梳夾式紅花收獲機液壓傳動系統的設計與仿真

安亮亮 曹衛彬 李樹峰

摘要 針對目前紅花采摘的機械化水平低下、主要依靠人工采摘的問題，設計了一種梳夾式紅花收獲機，采用梳夾式的夾拔原理對紅花絲進行采收。結合紅花株高的不同，設計了一種可調整采摘高度的裝置，并可調節采摘頭轉速，采摘頭轉速的調節范圍為70～120 r/min，可根據植株生長的高度適時調節高度。通過綜合計算，對梳夾式紅花收獲機液壓傳功系統的主要元件進行選擇，液壓元件有液壓馬達、液壓缸、比例電磁換向閥、電磁換向閥、疊加平衡閥、液控單向閥等。通過對液壓系統的性能驗算和仿真分析可知，該液壓傳動系統能滿足動力要求，驗證了理論分析的合理性;通過仿真分析可知，該系統能夠滿足采摘工作要求，為梳夾式紅花收獲機提供了新的發展方向。

關鍵詞 紅花;梳夾式;采摘;液壓;仿真

中圖分類號 S22 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2020）03-0203-04

Abstract In view of the current low level of mechanization of safflower picking， mainly relying on the manual picking， a combtype safflower harvester was designed， and the saffron was harvested by the combclamping principle. Combined with the height difference of safflower plants， a device for adjusting the height of picking was designed. The speed of the picking head can be adjusted， and the speed of the picking head can be adjusted from 70 to 120 r/min， and the height can be adjusted according to the height of the plant growth. Through comprehensive calculation， the main components of the hydraulic transmission system of the combtype safflower harvester were selected. The hydraulic components include hydraulic motor， hydraulic cylinder， proportional electromagnetic reversing valve， electromagnetic reversing valve， superimposed balancing valve and hydraulic control oneway valve. By checking and simulating the performance of the hydraulic system， the hydraulic transmission system satisfied the power requirements and verified the rationality of the theoretical analysis. According to the simulation analysis， the system could meet the requirements of the picking work and it was a combclip type， which provided a new development direction for safflower harvester

Key words Safflower;Combtype;Picking;Hydraulic;Simulation

紅花又名草紅花，是新疆的一種重要經濟作物，可用作中草藥材以及制造染料等用途，還可以用來生產制造紅花油[1]，治療傷筋動骨等外傷。紅花在我國種植歷史悠久，尤其在北部已經種植多年，據2018年統計紅花在新疆的種植面積已達到10.5×104 hm2，隨著種植面積的蓬勃發展，紅花的采摘技術卻十分滯后，主要還依靠人工采摘，迫切需要實現紅花絲的機械化采摘。

紅花采摘成為紅花發展的制約因素，由于紅花的生長周期短，紅花花蕾容易扎手，對紅花的采摘要求較高。另外，紅花的收獲季節和番茄、棉花的收獲期重合，需要大量的人工成本。針對紅花的機械采摘，國內外學者做了相應的研究，研究主要集中在氣吸-切割式、手持和背負的氣吸-氣吹式等。李景彬等[2]研發了一種氣吸梳夾式紅花收獲機，在一定程度上降低了勞動力，只適用于小面積采摘，未應用液壓傳動系統?，F有的機械化采摘嚴重跟不上紅花加工的步伐。國外學者的研究主要針對干紅花采收問題，但干紅花的成分已經發生變化，失去原有的價值，不適合國內紅花產業發展。

筆者研發出一種梳夾式紅花收獲機，適用于紅花的大面積采摘，并設計了一套液壓傳動系統，該收獲機懸掛在拖拉機前部，集花箱、風機等安裝在拖拉機后面機架上，機架與拖拉機采用3點懸掛牽引式連接方式。通過拖拉機自身液壓油源提供液壓動力，并能實現對采摘頭轉速的調節，使梳夾式紅花收獲機有效地完成采收工作，提高了梳夾式紅花收獲機的采收性能。

1 梳夾式紅花收獲機的采摘裝置

1.1 采摘裝置結構的設計

梳夾式紅花收獲機的采摘裝置結構如圖1所示。

1.2 整機主要技術參數

在拖拉機前部，通過連接機構將梳夾式紅花收獲機的采摘裝置連接在一起，集花箱、風機等安裝在后面機架上，機架與拖拉機采用3點懸掛連接。

為確保采摘裝置的采收率，通過懸掛在拖拉機前部的升降機構在垂直方向上進行升降，以提高紅花絲的有效采收面積，提高紅花的采凈率。在采收作業過程中，整機以一定的速度前進，通過拖拉機自身液壓系統提供液壓動力，液壓馬達轉速的調節范圍為70～120 r/min，根據紅花的采摘要求對采摘頭轉速進行調節，采摘裝置在前進過程中通過扶禾器的作用，紅花絲順利進入有效采摘區域，在動定梳齒和端面凸輪的作用下，動定梳齒做出夾緊動作[3]，在軸的旋轉帶動下將紅花絲采摘下來，最后通過風機的氣吸作用，將采摘下來的紅花絲收集到拖拉機后端機架上的集花箱里，完成對紅花絲的采收作業。

1.3 液壓系統的組成及工作原理

梳夾式紅花收獲機液壓傳動系統原理圖如圖2所示，由拖拉機自身液壓系統提供動力，油源為拖拉機自身液壓油源?？梢酝ㄟ^拖拉機駕駛室內的手動換向閥使油路形成進油和回油，為采摘裝置提供液壓動力[4]。液壓傳動系統由2個部分組成，首先是控制采摘頭主軸旋轉的液壓馬達，其次是控制采摘裝置升降的液壓缸。液壓馬達由比例電磁閥換向閥控制，當電磁換向閥位于左位時，齒輪泵為液壓馬達正常供油，液壓馬達開始轉動;2個馬達的轉速由分流閥控制，以達到對采摘頭轉速的同步控制;當電磁換向閥位于中位時，液壓回路不能供油，采摘裝置上的液壓馬達不工作;通過拖拉機自身蓄電池提供直流電流，為操控面板提供電流來控制比例電磁換向閥[5]，從而控制液壓馬達的啟停和轉速。比例電磁換向閥與液壓馬達之間分別連接著平衡閥和疊加節流閥。分流閥起分流作用，使得2個液壓馬達達到同步轉速。平衡閥可使液壓馬達平穩運轉。

液壓缸的升降是由電磁閥控制，通過操控面板電信號[6]控制電磁閥來實現對液壓缸的換向操作，采用平衡閥使液壓缸能夠平穩升降。在液壓傳動系統中加入液控單向閥，對液壓缸回路形成自鎖。

2 選擇液壓系統元件

2.1 液壓缸的選擇

根據梳夾式紅花收獲機采摘裝置的總質量，確定升降過程中的負載，則液壓缸的推力：

2.2 液壓馬達的選擇

根據驅動采摘頭所需的最大扭矩[8]和液壓系統的工作壓力（P），確定采摘裝置的液壓馬達參數，進而確定液壓馬達的排量（q）;根據采摘工作要求，確定液壓馬達的轉速（n）;根據馬達的排量和轉速，確定馬達的最大工作流量（Q）。

3 液壓系統性能驗算

為驗證梳夾式紅花收獲機液壓系統的工作壓力能否滿足工作要求，液壓馬達扭矩是否符合設計標準，需要對液壓系統壓力[10]進行性能驗算。

液壓系統壓力損失由系統管路[11]的局部壓力損失（Δpα）、系統中各類閥件的局部損失組成（Δpχ）、系統管路的沿程損失（Δpβ）。

根據整機結構設計[12]以及液壓傳動系統綜合因素考慮，選用YB-N46抗磨液壓油，吸油管長度取3.5 m;將所有支路油管均等效到總的壓油管上，壓油管長度取5.5 m;將所有支路回油管均等效到總的回油管路上，回油管長度取5.5 m;將所有數值代入公式（5）～（8）計算可得系統管路的局部壓力損失Δpα=0.15 MPa;系統管路的沿程損失Δpβ=0.09 MPa;系統中各類閥件的局部壓力損失Δpγ=013 MPa;故液壓系統壓力損失Δp=0.37 MPa。

4 液壓系統仿真分析

4.1 液壓系統在AMEsim中的建模

AMEsim是目前主流的一個仿真平臺軟件，集成液壓元件、機械元件、控制元件等多種元器件[13]。仿真過程可分為4步：首先，根據梳夾式紅花收獲機液壓傳動系統的物理模型，在模型庫中選取所需的液壓元件，按照功能分為負責采摘裝置升降的液壓回路和負責采摘頭旋轉的液壓回路2類，將其連接起來。第二，在同一模型下包含多個子模型，需要確定子模型類型來保證仿真的可行性。第三，對所建立的液壓傳動系統模型進行合理的參數設定，生成液壓系統仿真所需的可執行文件，這是仿真的關鍵。最后，通過設定仿真時間、間隔和精度等參數，來保證仿真的正確性。

通過在仿真軟件中建立模型對梳夾式紅花收獲機液壓傳動系統進行仿真，由于工作過程中有2個液壓元件配合工作，所以需要對2個液壓元件進行建模仿真，如圖3所示。

4.2 液壓傳動系統參數與仿真分析

采摘裝置液壓系統在建模仿真中，馬達排量為194.5 mL/r，液壓泵轉速選取1 300 r/min、排量為40 mL/r，進行模擬仿真，仿真結果如圖4～6所示。

由仿真分析可知，當整機工作時，液壓馬達轉速瞬間增大，在1.15 s后轉速穩定在121 r/min，馬達速度跟蹤效果較好，在采摘過程中的運轉速度沒有明顯的滯后感，液壓馬達能滿足工作要求所需的轉速;液壓馬達的輸出扭矩在采摘裝置工作時同樣瞬間增大，克服主軸在旋轉時推桿生成段產生的阻力[14]，在1.15 s后扭矩穩定在516 N·m，根據理論計算可知液壓馬達扭矩為510 N·m，與仿真結果基本相符，滿足了設計要求。液壓馬達的流量在采收工作開始時瞬間增加到59.8 L/min，此后一直處于平穩狀態，仿真結果與理論計算值基本相符[12]，能滿足液壓系統的工作要求。

根據以上結果分析可知，在正常工作狀態下，梳夾式紅花采摘裝置液壓系統的流量、扭矩、轉速均能滿足設計要求。

5 結論

（1）通過對梳夾式紅花收獲機負載的受力分析，確定了液壓缸所需壓力，并選取了符合工作要求的液壓缸。通過測量采摘頭工作過程中所需扭矩大小，結合液壓系統的工作壓力，確定了滿足采摘工作的液壓馬達。

（2）將該液壓傳動系統在AMESim軟件設定相應的參數進行仿真試驗，結果表明該液壓傳動系統可以達到預期效果，滿足工作要求。

參考文獻

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