基于割臺(tái)升降系統(tǒng)電液比例多路閥特性研究

張振華,李瑞川,楊俊茹,4,徐繼康,2,劉延俊

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院,山東 青島 266590;2. 日照海卓液壓有限公司,山東 日照 276800;3.山東大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院;b.海洋研究院,濟(jì)南 250061;4.山東海卓電液控制工程技術(shù)研究院,山東 日照 276800)

0 引言

近幾年,我國(guó)大型聯(lián)合收獲機(jī)等大型農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展較快,這些高端裝備需要配套大量的高性能和高可靠性的電液比例元件及系統(tǒng),而在國(guó)內(nèi),支撐高端裝備業(yè)的電液基礎(chǔ)件領(lǐng)域幾乎是空白[1]。國(guó)內(nèi)聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)升降控制大部分還是采用手動(dòng)操作控制,液壓系統(tǒng)多采用開(kāi)心定量泵,費(fèi)力且不節(jié)能[2]。

為此,設(shè)計(jì)了一款負(fù)載敏感電液比例多路閥,確定了結(jié)構(gòu)形式,對(duì)其結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了分析,并利用AMESim 提供的HCD模塊建立了仿真模型[3]。同時(shí),對(duì)負(fù)載敏感多路閥及聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)升降液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析,驗(yàn)證了應(yīng)用負(fù)載敏感技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性與節(jié)能性[4]。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的負(fù)載敏感電液比例多路閥采用了電磁先導(dǎo)驅(qū)動(dòng)技術(shù),減輕了工人的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。

1 負(fù)載敏感的電液比例多路閥結(jié)構(gòu)原理及建模分析

1.1 結(jié)構(gòu)原理

負(fù)載敏感電液比例多路閥是電液控制系統(tǒng)的重要組成部分,主要由電磁閥和液控?fù)Q向閥組成。電磁閥作先導(dǎo)閥,切換控制油路;液動(dòng)閥作主閥,用來(lái)切換系統(tǒng)主油路,從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)控制大流量系統(tǒng)[5]。作為聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)升降調(diào)節(jié)的關(guān)鍵液壓部件之一,負(fù)載敏感電液比例多路閥的主要作用是進(jìn)行液力多路輸出控制,調(diào)節(jié)割臺(tái)升降及升降速度[6],原理如圖1所示。

1.位移傳感器 2.可調(diào)節(jié)單向閥 3.液壓鎖可動(dòng)閥芯 4.主閥芯 5.三通壓力補(bǔ)償器 6.先導(dǎo)閥閥芯 7.比例電磁鐵圖1 負(fù)載敏感電液比例多路閥結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure diagram of load sensitive electro hydraulic proportional multiway valve

圖1中,先導(dǎo)閥閥芯、主閥芯、可動(dòng)閥芯都采用插裝式結(jié)構(gòu),先導(dǎo)閥油路布置在閥體內(nèi)部。液壓鎖可以提高系統(tǒng)的密封能力,同時(shí)可以使割臺(tái)固定在某一位置,在長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中,割臺(tái)不會(huì)發(fā)生緩慢下降現(xiàn)象。

當(dāng)割臺(tái)需要提升時(shí),給比例電磁鐵施加信號(hào),先導(dǎo)閥閥芯左移,先導(dǎo)壓力油進(jìn)入主閥芯左腔,推動(dòng)主閥芯右移,壓力油從P口經(jīng)過(guò)三角形節(jié)流口進(jìn)入可動(dòng)閥芯左腔,單向節(jié)流閥打開(kāi),同時(shí)液壓鎖可動(dòng)閥芯被推向右側(cè)。相反,當(dāng)割臺(tái)靠重力下降時(shí),主閥芯左移,壓力油進(jìn)入主閥芯右腔再進(jìn)入液壓鎖可動(dòng)閥芯右腔,推動(dòng)可動(dòng)閥芯左移,直到把單向閥頂開(kāi),液壓缸壓力油從A口回流,進(jìn)入T1回到油箱。

1.2 負(fù)載敏感的電液比例多路閥建模仿真

根據(jù)設(shè)計(jì)的閥體結(jié)構(gòu)參數(shù),利用AMESim對(duì)負(fù)載敏感的電液比例多路閥建立仿真模型,如圖2所示。

圖2 負(fù)載敏感電液比例多路閥HCD模型Fig.2 HCD model of load sensitive electrohydraulic proportional multi road valve

為了驗(yàn)證建模的正確性,設(shè)壓力源為25MPa,主閥芯行程為3mm,給先導(dǎo)閥芯輸入電磁信號(hào),分別為0～40N、40～0N、0～-40N、-40～0N,每個(gè)階段的時(shí)間間隔為0.5s,忽略閥芯的粘性摩擦及油液液動(dòng)力,可以得到閥芯位移曲線,如圖3所示。

圖3 主閥閥芯位移Fig.3 The spool displacement of main valve

由圖3可以看出：主閥芯響應(yīng)迅速,模型能夠真實(shí)模擬負(fù)載敏感的電液比例多路閥的實(shí)際工作過(guò)程,證明所搭建的模型是正確的。

2 負(fù)載敏感泵建模分析

2.1 負(fù)載敏感變量泵結(jié)構(gòu)及原理

負(fù)載敏感泵在聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)升降液壓系統(tǒng)中,與負(fù)載敏感電液比例多路閥的三通壓力補(bǔ)償器串聯(lián),負(fù)載所需壓力反饋給敏感控制閥和變量泵控制機(jī)構(gòu)的敏感腔,使變量泵的排量發(fā)生變化,使泵出口的壓力參量隨負(fù)載壓力變化而發(fā)生變化,使其向系統(tǒng)提供負(fù)載所需的液壓功率,可以降低功耗[7]。負(fù)載敏感系統(tǒng)原理,如圖4所示。

1.負(fù)載敏感變量泵 2.敏感腔1 3.敏感腔2 4.負(fù)載敏感閥 5.壓力切斷閥 6.可變節(jié)流閥圖4 負(fù)載敏感系統(tǒng)原理圖Fig.4 Working principle of load sensitive system

2.2 負(fù)載敏感變量泵HCD建模及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)負(fù)載敏感泵的功能原理,利用AMESim軟件建立了負(fù)載敏感變量柱塞泵的HCD模型,如圖5所示。

圖5 負(fù)載敏感變量柱塞泵Fig.5 Load sensitive variable plunger pump

為了驗(yàn)證模型建立的正確性,用一個(gè)比例溢流閥模擬負(fù)載測(cè)試負(fù)載敏感系統(tǒng)。設(shè)定泵排量為80mL/r,轉(zhuǎn)速為1 875r/min,壓力切斷閥設(shè)定壓力為30MPa。節(jié)流口半開(kāi),比例溢流閥信號(hào)設(shè)置兩組數(shù)據(jù),分別設(shè)定0～5s內(nèi)從0mA升到200mA與設(shè)定恒定值100mA兩種狀態(tài)變量,通過(guò)仿真得到了負(fù)載和泵出口壓力曲線和泵出口流量曲線,如圖6、圖7所示。

圖6 泵出口流量曲線Fig.6 Flow curve of pump discharge

圖7 負(fù)載和泵壓力曲線Fig.7 Pressure curve of load and pump

根據(jù)圖6可以看出：當(dāng)比例溢流閥開(kāi)口不變時(shí),泵出口排量維持為一個(gè)恒定值,當(dāng)負(fù)載壓力過(guò)大時(shí),泵出口流量迅速減小。由圖7可以看出：負(fù)載敏感泵正常工作過(guò)程中,泵出口壓力始終比負(fù)載壓力大,且保持一個(gè)固定壓差。

通過(guò)對(duì)負(fù)載敏感泵的原理及其仿真數(shù)據(jù)分析,可以看出所建模型完全正確。

3 升降系統(tǒng)建模與仿真分析

聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)液壓升降系統(tǒng)一般都采用單作用液壓缸,下降過(guò)程靠割臺(tái)重力[8]。可防止割臺(tái)下降過(guò)快,產(chǎn)生過(guò)大慣性力,砸壞機(jī)具。圖8為聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)液壓升降系統(tǒng)原理圖。

根據(jù)大型聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)液壓系統(tǒng)的工作原理,利用AMESim的HCD模塊,可以將負(fù)載敏感泵與割臺(tái)升降控制閥主要組成部分進(jìn)行連接,建立割臺(tái)液壓系統(tǒng)仿真模型,如圖9所示。液壓缸上方施加一個(gè)恒力信號(hào)模擬真實(shí)情況下割臺(tái)自重。

為了研究割臺(tái)升降性能,設(shè)置如下仿真參數(shù)：給先導(dǎo)閥芯輸入電磁信號(hào),分別為40、0、-40、 0、40N,每個(gè)階段的時(shí)間間隔為2s,忽略閥芯的粘性摩擦及油液液動(dòng)力[9]。系統(tǒng)仿真時(shí)間設(shè)置為10s,步長(zhǎng)設(shè)置為0.1s,得到液壓缸位移曲線、系統(tǒng)流量曲線、系統(tǒng)壓力曲線如圖10～圖12所示。

由圖10可以看出：液壓缸位移曲線和實(shí)際工作過(guò)程中曲線基本一致,液壓缸下降過(guò)程靠自身重力驅(qū)動(dòng)。由圖11可以看出：在液壓缸提升過(guò)程中,泵的流量始終略大于液壓缸進(jìn)口流量,隨著液壓缸進(jìn)口處流量改變而發(fā)生改變;液壓缸下降過(guò)程中,壓力油進(jìn)入液壓鎖可動(dòng)閥芯右側(cè),推動(dòng)閥芯左移, 打開(kāi)單向閥,使液壓缸活塞下部液壓油迅速回到油缸。由圖12看出：液壓泵出口壓力始終大于液壓缸進(jìn)口處壓力。液壓泵的壓力隨著液壓缸的入口處壓力改變發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)節(jié)能[10]。

1.負(fù)載敏感變量泵 2.彈簧腔 3.敏感腔 4.負(fù)載敏感閥 5.壓力切斷閥 6.可變節(jié)流閥 7.三通壓力補(bǔ)償器 8.電控先導(dǎo)閥 9.電液多路閥主閥 10.單向節(jié)流閥 11.梭閥圖8 聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)液壓升降系統(tǒng)原理圖Fig.8 Principle diagram of hydraulic lifting system for cutting table of combine harvester

圖9 聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)升降系統(tǒng)HCD仿真模型Fig.9 HCD simulation model of the cutting platform lifting system of combine harvester

圖10 液壓缸位移曲線Fig.10 Cylinder displacement curve

圖11 割臺(tái)升降系統(tǒng)流量曲線Fig.11 Flow curve of system

圖12 系割臺(tái)升降系統(tǒng)壓力曲線Fig.12 Pressure curve of system

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢測(cè)用于割臺(tái)升降控制的負(fù)載敏感比例多路閥及其液壓系統(tǒng)的性能及可靠性,2018年7月在日照市南湖工業(yè)園日照海卓液壓有限公司進(jìn)行了負(fù)載敏感比例多路閥及其液壓系統(tǒng)的試驗(yàn)。負(fù)載敏感比例多路閥如圖13所示。

4.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所選用的測(cè)試系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)： 主系統(tǒng)額定工作壓力為32MPa,額定流量為180L/min。試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)回路分為主測(cè)試系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)兩部分：主測(cè)試系統(tǒng)包括系統(tǒng)壓力、流量檢測(cè)單元、加載單元等;輔助測(cè)試系統(tǒng),主要為先導(dǎo)式閥提供液壓油,同時(shí)提供階躍控制信號(hào)。時(shí)延分布如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)布置圖Fig.14 System layout of the test bed

將負(fù)載敏感比例多路閥塊安裝在液壓試驗(yàn)臺(tái)架上,按照油口布置連接各個(gè)管路,將負(fù)載敏感泵、液壓缸接入液壓系統(tǒng)中。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

給液壓缸施加4 000N模擬割臺(tái)自重,操作控制面板,給先導(dǎo)閥芯輸入電磁信號(hào),分別為40、0、-40、0、40N,分別為2s。觀察液壓缸運(yùn)動(dòng)曲線與仿真曲線對(duì)比,如圖15、圖16所示。

通過(guò)圖14可以發(fā)現(xiàn)：在試驗(yàn)中由于閥芯的粘性摩擦及油液液動(dòng)力等外界因素,液壓缸位移曲線總是滯后與仿真曲線。由圖15可以看出：試驗(yàn)測(cè)得壓力曲線與仿真得到的壓力曲線走向基本一致,但實(shí)際壓力大于仿真壓力,通過(guò)試驗(yàn)可以看出仿真模型基本合理。

圖15 位移曲線對(duì)比圖Fig.15 Comparison of displacement curves

圖16 壓力曲線對(duì)比圖Fig.16 Comparison of pressure curves

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于大型聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)升降控制的負(fù)載敏感多路閥,確定了其結(jié)構(gòu)形式,并利用AMESim中的HCD模塊對(duì)大型聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)升降液壓系統(tǒng)和負(fù)載敏感系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。同時(shí),對(duì)后割臺(tái)提升下降的工作過(guò)程進(jìn)行了模擬,搭建了試驗(yàn)臺(tái)架并對(duì)負(fù)載敏感多路閥及其液壓系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。研究結(jié)果表明：當(dāng)大型聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)應(yīng)用負(fù)載敏感系統(tǒng)時(shí),可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失;同時(shí),設(shè)計(jì)的負(fù)載敏感電液比例多路閥可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)液多路閥,有效節(jié)約勞動(dòng)力。仿真結(jié)果符合實(shí)際情況下大型聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)工作狀態(tài),為后續(xù)的丘陵山地聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)升降調(diào)節(jié)提供了仿真模型。