小型甘蔗收獲機切梢裝置液壓系統的設計及試驗

麻芳蘭，林亞洲，董 超，申 科，蔡 力，高建立

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

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小型甘蔗收獲機切梢裝置液壓系統的設計及試驗

麻芳蘭，林亞洲，董 超，申 科，蔡 力，高建立

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

針對蔗梢在榨糖過程中會降低甘蔗的出糖率，以及蔗梢部分進入甘蔗收割機物流系統不利于物流系統的正常運轉、堵塞物流通道等問題，在原有物理樣機上加裝切梢裝置。通過對切梢裝置運動要求的分析，設計了切梢裝置的液壓傳動系統，并用AMESim軟件對系統進行了建模仿真分析；同時,試驗分析了切梢裝置馬達的動態特性，并得到馬達在不同狀態下的動態特性變化，驗證了方案的可行性；最后,通過田間試驗測試了切梢裝置液壓系統流量及壓力的變化，并獲得了其在田間實際工作時消耗的功率。

甘蔗收獲機；切梢裝置；AMEsim；液壓系統

0 引言

甘蔗的蔗梢部分含糖量較低，還會在榨糖過程中吸收糖液隨蔗渣及廢物一起排出，降低出糖率[1]。含有蔗葉的蔗梢進入物流通道，會增加物流通道的壓力，加劇物流通道的堵塞情況，同時還會影響剝葉效果，增加含雜率[2]。采用人工去頂的方法可行，但勞動量大，花費時間多且成本高[3-4]。

國內外專家通過大量試驗和理論研究，在甘蔗收獲系統及機具方面取得豐碩成果[5-13]。Michel L H[14]設計了一種全新的甘蔗切梢器，包括框架、對割刀片和與框架可樞轉地連接的偏轉刀片。黎家金[15]探索了甘蔗收割機研制問題，發現國產機切梢裝置不能靈活且快捷地調節到合適切割位置。羅廣詞[16]提出運用成熟的自動控制技術(如計算機視覺識別技術)來降低切梢損失率。梁偉[17]研究了甘蔗收割機發展現狀，并指出提高蔗梢識別率和控制切梢精度的趨勢是采用雙圓盤刀并且增加雙傳動錐輥。

本文從實現甘蔗的切梢及提高甘蔗的物流通過率出發，以本課題組研發的小型整桿式甘蔗收獲機為研究對象，為其加裝切梢裝置。通過對切梢裝置運動要求的分析，進行液壓系統的理論設計，然后利用AMESim軟件對設計的液壓系統進行建模仿真，從而驗證設計方案的可行性。通過田間試驗對物理樣機切梢裝置馬達動態特性的測試分析，能夠進一步證明設計是否合理，以期為小型甘蔗收獲機的設計提供了理論依據及技術支持。

1 切梢裝置構成分析及動作要求

本課題組研發的小型整桿式甘蔗收割機如圖1所示。原機并沒有裝備切梢裝置，這為物流通道及剝葉程序增加了壓力，收獲機經常會發生堵塞的情況。為原樣機加裝一套切梢裝置，要充分了解切梢裝置的構成情況及動作要求。

1.壓蔗桿 2.提升缸 3.切割器 4、5.喂入輥 6、7.輸送輥

本文所設計的甘蔗切梢裝置由兩個旋轉方向相反的圓盤切割器組成，位于駕駛室前部上方，能夠使切除的蔗梢頂端部分掉落到兩邊的壟溝里。經過田間實地測量發現：甘蔗高矮不一，要得到合適的切梢長度，切割臺必須可以上下垂直調節。因此，切梢裝置至少得滿足3種類型的運動：切割器正反轉運動、切割器轉動且升降臺上下調節同步運動、切割臺上下調節運動。切割器的正反轉可以由兩個液壓馬達來帶動，切割臺的上下調節運動則可通過一個一定行程的液壓缸來實現。液壓系統構成圖如圖2所示。

圖2 甘蔗切梢裝置的液壓系統構成圖

cane top cutting device

2 切梢裝置液壓系統設計

切梢裝置液壓系統不僅要實現切割的復合運動，還必須考慮速度調節控制、卸荷控制、鎖緊控制及制動控制的設計。

2.1 馬達調速方案

鑒于切梢裝置馬達并沒有大功率的要求，切梢裝置的馬達調速方案宜采用中小功率的節流調速回路。節流調速回路一般有3種：進油口節流調速回路、出油口節流調速回路及旁路節流調速回路。其中，進油口節流調速回路多用于速度剛性要求不高和輕載的回路；出油口節流調速回路由于節流閥安裝在出油口，對執行元件有背壓效果，速度穩定性好，多用于負載變化大的系統中；旁路節流調速回路是將節流閥安裝于旁路來調節油路的流量，速度負載特性較差，但效率較高，適用于調速范圍小的高速重載液壓系統。綜合考慮系統的速度特性、經濟實用性，調速方案選擇采用溢流節流閥的節流調速回路。此方案速度穩定性高，系統發熱小，且在功率的運用上較為合理，如圖3所示。

圖3 溢流節流閥的節流調速回路

2.2 馬達制動方案

切梢裝置擁有能夠實現正反裝的兩個馬達，所以制動回路要對兩馬達實現雙向制動，采用溢流閥的制動回路可以實現，如圖4所示。制動回路的運用旨在對油路中的異常高壓做出迅速反應，達到減少沖擊和縮短制動時間的效果。圖4中的制動回路是在馬達的兩側回路上設置小型直動式溢流閥，與單向閥形成并聯關系，能夠達到制動效果。如換向閥向左換向，系統壓力會增加，當壓力超過左側溢流閥壓力，溢流閥會打開，對液壓沖擊起到緩和作用，右側的單向閥則起到補油的作用。兩側的溢流閥的調定壓力值一般要比主油路上的溢流閥壓力值高5%～10%。

圖4 切梢裝置馬達制動方案

2.3 切梢裝置卸荷回路

甘蔗收割機的整機液壓系統由多個泵同時工作來帶動，這些泵則由發動機通過分動箱驅動。頻繁的啟動停止會影響泵的使用壽命，液壓泵要連續工作就必須考慮卸荷，使液壓泵輸出的流量在壓力低的情況下流回油箱，降低系統發熱。此裝置采用換向閥中位機能的卸荷回路，能夠滿足使用要求，如圖5所示。

圖5 換向閥中位機能卸荷回路

2.4 液壓缸鎖緊控制

要使切梢裝置液壓缸在行程內任意位置停止且不出現上下竄動的現象，就必須使用鎖緊回路。收割機在田間行駛時會出現大幅度的晃動，在自身質量以及晃動的雙重作用下，液壓系統會產生液壓沖擊，為避免切梢裝置超速下滑，在液壓提升回路運用雙向液壓鎖雙向鎖緊。升降裝置液壓系統如圖6所示。

1.液壓泵 2.安全閥 3.換向閥 4.雙向液壓鎖 5.切梢裝置升降液壓缸

2.5 切梢裝置液壓系統

切梢裝置切割器的液壓系統由馬達調速回路、制動回路和卸荷回路整合而成，如圖7所示。

1.液壓泵 2.安全閥 3.換向閥 4.溢流節流閥 5.切梢裝置馬達

此方案速度剛性好，制動靈敏，中位機能的卸荷回路能很好地降低系統發熱，滿足使用的要求。切梢裝置位于駕駛臺的前部上方，如圖8所示。

1.甘蔗 2.扶分蔗葉裝置 3.切梢裝置

3 切梢裝置液壓系統仿真分析

3.1 切梢裝置馬達液壓系統建模

根據前文得出的切削液壓系統設計圖，在AMEsim平臺對切梢裝置馬達系統和提升系統建模，如圖9、圖10所示。

圖9 切梢裝置馬達液壓系統仿真模型

圖10 切梢裝置提升液壓系統仿真模型

3.2 參數設置

根據課題組相關文獻[18]，切頂時切割器轉矩為17.2N·m，工作壓力為6MPa，轉速為1 000r/min,切頂效果較好。由理論計算得到主要元件的參數，計算公式為

q=P×60/p

(1)

v=q×1000/n

(2)

(3)

其中，q為流量(L/min)；V為排量(mL/r)；T為轉矩(N·m)；p為壓力(MPa)；n為轉速(r/min)；P為功率(W)；W為角速度(rad/s)。

參數設置如表1所示。

表1 切梢裝置技術參數

3.3 仿真結果與分析

3.3.1 切梢裝置馬達液壓系統動態特性分析

設置仿真時間20s，馬達先空載運行10s，然后施加負載，可以觀察到馬達動態特性的變化，如圖11～圖14所示。設置由空載狀態變為負載情況下的仿真參數，應該根據在有負載的情況下馬達實際可以輸出的轉矩，利用分段信號源參數來設置。

圖11 切梢裝置馬達無負載轉為負載時轉速

圖12 切梢裝置馬達無負載轉為負載時流量

圖13 切梢裝置馬達無負載轉為負載時工作壓差

圖14 切梢裝置馬達無負載轉為負載時輸出扭矩

前10s為空載工況下的曲線圖，在經過一定時間的波動后，馬達的速度穩定在540r/min左右，流量變化與轉速變化相關聯，最終穩定在120L/min左右；10s時為馬達加負載，馬達轉速會經過短暫的下降階段、上升階段和波動階段；12s左右回重新穩定在540r/min，流量變化與速度變化關聯，變化情況也類似，最后也穩定在120L/min。這說明，切梢裝置的液壓系統速度剛性較好，調速系統設計滿足工作要求。由于馬達輸出扭矩與工作壓差存在的聯系，工作壓差和輸出扭矩的變化相似。在10s加入負載后，馬達扭矩與工作均瞬間提高，波動一段時間后工作壓差穩定在6.2MPa左右，輸出扭矩則穩定在78N·m左右。該裝置的速度、扭矩均滿足使用要求，設計可行。

3.3.2 切梢裝置升降缸仿真分析

液壓缸的仿真時間設置為10s，結果如圖15、圖16所示。

圖15 切梢裝置提升位移圖

圖16 切梢裝置上升速度圖

升降裝置啟動后，速度會經過短暫的波動，最后穩定在0.046m/s附近。5.5s后，速度瞬間降為0，與上升速度相對應，上升運動為勻速直線運動；位移保持不變，說明提升裝置到達最大行程，為0.25m。下降時的過程與上升過程類似，說明升降系統的液壓系統理論設計合理，滿足使用要求。

4 切梢裝置液壓系統試驗研究

為了驗證切梢裝置工作的穩定性，對加裝切梢裝置的樣機進行動態特性試驗和田間試驗，在此過程中，可以驗證仿真的正確性，同時能夠測得馬達的壓力、流量等參數，還能得到切梢裝置的功率。

4.1 試驗設備和材料

測量儀器包括HM20通用型壓力變送器及CT150-V-B-B-6流量傳感器，此外還有24V直流電源、轉速表及武漢優泰UT3004S采集器及配套力學試驗與應變分析軟件等相關器材，如圖17所示。廣西久隆甘蔗實驗田為本次試驗的地點，試驗的甘蔗為粵糖159型，甘蔗密度為4～7株/m，直徑約20～30mm，壟高介于100～250mm，壟距為1 200mm。

圖17 試驗所用設備

4.2 動態特性試驗方案

在甘蔗收割機切梢裝置馬達的進油口安裝流量傳感器和壓力傳感器，測量馬達在啟動、空載和停止時的動態特性，采集卡的作用是收集壓力信號并導出壓力變化曲線。

4.3 動態特性試驗結果與分析

圖18為在1次測量中切梢馬達的壓力變化曲線。

切割器馬達啟動后壓力瞬間升高，再下降至工作壓力附近，2.5s左右后穩定在6.1MPa左右。得益于M型中位機能換向閥馬達制動后壓力瞬間降為0。馬達動態特性曲線與仿真時得到的結果基本相當，驗證了仿真的正確性。

4.4 田間試驗方案及結果分析

在田間進行甘蔗收割試驗，每組按10m進行收割，一共3組，通過采集卡記錄其壓力及流量的值。此處給出第1組的試驗結果，如圖19所示。

圖19 第1壟切割器切梢裝置液壓系統壓力及流量變化曲線圖

由采集卡采集到的壓力及流量變化值，可以歸納出切梢裝置田間試驗結果，如表2所示。

表2 切割器及切梢裝置田間試驗結果

由表2可以看出：切梢裝置的平均功率為6.85kW，這是由于在實際設計樣機的液壓回路時，將切割器和切梢裝置的油路集成在一起，共用一個回路所致。由課題組研究可知[19]，切割器的功率在4kW左右，因此切梢裝置的功率應該在2.85kW左右，滿足實際工作要求。

5 結論

針對切梢裝置的運動要求，理論上設計了包括有速度控制、卸荷控制、鎖緊控制和制動控制的切梢裝置液壓系統。在AMEsim對切梢裝置液壓系統進行了建模仿真，驗證了理論設計的液壓系統可行。實地測量了切梢裝置馬達的動態特性，與仿真所得結果基本相當，驗證了仿真的正確性，獲得切梢裝置功率為2.85kW。

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Design and Test of the Hydraulic System of the Top Cutting Device for Small Sugarcane Harvester

Ma Fanglan， Lin Yazhou， Dong Chao， Sheng Ke， Cai Li, Gao Jianli

(College of Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Cane top will reduce the rate of sugar in the process of sugar refining, and cane top part in the logistics system of sugarcane harvester is not conducive to the normal operation of the logistics system, for these problems, assemble a cane top cutting device on the original physical prototype. By analyzing the motion requirement of the top cutting device, design the the hydraulic transmission system, and use AMEsim software to simulate the system. Test and analysis the dynamic characteristics of the motor of the top cutting device and get the changes of the dynamic characteristics of the motor under different work conditions, and the feasibility of the scheme is verified. At last, the flow and pressure of the hydraulic system of the cutting device are tested by field experiments, and obtain the power consumption of the system is.

sugarcane harvester; cane top cutting device; AMEsim; hydraulic system

2016-03-14

國家自然科學基金項目(51465004)；廣西自然科學基金項目(2014GXNSFAA118381)；廣西理工科學實驗中心項目(YXKT2014011)

麻芳蘭(1976-)，女，廣西橫縣人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)1214293297@qq.com。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)04-0055-07