挖拔式木薯收獲機挖深液壓控制裝置的設計與試驗

熊 佳，廖宇蘭，呂凱英，益愛麗

(海南大學 機電工程學院，?？?570228)

0 引言

木薯也叫樹薯，是世界三大薯類之一，熱帶地區的分布居多，也是我國廣東、廣西和海南等地方的重要資源，在我國栽培面積逐年增加。木薯人工收獲耗時、耗力、效率低，而木薯機械化收獲又是木薯產業的薄弱環節，現階段尚未能推出適應性強的木薯收獲機來代替人工收獲[1-3]。

在收獲過程中，挖拔式木薯收獲機[4-5]挖掘鏟在單一牽引力和自身重力作用下會越挖越深，鏟面上積累大量土壤無法及時排開，牽引載荷越來越大，直接影響著木薯收獲機的收獲效率、機械性能及機械功耗，間接影響木薯的收獲凈薯率、傷薯率、機械的動力匹配及機械收獲成本。因此，可靠實用的木薯收獲機挖深控制裝置在木薯機械化收獲機的研制中具有極其重要的意義。為此，研究出一套木薯收獲機挖深液壓控制系統裝置[6-9]，以期實現在木薯收獲機穩定工作的前提下對挖掘鏟挖深的精準控制。

1 整機結構及主要部件參數

1.1 整機結構工作原理

挖拔式木薯收獲機主要由地表仿形機構、莖稈導向裝置、夾持輸送裝置、液壓仿形鏟、機架及行走輪等部分組成，如圖1所示。

該機通過三點懸掛的方式與拖拉機連接，并隨著拖拉機一起向前移動。工作時，安裝在機架最前方的地表仿形機構與高低起伏的地表接觸，通過角度傳感器、單片機將信號發送給三位四通電磁轉換閥從而控制液壓油缸的進退來調整挖掘鏟的挖深；莖稈導向裝置將倒伏的木薯莖稈喂入夾持輸送機構，再由拖拉機動力輸出軸通過傳動軸與該機變速箱連接后帶動夾持輸送裝置、莖分離裝置運轉，完成對木薯莖稈的喂入、挖拔、輸送與分離。

1.液壓仿形鏟 2.地表仿形機構 3.莖稈導向裝置 4.懸掛架 5.變速箱 6.夾持輸送機構 7.薯莖分離裝置 8.機架 9.行走輪

1.2 液壓控制系統關鍵機構的設計

1.2.1 地表仿形機構

地表仿形機主要由限位桿、限位彈簧、聯軸器、仿形軸、角度傳感器、仿形連接板和仿形托板8個部分組成，如圖1所示。

地表仿形裝置隨木薯收獲機一起向前運動，當遇到凹凸不平的地面時，緊貼地表的仿形托板帶動仿形軸轉動；再經聯軸器將轉動的角度信號傳送給角度傳感器，完成對地表信號的采集?？紤]到實際收獲情況，采用限位桿、限位彈簧減少機械振動及地表對形托板的摩擦力等因素對測量精度的影響，實現地表情況的精準收集。

1.仿形連接板 2.限位彈簧 3.仿形軸 4.緊固螺栓 5.仿形托板 6.底座 7.角度傳感器 8.聯軸器 9.限位桿

1.2.2 仿形機構仿形量的確定

仿形量的大小與傳感器擺臂的轉角等如圖3所示。建立它們之間的數學關系，需要考慮到擺臂順時針和逆時針轉動角度的情況分別計算，即

Δh1=Lcos(30°-α1)-h

(1)

Δh2=h-Lcos(30°+α2)

(2)

式中L—擺臂的長度(mm)；

Δh1—上坡時機構仿形量(mm)；

h2—下坡時機構仿形量(mm)；

α1—上坡時轉動角度(°)；

α2—下坡時轉動角度(°)。

由公式(1)和(2)可知：仿形角度在 -20°～20°時，仿形量為-133mm～71mm之間，符合實際工作要求。

1.3 挖掘鏟液壓機構

挖掘鏟液壓機構主要由提升液壓缸、角度調節液壓缸、挖掘鏟、鏟板等部分組成，如圖4所示。根據機構實際工作要求與傳動性能，設計的限深式液壓挖掘鏟機構包括挖掘鏟的角度調節和機構整體提升兩個方面。角度調節主要通過角度調節液壓缸伸縮實現，其范圍為 0°～30°，符合挖掘鏟土下限深調節工作的要求；機構整體提升采用兩個垂直安裝的提升液壓缸來完成，可滿足收獲是挖掘鏟提升下放的性能，同時在收鏟時可以幫助清理鏟面上的雜草和壅土，在此不多做設計說明[10-11]。

圖3 地表仿形機構與角度關系分析圖Fig.3 Table copying mechanism structure

1.挖掘鏟 2.提升液壓缸 3.角度調節液壓缸 4.鏟托

2 液壓系統的設計

相對于傳統機械傳動，液壓傳動的最大優點就是傳遞力量大、穩定性好、響應快[12]，因此本次所設計的挖拔式木薯收獲機挖掘裝置控深系統的執行機構采用液壓裝置來提高挖掘裝置的穩定性和使用性能。

2.1 液壓系統工作原理

挖拔式木薯收獲機液壓挖掘鏟的深度液壓控制系統原理圖如圖5所示。液壓系統由液壓缸、三位四通電磁換向閥、液壓泵、過濾器、溢流閥及油箱等部分組成。

液壓控制挖掘鏟的動作要求如下：鏟的下放工作由提升液壓缸來執行；鏟的入土傾角調節和限深均由角度調節液壓缸來執行。同步液壓缸的動作是同步的，共用一個油路系統和電磁閥。

液壓控制挖掘鏟液壓系統原理如下：

1)鏟的下放。提升油缸的電磁閥的線圈YA2通電，提升液壓缸的無桿腔進油，活塞桿伸長，液壓鏟整體下降。

2)鏟的傾角調節。提升油缸的電磁閥位于中位，兩端線圈均不通電，油缸不動作。角度調節油缸的的電磁閥電磁線圈YA4通電，角度調節油缸無桿腔進油，油缸活塞桿伸長，達到入土角度。

3)液壓鏟收鏟、收角。提升油缸電磁線圈YA1、YA3通電，電磁閥位于左位，液壓缸有桿腔進油，無桿腔回油，活塞桿縮回，實現收鏟、收角動作。

圖5 液壓系統控制原理圖Fig.5 Hydraulic System Control Schematic

2.2 負載分析

2.2.1 負載特性分析

負載分析是執行機構在工作過程中對各個部件進行受力分析，機構所要求的工藝目的不同，對構件所受負載分析的重點就不同[13]。液壓式挖掘鏟的主要執行機構是液壓缸，在此對液壓缸工作情況進行重點分析，分析活塞桿作用對象對液壓缸產生的力。

通過理論分析確定液壓鏟控深系統的負載。計算執行元件負載時，應考慮所受到的各種力和力矩，主要包括工作負載(如相互擠壓作用力、重力和發生彈性塑性變形所需的力等)、慣性負載和阻力負載(摩擦力)等。

液壓缸做直線往復運動時，需要克服的負載為

F=Fg+Fa+Ff

(3)

式中Fg—工作負載(N)；

Fa—慣性負載(N)；

Ff—摩擦負載(N)。

在測試系統啟動工作時，忽略摩擦負載、粘性阻尼力和彈性負載，故負載分析只需考慮工作負載和慣性負載。

2.2.2 工作負載分析

研究對象為挖掘鏟和鏟板，受力如圖6所示。

圖6 角度調節液壓缸受力分析圖Fig.6 Angle adjustment hydraulic cylinder force analysis diagram

1)提升液壓缸工作負載。提升液壓缸是兩個同步動作的法蘭油缸組成，負載為拉力，計算公式為

Fg1=mg

(4)

2)角度調節液壓缸最大工作負載，則

∑Fx=0,Fzsinα-Fg2cosβ=0

(5)

∑Fy=0,G+FNsinβ-Fzcosα-FN=0

(6)

∑MA=0,FNLcosα-Fg2cosβL2=0

(7)

式中Fg1—提升壓缸最大工作負載(N)；

Fg2—提升液壓缸最大工作負載(N)；

FZ—鉸銷軸對鏟體支持力(N)；

FN—地面對挖掘鏟的阻力(N)；

L1—液壓缸最大伸直長度(mm)；

L2—垂直高度(mm)；

α—挖掘鏟最大轉動角度(°)；

β—液壓缸安裝角度(°)；

G—機構所受重力(N)。

通過計算得到：Fg1=782.24N，Fg2=2800N。

2.2.3 慣性負載分析

慣性負載是指動作機構在開始執行和停止執行的時候的的慣性力，其平均的慣性力計算公式為

(8)

式中F—慣性負載(N)；

G—執行機構自身重力(N)；

g—重力加速度(m/s2)；

Δv—速度變化量(m/s)；

Δt—啟動或制動時間(s)。

根據相關資料[13]，選取合適的啟動、制動時間，得到F=100N。

2.3 液壓執行元件的選定

2.3.1 提升液壓缸的選定

液壓鏟具有兩個提升液壓缸，主要功能是承受整個鏟的質量和將鏟提升到一定高度，可以通過其伸縮達到對挖掘后鏟面上所擁堵的土壤和雜草進行清除的作用。

根據液壓缸的工作要求、安裝要求及工作壓力，選定63/35×200-400型液壓缸。其行程為 200mm,活塞桿直徑為 35mm，液壓缸內徑 63mm，最小安裝尺寸為 400mm。考慮到際工作情況，計算液壓缸分別計算最大推力與最大拉力為

Ft=pA1

(9)

Fl=pA2

(10)

式中Ft—油缸推力(N)；

Fl—油缸拉力(N)；

A1—油缸前推截面面積(mm2)；

A2—油缸后拉截面面積(mm2)；

p—系統工作壓力(Pa)。

由計算可知：液壓缸的最大拉力為3 115.6N，最大推力為2 744N，滿足系統負載要求。

2.3.2 角度調節液壓缸選定

液壓鏟的角度調節液壓缸的主要作用是調節鏟身在入土、碎土及限深時的角度，選擇的液壓缸類型為單活塞缸。

當無桿腔為主工作腔時，則

p1A1-p2A2=Fmax/ηcm

(11)

有桿腔為主工作腔時，則

p1A2-p2A1=Fmax/ηcm

(12)

式中p1—主工作腔壓力(Pa)；

p2—無桿腔壓力(Pa)。

考慮實際工作情況選定50/28×100-300型液壓缸，其行程為 100mm,活塞桿直徑為28mm，液壓缸內徑為50mm，最小安裝尺寸為 300mm。由式(9)～式(12)可得：液壓缸的最大拉力19 635N，最大推力為13 477N，滿足系統負載要求。

3 挖深控制機構土槽試驗

3.1 試驗條件

該實驗在海南大學農機土槽實驗室進行，實驗設備主要由挖掘鏟深度控制實驗臺(見圖7)、控制器、PC機、卷尺、秒表及量角器等試驗器件組成。仿形機構的行程為 1 200mm，電機帶動仿形裝置的行進速度為 20mm/s，單片機的采集頻率為 50ms/次；土壤質地為紅土[14]，堅實度為207.5×105Pa；土壤含水率為7.3%(0～5cm)、10.7%(5～10cm)。

圖7 挖掘鏟挖深控制系統試驗臺Fig.7 Excavation shovel depth control system test bench

3.2 試驗方法

由牽引裝置勻速托動仿形機構進入模擬地面，經傳感器、PLC收集處理地表起伏數據，通過液壓站將數據反饋給挖深控制液壓缸實現挖深自動控制；模擬地面采用鋪筑方式，將仿形裝置經過的地面平分成3段，如圖8所示。仿形托板的初始位置在水平地面區域，鋪設凸臺平滑鋪設，每段1個凸臺并測量實際起伏數據，共3個凸臺，A、B、C等3個區域的中心線為所鋪筑路面的最高位置。進行3次重復實驗，對比分析仿形結果理論值與實際測量凸臺值，觀察液壓控制系統指示燈發光和熄滅情況，記錄液壓系統響應時間、提升液壓缸工與角度調節液壓缸自動控制使用時間。

圖8 仿形地面鋪設要求Fig.8 The construction requirements of profiling ground

3.3 試驗結果分析

3.3.1 地表仿形機構仿形結果分析

地表仿形機構理論數據與實測數據對比分析如表1所示。由表1可知：最大誤差為 8.9%，平均誤差為3.5%，仿形機構測試精度在誤差范圍之內，性能可靠。但此次試驗所選取點的高度為均勻變化，誤差的大小卻差別較大。其原因可能是傳感器在測量過程中受其他因素干擾，出現數據波動造成的，但總體上是可靠的。

表1 仿形結果理論值與實際值Table 1 Profile data between the theory and practice

3.3.2 液壓控制系統結構分析

由挖掘鏟液壓控制系統指示燈觀察結果可知：從開始液壓鏟下放，提升油缸的動作時間為 0.7s，行程為200mm，角度調節油缸的動作時間為1s，行程為100mm，給予地表起伏信號后觀察到油缸的響應時間為 1.7s，滿足使用要求。

4 結論

1)對測試裝置的關鍵部件進行研究，設計了地表仿形機構，實現了對地面起伏狀況的實時檢測。仿形角度為 -20°～20°，仿形高度為 -133～71mm。設計了挖掘鏟液壓控制裝置，實現對挖深的 0°～30°的自動調節。

2)根據挖掘鏟控制要求設計了挖掘鏟液壓控制系統，通過對挖掘鏟的負載情況進行系統分析，選擇了合適的液壓執行元件。

3)通過土槽實驗，由地表仿形機構測量的理論數據與實測數據的對比分析得到：最大誤差為8.9%，平均誤差為3.5%；掘鏟液壓控制系統油缸的響應時間為1.7s，1s內完成對挖出鏟的角度與深度調節，測試效果能夠滿足精準挖深控制控要求。