聯合收割機通用型液壓割臺的設計與仿真

陳恒峰　郭輝　呂全貴　徐志強　高國民

摘要：隨著液壓傳動的大型聯合收割機在農業生產機械中使用比例的增大，液壓割臺將逐漸取代帶傳動的機械割臺，便于實現數字自動化控制；同時對割臺的通用性提出新要求，以便于快速換裝，實現一機多能的工作模式。對此，以新疆C-2收割機為基礎，設計一款獨立的通用型液壓割臺，通過對撥禾輪、攪龍、往復式切割器、撥禾輪支撐油缸進行工作分析，設計液壓回路、對液壓元件進行選型、建立AMESim模型仿真驗證等方面研究，為我國液壓割臺的設計發展提供基礎數據。

關鍵詞：通用型；獨立割臺；液壓回路設計；AMESim建模；仿真

中圖分類號： S225.3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0246-05

收稿日期：2017-04-14

基金項目：“十三五”國家重大科技創新項目（編號：2016YFD0701300、2016YFD0701303-03）。

作者簡介：陳恒峰（1988—），男，江蘇揚州人，碩士研究生，主要從事農業機械化研究。 E-mail：648391937@qq.com。

通信作者：郭 輝，博士，副教授，碩士生導師，主要從事農業自動化裝備。E-mail：gh97026@126.com。 隨著液壓技術的快速發展，越來越多的大型聯合收割機使用液壓傳動，以便實現數字自動化控制。收獲割臺作為大型聯合收割機的重要組成部分也隨著時間的推移從帶傳動的機械割臺逐漸升級為液壓割臺。我國地域廣闊、環境氣候優越，適合農作物的生長，因此農作物品種豐富、可一年多季收獲；為提高大型聯合收割機使用效率，實現一機多能的工作模式，必須設計一種通用型的聯合收割機，即對機械進行模塊設計，將液壓底盤設計成一種通用性很強的工作平臺，對收獲割臺根據農產品的不同收獲特點進行獨立設計[1]。

以新疆C-2收割機為基礎，通過對撥禾輪、攪龍、往復式切割器、撥禾輪支撐油缸進行工作分析，選擇以液壓馬達獨立推動撥禾輪、攪龍、往復式切割器且撥禾輪支撐油缸單獨回路連接的一款獨立的通用型谷物收獲液壓割臺，通過液壓換向閥對系統元件進行回路控制。相對于傳統的帶鏈輪連接機械割臺，使用液壓集成塊可以實現快速與液壓底盤的拆裝，提高工作效率；同時各元件之間傳動與控制相互獨立，可以針對不同的農作物、不同的生長環境提供最優化的工作參數，提高生產效率、降低損失、提高經濟效益。與此同時，操作人員可以根據實際的生產使用情況，對機械工作數據進行采集、計算、分析、優化，為發展新機型提供寶貴的實物資料[2]。

1 通用獨立液壓割臺的設計依據

撥禾輪、攪龍、往復式切割器選擇以液壓馬達獨立推動，撥禾輪支撐油缸單獨回路連接，使用液壓閥獨立單一控制各執行元件的通用型獨立液壓割臺，各工作執行元件參數見表1。

各液壓馬達適用范圍不僅滿足對應元件的工作速度，而

表1 新疆C-2型聯合收割機割臺元件參數

項目名稱 參數撥禾輪轉速25～39 r/min撥禾輪直徑1 000 mm 攪龍轉速244～256 r/min 攪龍直徑500 mm 往復式切割器轉速490～510 r/min 割臺工作幅寬2.36 m 撥禾輪支撐油缸YD25

且在工作時各執行機構負載變化時為其提供穩定動力。

2 通用獨立液壓割臺的設計方案

根據國內農業機械的工作系統壓力國家標準10～16 MPa，現確定工作系統額定壓力為10 MPa，最高16 MPa，此方案既可以滿足系統的技術要求，又不增加液壓件的采購成本。以新疆C-2型聯合收割機割臺元件參數為設計依據，結合液壓系統的工作原理及特點，選擇閉式靜液壓傳動方案[3]。其主要特點是結構簡單、安裝靈活、油箱體積小、工作效益高、工作能量損失小；其主要部件有工作泵、工作馬達、油缸、換向閥、補油泵、溢流閥；其中泵為系統動力元件，馬達、油缸為執行元件，電磁換向閥為控制元件，一起組成工作系統；補油泵與溢流閥組成補油系統，對系統損失進行補償的同時換油降溫，保證系統工作時油溫符合使用要求（圖1）。

液壓底盤通過液壓集成模塊接口與獨立割臺連接，使兩者之間的油路相通；壓力表觀察系統壓力，溢流閥保護系統安全，調速閥調整對應執行元器件的工作速度參數，使系統整體驅動功率不受負載影響而發生改變，保證液壓元件工作的穩定性；整個系統的控制過程可以由操作者直接調節與改變液壓閥的開關、旋轉變量完成，有利于在實際使用過程中尋找出最佳的工作參數、提高工作效益、降低作業損失。

3 割臺液壓系統的主要元件的計算與選型

3.1 撥禾輪

撥禾齒線速度V1為

V1=2πR×n160。

式中：V1為撥禾齒線速度，m/s；n1為撥禾輪轉速，r/min；R為撥禾輪半徑，m。

撥禾輪馬達工作載荷力矩Mg1和功率N1為

Mg1=F1×B×R；

N1=F1×B×V1×10-3。

式中：Mg1為撥禾輪馬達工作載荷力矩，N·m；N1為撥禾輪馬達工作載荷功率，kW；F1為撥禾輪單位長度撥禾阻力，N/m（一般為25～40 N/m）；B為割臺工作幅寬，m。

3.2 攪龍

工作載荷功率N2和載荷力矩Mg2的計算公式為

N2=Ug（Lη1+H）η2×10-3=U（Lη1+H）η2×10-2；

Mg2=9 550N2n2。

式中：N2為攪龍馬達工作載荷功率，kW；U為生產率，2 kg/s；g為重力加速度，m/s2；η1為阻力系數（取5）；L為割臺長度，m；H為作物提升高度，m；η2為校正系數，η2=10（由于攪龍在工作中堵塞纏繞時阻力會成倍增加，故校正系數η2取較大值10）；n2為攪龍轉速，r/min。endprint

3.3 切割器

工作載荷功率N3和載荷力矩Mg3；其中N3包括切割功率Ng與空轉功率Nk 2個部分，即：

N3=Ng+Nk=Vm×B×E0×10-3+Nk′×B；

Mg3=9 550N3/n3。

式中：N3為切割器工作載荷功率，kW；Ng為切割功率，kW；Nk為空轉功率，kW；B為割臺工作幅寬，m；Vm為收割機前進速度，m/s；E0為單位收獲面積的莖稈切割功，N·m/m2；Nk′為每米割幅需消耗的空轉功率，kW；n3為擺環箱轉速，r/min。

經測定：收割小麥時E0=100～200 N·m/m2，收割牧草時E0=200～300 N·m/m2。Nk為空轉功率，與切割器設計制造技術和割幅有關，一般每米割幅需消耗的空轉功率：Nk′=0.6～1.2 kW 。

馬達排量計算公式：

q=2×π×TWP1×ηm

式中：P1為液壓系統額定壓力；TW為液壓馬達扭矩；ηm為機械效率，取0.8。

根據計算公式與新疆C-2型聯合收割機割臺元件參數，選擇液壓馬達元件參數（表2、表3）。

3.4 液壓泵的選型

在選擇液壓元器件時，根據馬達所需流量確定泵的流量QP。

液壓馬達的排量q、轉速n和流量Q的關系為

Q=qn1 000。

式中：q為液壓馬達的排量，mL/r；n為液壓馬達的轉速，r/min；Q為液壓馬達的流量，L/min。

液壓泵（馬達）功率計算公式為

N=P×Q612。

式中：P為液壓馬達的工作壓力（1 MPa=10 kg/cm2）；N為液壓馬達的功率，kW。

液壓泵的最大工作壓力Pp

Pp≥p1+∑Δp

式中：p1為液壓缸或液壓馬達最大工作壓力；∑Δp為從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達入口之間總的管路損失。∑Δp的準確計算要待元件選定并繪出管路圖時才能進行，初算時可按經驗數據選取：管路簡單、流速不大的，取∑Δp=（0.2～0.5） MPa；管路復雜，進口有調閥的，取∑Δp=（0.5～15） MPa。

選擇工作系統最高工作壓力為16 MPa、額定工作壓力 10 MPa，帶入參數得額定工作壓力Pp=11.5 MPa；

多液壓缸或液壓馬達同時工作時，液壓泵的輸出流量應為

QP≥K（∑Qmax）。

式中：K為系統泄漏系數，一般取1.1～1.3；∑Qmax為同時動作的液壓缸或液壓馬達的最大總流量。

由于割臺正常收獲谷物時，撥禾輪支撐油缸處于靜止狀態，同時YD25型油缸工作油量小，因此不加入系統進行流量計算。根據新疆C-2型聯合收割機割臺元件參數、計算公式與系統特點：主泵的總流量=K×系統液壓馬達流量+輔助泵的流量（輔助泵的流量為系統中各馬達總流量的25%～30%，其作用是為系統補充流量的同時進行管路油液散熱）[4-5]。根據設計液壓原理并結合計算參數，優化系統后的馬達與泵的選型與工作實際參數見表4、表5。

4 割臺液壓系統的仿真研究

4.1 建立割臺液壓系統模型

根據泵與馬達、油缸受力的參數及系統圖形，設計使用AMESim液壓仿真軟件現有的液壓元件庫建立聯合收割機割臺液壓系統模型[6-9]、整體仿真模型（圖2）。閉式回路系統仿真模型（圖3）、單獨液壓馬達的仿真模型（圖4）、工作油缸的仿真模型（圖5）。

根據液壓系統整體仿真模型與符合液壓工作原理的計算結果，制定液壓仿真參數（表6），AMESim仿真時默認工作條件為理想工作環境，泵的輸出功率全部轉化為馬達的工作能量。

4.2 液壓割臺的仿真分析

將液壓系統仿真參數帶入模型仿真后，得到液壓執行元件撥禾輪馬達（圖6）、攪龍馬達（圖7）、往復切割器馬達（圖8）、帶負載液壓缸（圖9）的仿真工作結果。其中圖形中數值為負時，液壓馬達正常工作；數值為正時，液壓馬達為反轉。

由圖6可以看出，撥禾輪馬達在啟動開始時1～3 s振幅明顯；平穩工作后，撥禾輪馬達仿真工作結果流量值為2.574 L/min，設計流量為2.5 L/min；工作壓力最大值 9.5 MPa，設計額定壓力為10 MPa；正常工作轉矩范圍在49～93 N·m，過載保護時的工作轉矩為93～103 N·m，馬達的工作額定轉矩為95 N·m；馬達正常工作最高轉速為40 r/min，設計最高轉速為39 r/min。綜合上述的分析結果表明，撥禾輪馬達在仿真結果中的技術參數符合設計要求，滿足工作使用需求。

上述的分析結果表明，往復切割器馬達在仿真結果中的技術參數符合設計要求，滿足工作使用需求。

由圖9可以看出帶負載液壓缸的仿真工作結果，啟動開始時1 s振幅明顯；平穩工作后，油缸無桿腔仿真工作結果流量值為1.55 L/min，設計流量為1.5 L/min，有桿腔仿真工作結果流量值為1.86 L/min，設計流量為1.8 L/min；工作壓力最大值6 MPa，設計額定壓力為10 MPa，最高壓力16 MPa；油缸無桿腔仿真工作時油缸運行速度為5 cm/s，有桿腔仿真工作時油缸運行速度為6.5 cm/s，油缸在工作規定時間內完成伸縮要求行程為240 mm，且動作要求符合工作時液壓回路的慢進快退的急回特性。綜合上述的分析結果表明，負載液壓缸在仿真結果中的技術參數符合設計要求，滿足工作使用需求。

由圖6至圖8聯合分析可以發現，在Y型三位四通換向閥處于中位時，系統中液壓馬達可以實現停止馬達旋轉，泄壓保護，防止轉矩嚴重超載導致馬達損壞；在實際工作過程中可以在撥禾輪、攪龍、往復切割器卡死時對工作回路進行泄壓保護，同時在撥禾輪、攪龍實現正反轉切換時減小液壓對馬達的沖擊，保證液壓系統工作的穩定性，延長執行元件與控制元件的使用壽命。

綜合分析上述觀點，仿真參數結果與設計參數相吻合，因此液壓系統中的各個參數滿足設計與工作要求。

5 結論

在設計完成液壓割臺的工作參數后，使用AMESim對液壓系統進行建模與參數仿真，可以直觀地觀察分析仿真結果，發現存在的問題與缺陷，便于進一步的產品優化升級，縮短產品的研發周期，提高經濟效益。同時，仿真結果在驗證系統參數合理性的同時，為產品的生產與改進提供充分的理論依據，保證實際工作中產品系統的穩定性。

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