基于PVG的甘蔗聯(lián)合收割機(jī)負(fù)載敏感控制研究*

陳遠(yuǎn)玲，彭卓，覃東東，曹镕韜，張凡毅

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧市，530004)

0 引言

甘蔗是制糖的主要原料，當(dāng)前我國(guó)甘蔗種植面積位居世界第三，其中廣西種植面積占比達(dá)60%，但受季節(jié)天氣、地形及收割機(jī)性能等因素的影響，導(dǎo)致我國(guó)的甘蔗收割機(jī)械化仍不足15%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家，與巴西等發(fā)展中國(guó)家相比甚至存在較大差距，因此甘蔗的收獲成本較高，這使得我國(guó)的白糖價(jià)格在國(guó)際上處于劣勢(shì)[1-4]。為提高蔗農(nóng)經(jīng)濟(jì)效益，降低勞動(dòng)力強(qiáng)度，國(guó)家制訂了相關(guān)政策來加快提高廣西甘蔗收割機(jī)械化水平[5]。盡管甘蔗聯(lián)合收割機(jī)在市場(chǎng)上已有成品出售，但其液壓系統(tǒng)性能仍有待提高，系統(tǒng)能耗高，發(fā)熱嚴(yán)重，綜合性能不理想[6]。廣西地形多為丘陵地帶，工況復(fù)雜，導(dǎo)致甘蔗收割機(jī)工作時(shí)負(fù)載波動(dòng)大，加上其執(zhí)行元件眾多，使得各執(zhí)行器間的速比往往不能在負(fù)載波動(dòng)的時(shí)候保持在合理范圍，進(jìn)而發(fā)生堵塞的情況，降低收割效率，各執(zhí)行器的速比關(guān)系還會(huì)影響到甘蔗收獲質(zhì)量[7-10]。陳遠(yuǎn)玲等[11-14]針對(duì)廣西地形多變?cè)斐傻呢?fù)載波動(dòng)大，液壓系統(tǒng)工作效率低等問題，采用負(fù)載敏感技術(shù)，通過AMESim對(duì)閉式負(fù)載敏感泵系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行了仿真分析，但仿真所用載荷參數(shù)主要來源于理論計(jì)算，與實(shí)際工況有一定差距。

本文通過試驗(yàn)獲得甘蔗聯(lián)合收割機(jī)在無倒伏、有倒伏兩種工況下各工作部件的載荷特征，研究將PVG負(fù)載敏感閥應(yīng)用于甘蔗聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)的可行性，尋找能兼顧甘蔗收割機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能減耗、保持子系統(tǒng)間速比關(guān)系的思路和方法，優(yōu)化甘蔗聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)備及儀器

本次數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)的機(jī)型為廣西某企業(yè)研制的中型切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)，各工作部件均采用液壓驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用甘蔗收割機(jī)Fig. 1 Sugarcane combine for test

試驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(型號(hào)：SomateDAQ-lite)能在復(fù)雜工況順利進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具有性能穩(wěn)定，采樣頻率高、多通道、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械及農(nóng)機(jī)領(lǐng)域。此外，試驗(yàn)采用托普濕度和硬度測(cè)試儀，對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的土壤濕度、硬度進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試方案設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)采集

切段式甘蔗收割機(jī)的關(guān)鍵工作部件(包括：刀盤、切段及風(fēng)機(jī)馬達(dá))承擔(dān)了甘蔗收獲的重要工序任務(wù)[15]，因此將刀盤、切段及風(fēng)機(jī)的馬達(dá)作為主要測(cè)試對(duì)象。圖2為田間載荷數(shù)據(jù)采集的方案示意圖，電源采用甘蔗收割機(jī)自帶的24 V直流電池，分別給SomateDAQ-lite數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器供電。本次測(cè)試試驗(yàn)中，選擇刀盤、切段和風(fēng)機(jī)馬達(dá)的進(jìn)口壓力作為壓力傳感器的測(cè)量點(diǎn)，轉(zhuǎn)速傳感器將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速值，傳感器信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，并在筆記本電腦中實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)。

圖2 數(shù)據(jù)采集方案示意圖Fig. 2 Schematic diagram of data acquisition scheme

數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)分別在廣西扶綏縣和南寧金光農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，表1為試驗(yàn)田條件參數(shù)，各工作部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)則根據(jù)課題組前期研究得到的較優(yōu)速比約束關(guān)系設(shè)定：行走速度2 km/h、刀盤轉(zhuǎn)速600 r/min、切段轉(zhuǎn)速250 r/min和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

表1 試驗(yàn)田條件參數(shù)Tab. 1 Field parameters

2 兩種典型工況關(guān)鍵部件的載荷研究

圖3、圖4分別為無倒伏工況和有倒伏工況各部件的轉(zhuǎn)速及載荷情況。從圖3可見，甘蔗聯(lián)合收割機(jī)在無倒伏試驗(yàn)田工作時(shí)，各工作部件的壓力載荷和轉(zhuǎn)速有一定程度的波動(dòng)；從圖4中可以看出,甘蔗收割機(jī)在有倒伏工況收割時(shí)各工作部件轉(zhuǎn)速、壓力波動(dòng)幅度很大，原因是甘蔗倒伏導(dǎo)致了甘蔗不規(guī)則排序，引起喂入量不均勻；此外，倒伏彎曲的甘蔗在喂入過程中容易造成與機(jī)械裝置的刮碰、卡堵，多種因素綜合導(dǎo)致載荷波動(dòng)幅度增大。

(a) 刀盤馬達(dá)轉(zhuǎn)速

(b) 刀盤馬達(dá)壓力

(c) 切段馬達(dá)轉(zhuǎn)速

(d) 切段馬達(dá)壓力

(e) 風(fēng)機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)速

(f) 風(fēng)機(jī)馬達(dá)壓力

(a) 刀盤馬達(dá)轉(zhuǎn)速

(b) 刀盤馬達(dá)壓力

(c) 切段馬達(dá)轉(zhuǎn)速

(d) 切段馬達(dá)壓力

(e) 風(fēng)機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)速

(f) 風(fēng)機(jī)馬達(dá)壓力

運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件Ncode統(tǒng)計(jì)分析出甘蔗收割機(jī)各工作部件在無倒伏和有倒伏工況收割時(shí)的轉(zhuǎn)速和壓力載荷，具體數(shù)值見表2、表3。

表2 各工作部件的轉(zhuǎn)速情況Tab. 2 Speed of components

表3 各工作部件的壓力載荷情況Tab. 3 Pressure of components

從表2、表3數(shù)據(jù)可見，有倒伏工況下各工作部件載荷的波動(dòng)范圍均比無倒伏工況載荷的波動(dòng)范圍大，其中刀盤馬達(dá)受影響最大，在有倒伏工況下刀盤馬達(dá)載荷波動(dòng)范圍是無倒伏工況的2.8倍、轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍是無倒伏工況的8.1倍。甘蔗聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)時(shí)的工況常常是有倒伏工況和無倒伏工況交替出現(xiàn)，載荷波動(dòng)很大，由此可見在甘蔗聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)采用負(fù)載敏感技術(shù)進(jìn)行負(fù)載匹配和穩(wěn)定工作部件轉(zhuǎn)速是非常必要的。

3 基于PVG32負(fù)載敏感控制的研究

刀盤子系統(tǒng)作為甘蔗收割機(jī)最重要的工作部件之一，其工作穩(wěn)定性直接影響了甘蔗切割的質(zhì)量、效率和成本。本節(jié)首先介紹PVG32閥前補(bǔ)償?shù)幕窘M成及原理；其次，通過AMESim對(duì)PVG32閥閥前補(bǔ)償進(jìn)行建模分析；最后，結(jié)合刀盤馬達(dá)的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，將PVG32-A開芯系統(tǒng)、PVG32-C閉芯系統(tǒng)和普通節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，對(duì)比三種系統(tǒng)的節(jié)能性。

3.1 兩種典型工況載荷信號(hào)

根據(jù)數(shù)據(jù)采集情況，選擇無倒伏與有倒伏兩種典型工況的刀盤壓力及轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行分析，見圖5。

從圖5可以看出，無倒伏工況刀盤的壓力均值為7.03 MPa，轉(zhuǎn)速均值為613 r/min；有倒伏工況刀盤的壓力均值為9.9 MPa，轉(zhuǎn)速均值為591 r/min，整個(gè)過程來回波動(dòng)較大。

(a) 刀盤壓力

(b) 刀盤轉(zhuǎn)速

3.2 PVG32-A系統(tǒng)原理及建模

PVG32-A系統(tǒng)主要由定量泵、電機(jī)、定差溢流閥、溢流閥、換向閥、梭閥及單向閥等組成。其中由三通型壓力補(bǔ)償器構(gòu)成的定差溢流閥結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 三通壓力補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Principle of the three-way pressure compensator

定差溢流閥的非彈簧腔接入節(jié)流閥進(jìn)油口，彈簧腔接入節(jié)流閥的出油口，則閥芯的平衡方程為

PP×A=PL×A+F

(1)

因此節(jié)流閥前后壓差

(2)

可以得出有用功率

PW=PL×q1

(3)

損失功率

Ploss=ΔP×q1+PT×q2

(4)

式中:PP——泵的出口壓力，MPa；

A——彈簧腔的作用面積，m2；

PL——負(fù)載壓力，MPa；

F——彈簧力，N；

PT—溢流壓力；

q1——節(jié)流閥出口流量，L/min。

由式(1)、式(2)可以得出，加入定差溢流使得泵的出口壓力與負(fù)載壓力的壓差始終為定值。

PVG32-A液壓系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 PVG32-A液壓系統(tǒng)Fig. 7 PVG32-A hydraulic system1.泵 2.溢流閥 3.定差溢流閥 4.換向閥 5.馬達(dá) 6.單向閥 7.梭閥

PVG32-A在AMESim軟件中搭建仿真模型如圖8所示。模型主要元件仿真參數(shù)如表4所示。

圖8 PVG32-A的AMESim仿真模型Fig. 8 AMESim simulation model of PVG32-A

表4 仿真參數(shù)Tab. 4 Simulation parameters

通過AMESim軟件建立好仿真模型后，各元件的參數(shù)根據(jù)實(shí)際的參數(shù)進(jìn)行編輯，刀盤齒輪箱減速比為2∶1，設(shè)置仿真時(shí)間為313 s，取樣頻率100 Hz。

3.3 節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)和PVG32-C系統(tǒng)的建模

切段式的甘蔗聯(lián)合收割機(jī)刀盤子系統(tǒng)目前常用的是傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，由定量泵、溢流閥、節(jié)流閥、馬達(dá)等元件組成，該系統(tǒng)在AMESim搭建模型搭建完畢后，將試驗(yàn)采集的刀盤載荷譜數(shù)據(jù)通過AMESim元件庫(kù)中的動(dòng)態(tài)插值表導(dǎo)入仿真模型。主要操作步驟為：將采集所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入此元件內(nèi)置的插值表中形成相對(duì)應(yīng)的插值函數(shù)，之后模型輸入信號(hào)可根據(jù)此插值函數(shù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的載荷加載在仿真模型中。

圖9、圖10分別為采用節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的刀盤轉(zhuǎn)速與壓力的仿真與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比曲線，根據(jù)其跟蹤結(jié)果來看：無倒伏的工況刀盤轉(zhuǎn)速的平均跟蹤誤差為0.4%，有倒伏工況其平均跟蹤誤差為0.2%，可見仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好，從而驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

(a) 無倒伏工況

(b) 有倒伏工況

PVG32-C系統(tǒng)與PVG32-A系統(tǒng)相比，主要區(qū)別是不含定差溢流閥，它將LS負(fù)載信號(hào)直接引入變量泵系統(tǒng)，其AMESim建模見圖11。以下通過分析PVG32-C系統(tǒng)與PVG32-A系統(tǒng)性能，進(jìn)一步對(duì)刀盤系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行分析。

(a) 無倒伏工況

(b) 有倒伏工況

圖11 PVG32-C的AMESim仿真模型Fig. 11 AMESim simulation model of PVG32-C

3.4 無倒伏和有倒伏刀盤子系統(tǒng)性能分析

3.4.1 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性分析

將節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)、PVG32-A系統(tǒng)及PVG32-C系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性分析，見表5，其對(duì)應(yīng)的無倒伏和有倒伏工況的轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線見圖12。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：無倒伏工況轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性比較：PVG32-A系統(tǒng)≈PVG32-C系統(tǒng)(優(yōu)于)>節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)；有倒伏工況穩(wěn)定性比較：PVG32-A系統(tǒng)≈PVG32-C系統(tǒng)(優(yōu)于)>節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。

表5 三種系統(tǒng)中工作部件的轉(zhuǎn)速對(duì)比Tab. 5 Speed comparison of working parts in the three systems

(a) 無倒伏工況

(b) 有倒伏工況

通過以上分析可知，在刀盤工作部件的負(fù)載波動(dòng)量較大時(shí)，PVG32閥閥前補(bǔ)償系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性明顯優(yōu)于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)于改善宿根切割質(zhì)量，為后續(xù)物流通道的流暢、平穩(wěn)工作提供一定的工作條件。

3.4.2 節(jié)能性分析

將節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)、PVG32-A系統(tǒng)及PVG32-C系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能性對(duì)比分析,見表6，其對(duì)應(yīng)的無倒伏和有倒伏典型工況三種系統(tǒng)的功率對(duì)比曲線見圖13。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：(1)無倒伏工況系統(tǒng)平均功率情況：節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)>PVG32-A系統(tǒng)>PVG32-C系統(tǒng)，且PVG32-A系統(tǒng)和PVG32-C系統(tǒng)的功率分別比節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)降低54.81%、59.81%。(2)有倒伏工況系統(tǒng)平均功率情況：節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)>PVG32-A系統(tǒng)>PVG32-C系統(tǒng)，且PVG32-A系統(tǒng)和PVG32-C系統(tǒng)的功率分別比節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)降低47.73%、53.8%。

表6 三種系統(tǒng)節(jié)能性的分析Tab. 6 Energy saving analysis of three systems

(a) 無倒伏工況

(b) 有倒伏工況

綜上分析，節(jié)能性：PVG32-C系統(tǒng)(優(yōu)于)> PVG32-A系統(tǒng)(優(yōu)于)>節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。分析原因是PVG32閥閥系統(tǒng)的壓力補(bǔ)償閥發(fā)揮了負(fù)載匹配作用，使得泵的出口壓力始終與負(fù)載壓力相匹配，相較于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)降低了壓力損失。

4 結(jié)論

通過實(shí)測(cè)獲得各工作部件的載荷譜，并將實(shí)際載荷導(dǎo)入機(jī)電液仿真模型AMESim進(jìn)行了定量分析，得出如下結(jié)論。

1) 有倒伏工況下液壓馬達(dá)負(fù)荷變化的幅度比無倒伏工況的大，因此采用節(jié)流調(diào)速回路時(shí)工作部件轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍也較大,由于系統(tǒng)壓力需要根據(jù)最大負(fù)荷值設(shè)定，定壓調(diào)速系統(tǒng)能量損失大，回路效率低。

2) 采用基于PVG的負(fù)載敏感閥閥前補(bǔ)償技術(shù)后，有倒伏情況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的幅度可減小到15.38 r/min，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定有利于保證各執(zhí)行部件間轉(zhuǎn)速的速比關(guān)系，從而提高甘蔗的機(jī)械收獲質(zhì)量。

3) 采用基于PVG的負(fù)載敏感閥閥前補(bǔ)償技術(shù)，相比較于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)可獲得明顯的節(jié)能效果，甘蔗無倒伏時(shí)采用PVG32-C的系統(tǒng)功率消耗降低最高可達(dá)59.81%，采用PVG32-A的系統(tǒng)功率消耗降低最高可達(dá)54.81%，但從投入的設(shè)備成本來看，后者優(yōu)于前者，使用者可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。