新型采棉機液壓系統的機電液一體化設計

木合塔爾?克力木 王建潭

摘要：我國是世界第二大棉花產地，但我國棉花種植成本很高，其主要原因是，相比于國外很多國家90%以上的機械化采棉程度，我國的機械化采棉程度低。針對我國的機采棉現狀，對筆者所在學校研發的1種適用于中小型農戶的牽引式采棉機的液壓系統進行設計研究。采用機液聯合仿真，利用ADAMS（機械系統動力學自動分析）對采棉機機械部分進行動力學分析，利用AMESim對采棉機液壓系統進行分析，然后設計二者軟件的接口，進行聯合仿真。仿真采棉機在作業過程中可能遇到的情況，通過對各種情況的仿真結果進行分析，確定此液壓系統在功能上可以滿足采棉機的運動要求，并對其中可靠性要求高的棉箱部分進行了機電液仿真，其效果確實相比于機液仿真系統性能更穩定。

關鍵詞：采棉機;液壓系統;聯合仿真;機電液一體化

中圖分類號： S225.91+1 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）13-0253-07

我國棉花種植區域主要有5個主產區[1]，是我國商品棉基地。其中在新疆維吾爾自治區，由于其本身地域廣闊，光照、雨水、雪水充足，利于棉花的大面積種植，已經逐漸發展成全國棉花的種植中心。在2016年，全疆的棉花種植面積為180.52萬hm2，占全國棉花種植面積的53.4%。全疆棉產量為359.4萬t，占全國棉花產量的67.27%[2]。但是近年來我國棉花種植面積呈下降趨勢，其主要原因在于我國的棉花價格。棉花種植成本主要包括4個方面：人工種植和采棉成本、土地使用成本、化肥和農藥使用成本、種子費[3-4]。其中，人工種植和采棉成本占棉花種植成本的60%左右[5-7]，由此可知現階段我國的棉花種植依然需要大量的勞動力進行田間勞作。在每年的9月份至11月份，約有來自全國各地的 900 000個采棉工，浩浩蕩蕩地乘坐火車前往新疆。棉花采摘價格由早期的最高價1元/kg漲到目前的2.5元/kg，每年需要為棉花工所支付的各項費用超過20億元，棉農除去種植成本其盈利也在2元/kg左右。在用工荒的情況下，棉農會遇到無人可用的情況，如果用工荒時間較久，棉株會因為此時已到其生長周期末期，棉花品質會隨時間而降低。其次，上述原因會導致勞動力成本上升，市場棉花價格下降，棉農的自身利益得不到保證，這樣很多棉農可能會考慮用其他市場風險小的經濟作物來替代棉花。

由以上分析可知，采棉機械化程度的提高刻不容緩，但是我國的采棉機械化仍然處于起步階段，按照棉花收獲機械作業187 hm2計算，全國需要采棉機1.2萬臺，仍按照5%備存，未來3～5年國內的總需求量預計為1.3萬臺。初步以每臺采棉機200萬元計算，預計市場價值會在260億元左右[8-11]。

1 AMESim-ADAMS（機械系統動力學自動分析）聯合仿真原理 ?AMESim-ADAMS聯合仿真是指在ADAMS中建立機構動力學模型，在AMESim中建立液壓系統的模型，然后通過2個軟件的接口控制模塊實現2個軟件數據傳遞，起到各取所需、各盡其能的作用，最后實現多領域復雜系統的計算過程[12-16]，具體可見圖1。

由AMESim的液壓缸外部變量可知，如果要確定一個液壓缸的整個動力學情況，需要知道液壓缸活塞桿上的力、位移和速度。其中，力是輸出變量，位移和速度是輸入變量，所以最終在AMESim和ADAMS傳遞數據的情況如圖2所示。

2 動力學模型及液壓系統模型的建立

本研究根據實際測量采棉機的尺寸和對其中由液壓系統驅動部分進行三維建模，根據文獻[17]中的采棉機工作原理，在ADAMS中建立了動力學模型，根據其液壓系統原理圖，在AMESim中建立了液壓系統模型。

2.1 棉箱翻轉液壓系統的動力學模型

此系統的目的在于收集棉花、運送棉花、卸載棉花。當棉花收集滿時，采棉機到達指定卸棉地點，棉箱兩側的液壓缸帶動四桿機構運動，棉箱按照連桿曲線翻轉，到達指定位置后棉箱停止旋轉，棉花傾倒。根據采棉機的使用要求，當全部采棉結束后，到達卸棉地點，采棉機開始卸棉，所以這一系統可以看作是獨立進行的，可以單獨進行聯合仿真。根據上述工況，在接口模塊中設置了2輸入（活塞桿作用力）、4輸出（棉箱兩側活塞桿的速度和位移）的狀態變量，對模型的約束和驅動進行了定義，在軟件設置中，配置編譯器，設置狀態變量函數，設置輸入變量、輸出變量還有狀態變量的數組，創建General State Equation方程，定義作用力F等，建立了棉箱翻轉液壓系統的動力學模型（圖3）。

2.2 采棉頭懸掛系統的動力學模型

采棉頭懸掛系統的目的在于懸掛采棉頭、調節采棉頭高度。在采棉機田間作業之前，需要根據棉田情況預先調好采棉頭高度，高度調節完畢后，將液壓缸鎖緊。采棉機田間作業時如果遇到部分棉田的棉株高度不同，行程開關工作觸發電磁閥的邏輯控制，這時可以自動調節采棉頭的高度。由于采棉頭懸掛系統聯合仿真模型的建立和棉箱翻轉液壓系統的聯合仿真模型的建立過程基本一致，所以這里不再表述，其建立的動力學模型如圖4所示。

2.3 采棉機液壓系統聯合仿真模型

根據采棉機液壓系統原理，建立了采棉機液壓回路的AMESim模型，本研究僅對機電液聯合仿真部分進行分析，如圖5所示。

3 聯合仿真性能分析

3.1 棉箱翻轉液壓系統性能分析

液壓缸的運動速度取決于流量，液壓缸的負載取決于棉箱及棉花的質量。這里模擬的是棉箱裝滿棉花，連同棉箱質量為2 000 kg的情形。其中，液壓泵選擇的排量為42.5 mL/r，液壓油為46#高級抗磨液壓油，溫度在40 ℃時的密度為 880 kg/m3，運動黏度為50 mm2/s，體積模量為1 700 MPa，翻斗油缸的缸徑為80 mm，桿徑為40 mm，工作行程為750 mm，卸荷壓力為10 MPa。

棉箱翻轉通過ADAMS的動力學分析和AMESim的液壓系統分析，現將軟件模擬結果進行分析，其性能如圖6所示，運行過程特征位置如圖7所示。

在前2 s棉箱處于平衡位置時，此時棉箱等待卸棉，但是看到液壓系統中，液壓缸的壓力、速度、位移都在做小幅的振動，這是因為ADAMS軟件中設置棉箱和機架接觸后，根據設置的參數選項，會自動設置接觸穿透力的大小，一般情況下難以調節到剛剛好，而且在這里也沒有必要。棉箱在重力的作用下會下降，但是在壓力和接觸作用下又會抑制下降，所以這里出現略微波動是正常現象。

在棉箱上升過程中，棉箱在棉箱推力油缸的作用下，速度在0.079、0.057 m/s上下波動并逐漸向0.07 m/s穩定下來，并且2個液壓缸運行同步，沒有不同步的現象。活塞桿的位移也是在成正比上升，這也是符合設計預期的。從棉箱推力油缸的無桿腔的壓力圖中可以看到其壓力有波動，這是因為棉箱在上升過程中其重心位置在不斷變化，導致作用在液壓缸上的力也在波動，所以液壓缸的壓力也呈現波動，這也是導致速度、加速度都在波動的原因，在棉箱達到最大位移時可以看到液壓缸所受的力也達到了最大值，這是因為棉箱上升到最高時，活塞桿和缸筒發生了剛性沖擊，導致壓力上升，這個沖擊在一定范圍內是有好處的，可以把棉花抖動下來幫助卸棉。

在棉箱等待卸棉的過程中，此時電磁閥本應該處于中位，棉箱在最大位置停留處于鎖緊狀態，但是壓力、速度、位移都出現了波動，這也是因為ADAMS會讓2個構件產生穿透。

下降過程中，換向閥作為接通，棉箱在重力和壓力的作用下下降，下降到最低的時候整個過程結束，同理，因為接觸剛度很大，所以當棉箱和機架接觸時，會給系統一個很大的作用力，從圖7-d中可以看的是接觸力作用，并且可以看到有略微的穿透。

為了消除穿透的影響，同時也是為了分析棉箱在卸棉位置時的工況，可以直接將模型初始位置放在卸棉位置，并且是靠自重下降過程，通過調節節流閥的大小可以控制其下降速度，其下降分析情況見圖8、圖9。

綜合分析可以看出，當基本消除了ADAMS穿透造成的影響之后，棉箱下降運行得很平穩正常，也可以看出，如果此時液壓缸性能不好泄露嚴重的話會影響到棉箱在卸棉位置的可靠性。通過對棉箱停留、上升、卸棉、返程、停留的工況分析可知，整個過程基本符合采棉機棉箱的運動設計要求。

3.2 采棉頭懸掛系統聯合仿真模型建立及系統性能分析

由于在目前階段，采棉機設計進展還沒有最終成型，在懸掛系統存在2種方案：一種是3對采棉頭在得到信號之后一起移動;另一種方案是采棉頭在得到信號之后一個接著一個移動。2種方案的不同會導致泵的流量需求不同，所以本研究中2種情況都考慮。

采棉頭懸掛系統通過ADAMS的動力學分析和AMESim的液壓系統聯合仿真分析，其性能如圖10所示，運行特征位置如圖11所示。

從以上仿真結果可知，在上升階段，當2個電磁閥接收到電信號之后，3對棉花頭開始往上移動，移動速度平均在 0.125 m/s，受到的力平均在7 000 N左右，運行工況十分平穩。

在極限停留位置，可以看出速度在-0.125～0.125 m/s間波動，力在0～17 000 N間波動，這是因為在機械和液壓聯合仿真過程中，液壓缸存在一定的泄露，系統受到沖擊，還有就是采棉頭并沒有受到結構約束，會產生小幅擺動，這是符合實際工況的。

在接下來的下降過程中，其運行還是十分平穩。當將棉花頭調節到某一適合棉株高度時，可以看到此時系統的速度和壓力波動很小，可以視為處于一個靜平衡狀態，可知這種狀態非常有利于采棉頭的采棉，能提高采棉質量。

接下來的上升和停留過程和第一、第二過程沒有區別，這里就不再贅述。

接下來分析的是采棉頭懸掛系統中采棉頭單個依次運行的過程，此情況和上一種的區別在于，此方案對泵的流量需求少，只有上述方案的1/3，其運行仿真情況如圖12所示，運行特征位置如圖13所示。

從壓力對比可知，單對采棉頭運行比3對采棉頭上升過程中運行振動明顯，但是也僅僅是在振幅0.1 MPa左右，但是單對采棉頭在平衡位置時的振動比3對采棉頭同時動作的振幅小94%，進口總壓力小59%，流量需要小70%。綜合分析可知，雖然在時間上單對采棉頭一次運行比3對采棉頭一起運行的時間增加了67%，但是本身系統更加平穩，采棉質量會更好，而且系統的油箱也會更小，各方面的體積都會變小。

4 棉箱翻轉系統機電液一體化仿真

棉箱翻轉系統中，可知在上升過程中，壓力、活塞桿受力、速度都出現一定程度的波動，這樣會導致整個液壓系統的振動，影響系統的穩定性，而且在液壓缸上升過程中會出現沖

擊，所以位置伺服控制的目的在于在液壓缸啟動時快速啟動，達到指定速度，勻速運行上升，然后快要到達位置時速度下降到0，本研究選擇PID（比例、積分、微分）閥控方式來實現上述過程，液壓位置伺服系統結構如圖14所示。

通過以上模擬結果可知，加了PID伺服位置控制的棉箱翻轉系統，其無桿腔壓力在棉箱剛開始上升加速的過程中有輕微的波動，當加速階段結束開始勻速運行的過程時，其壓力不再波動而是逐漸連續下降，在即將到達指定位置時，其壓力又上升，對比沒有加位置控制時的系統可知，增加位置控制的系統壓力比沒有加控制時的壓力低。此時有桿腔壓力損失變小，其活塞桿受力變化情況和其壓力變化情況一致。

通過位移圖和速度圖可知，液壓缸的運行過程是一個先加速后勻速再減速的過程。這樣的運行方式是很好的，加速階段可以降低液壓缸啟動的時間，使其快速達到運行速度，勻速階段可以使液壓缸平穩運行，減速階段可以在活塞桿即將到達液壓缸底部時，實現無沖擊停止。

綜合上述分析結果可知，基于閥控缸基礎，加了PID控制器的棉箱翻轉系統，運行速度更加平穩，壓力波動更加小，壓力沖擊更小。

5 液壓系統試驗平臺的搭建

根據設計的采棉機液壓系統搭建的試驗平臺如圖16、圖17所示，但是由于試驗進行到目前階段是驗證性試驗，測試的都是空載情況的運行參數，無法對有負載情況的參數進行測試。其次，根據現有的測量元件，也只能測試泵出口壓力和流量的穩定值，不能對整個系統中各個液壓元件的特征參數進行實時測量，所以試驗測試系統還有待完善。

6 結論

本研究通過對家用中小型采棉機的工作原理分析，設計了液壓系統原理圖，根據實物模型在一定簡化的基礎之上繪制了相關執行構件的三維模型，然后借助于AMESim軟件、ADAMS軟件和PID控制原理，繪制了機電液仿真圖。

通過對工況的分析可知， 采用機液和機電液技術可以更

好地模擬機械和液壓系統。控制系統之間的相互作用，可以更好地反映采棉機的實際工況，由于采棉機處于研發階段，其不僅可以通過仿真了解液壓系統的特性，還可以了解機械結構設計的合理性，為液壓元件的選型和試驗平臺的搭建提供了一定的依據，這樣可以減少研發成本，為以后的試驗提供一定的數據支持。

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