件的參數值，且這些參數值滿足新設計的液壓系統的性能指標。

參考文獻：

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