液壓旋耕機工作裝置負載敏感系統分析

羅艷蕾，杜 黎，李 屹

(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

引言

在農業生產中，耕地是最重要、最基礎的環節，耕地環節的好壞直接影響著農作物的生長情況[1-2]。耕作機械的主要任務就是翻整、疏松土地，從而提高農作物的產量。旋耕機作為重要的耕作機械，已逐漸成為了農業現代化的重要組成部分，并且逐漸地改善了我國傳統的農耕方式[3-5]。而傳統的旋耕機主要采用機械傳動的方式，其結構復雜，摩擦損失高，控制精度差，旋耕機工作時，由于其復雜多變的工況，使傳統的機械傳動方式很難滿足其工況要求。而采用靜液壓驅動的方式，使旋耕機的結構更加緊湊，控制精度高，能更好地適應多變的工況[6]。

但是普通的液壓系統制作成本較高，而靜液驅動旋耕機需要盡可能降低成本，因此可以采用負載敏感系統。

負載敏感系統由于其優越的節能性、可控性，而被廣泛地應用在工程機械和農業機械等領域中[7-10]。負載敏感系統能夠通過感受負載壓力信號，改變液壓泵輸出的流量和壓力，從而根據工況需求提供負載所需的流量，大大地減少溢流和節流損失，從而降低系統的功率損失。并且負載敏感系統能使各支路的執行機構相互獨立并以不同的壓力和速度工作，實現多執行機構的復合動作[11-12]。將負載敏感系統運用在旋耕機中，使旋耕機能夠實現單泵驅動多個動作，實現旋耕機的升降液壓缸與回轉液壓馬達的復合動作，使其工作系統便于控制。

負載敏感系統按照泵的類型分為變量泵負載敏感系統和定量泵負載敏感系統，其中定量泵負載敏感系統采用負載敏感多路閥與定量泵進行匹配，通過負載敏感多路閥中的三通壓力補償閥實現系統的壓力調節和卸荷[13-14]。相比變量泵負載敏感系統，定量泵負載敏感系統的成本低且響應速度快。按照壓力補償閥與節流口的相對位置可將負載敏感系統分為閥前壓力補償和閥后壓力補償系統[15]。相比閥前壓力補償系統，閥后壓力補償系統具有抗流量飽和能力，并且能夠最大程度降低成本[16-18]。因此，所設計的旋耕機工作系統采用定流量閥后壓力補償負載敏感系統。

1 旋耕機負載敏感系統原理

靜液驅動旋耕機工作機構由旋耕刀升降機構與旋耕刀回轉機構組成，旋耕機工作時，需要其升降機構與回轉機構能夠進行復合動作且互不影響，本研究根據負載敏感原理設計一套旋耕機液壓系統回路，其原理如圖1所示。該負載敏感回路中二通壓力補償閥7置于多路閥6出口處，且采用單向閥8與二通壓力補償閥7并聯供系統回油使用。系統采用單向閥9，比較旋耕刀升降液壓缸10與旋耕刀回轉液壓馬達11進出油口的最大負載壓力，并將最大負載壓力傳遞給進出油路上的二通壓力補償閥7的彈簧腔以及壓力補償閥4的彈簧腔。系統采用先導泵2提供先導油液，再通過先導手柄14控制多路閥閥芯位移的動作。

當多路閥處于中位時，執行機構不工作，通過壓力補償閥4閥芯的受力平衡，改變壓力補償閥開口量，旁路流出多余的流量，從而調節泵的出口壓力，使泵的壓力始終比傳遞過來的最大負載壓力信號高出一個常值。當多路閥切換到工作位時，兩執行機構同時工作，其中升降液壓缸10直接帶動旋耕刀進行升降，回轉液壓馬達11通過二級行星減速器帶動旋耕刀回轉，通過二通壓力補償閥6維持2個回路中多路閥前后壓差的恒定，從而保證靜液驅動旋耕機各執行機構所需的流量與負載無關，只與多路閥6的開口量大小有關。由于采用閥后壓力補償，當旋耕機液壓系統發生流量飽和時，該工作系統能根據升降液壓缸與回轉液壓馬達的負載需求等比例分配流量，使流量獨立分配，從而實現執行機構獨立工作，互不影響。

1.定量泵 2.先導泵 3.內燃機 4.壓力補償閥5.溢流閥 6.多路閥 7.二通壓力補償閥 8、9.單向閥10.旋耕刀升降液壓缸 11.旋耕刀回轉液壓馬達12.蓄能器 13.先導閥 14.先導控制手柄圖1 旋耕機工作回路原理圖

2 旋耕機液壓系統建模

為檢驗所設計的定流量閥后負載敏感系統是否滿足旋耕機的工作要求。根據旋耕機工作回路，在AMESim平臺中采用HCD庫與液壓元件庫，搭建出液壓系統回路仿真模型如圖2所示，為分析不同工況下系統的特性奠定基礎，仿真模型主要參數如表1所示。

表1 仿真模型主要參數

圖2 旋耕機工作回路仿真模型

3 旋耕機液壓系統特性分析

3.1 變負載工況系統

由于旋耕機的工作環境復雜多變，需要其能在變負載工況下正常工作，在AMESim仿真模型中，設置多路閥最大閥芯位移為0.5 mm，給定多路閥信號為40，使多路閥運動到最大閥芯位移，并設置液壓缸的外負載力在0～3 s內，從0 N上升到20000 N，液壓馬達的外負載轉矩在0～3 s內，從0 N·m上升到30 N·m，模擬變負載工況時，分析該液壓系統回路的性能特性。仿真得到各執行機構回路中多路閥前后壓壓力p與流量q曲線如圖3所示。

由圖3可得，當執行機構外負載發生變化時，升降回路與回轉回路的多路閥前后壓力在經過最初的波動后，跟隨外負載與外負載轉矩的變化線性上升，但多路閥前后的壓差始終保持恒定。并且當系統處于變負載工況，但控制多路閥先導信號不變時，流經各執行機構回路多路閥的流量基本保持恒定，可以看出流經多路閥的流量與外負載無關。

圖3 多路閥開口前后壓力與流量曲線

3.2 多路閥不同開口工況系統

分別給定多路閥的信號為10, 15, 25, 40，使多路閥閥芯分別運動到0.1250, 0.1875, 0.3125, 0.5000 mm處，從而改變多路閥的開口量大小，模擬多路閥不同開口工況，并設置升降液壓缸外負載力在0～3 s內恒定為20000 N，回轉液壓馬達外負載轉矩恒定為30 N·m，分析各執行機構在不同閥芯位移下的系統特性。設置仿真時間為3 s，采樣時間為0.01 s，得到閥口不同開口時多路閥的流量曲線如圖4所示；升降液壓缸速度v與回轉液壓馬達轉速n曲線如圖5所示。

設置液壓馬達排量由50 mL/r變為30 mL/r，仿真得到排量變化后閥口不同開口時多路閥的流量曲線如圖6所示。

圖6 改變排量后多路閥不同開口時流量曲線

由圖4、圖5可以看出，在升降回路與回轉回路中，當改變多路閥閥口開度時，流經多路閥的流量發生了改變，閥芯位移量大時流經多路閥的流量明顯大于小位移時的流量。并且閥芯位移量大時旋耕機的升降液壓缸速度和回轉液壓馬達的轉速都明顯大于小位移時的速度。

圖4 多路閥不同開口時流量曲線

圖5 多路閥不同開口時執行機構速度曲線

由圖6可以看出，液壓缸與液壓馬達排量關系發生改變后，當改變多路閥閥口開度時，閥芯位移量大時流經多路閥的流量仍然明顯大于小位移時的流量。

由此可以看出，負載敏感系統中，各執行機構所需的流量與外負載無關，主要與多路閥開口面積有關，且各執行機構之間互不影響，獨立工作。

3.3 流量飽和工況系統

由于旋耕機的工作環境復雜，當旋耕機下坡工作時，行走液壓系統需要的流量增加，會導致分配到工作液壓系統的流量減小，從而出現流量飽和工況，因此需要旋耕機的液壓系統具有抗流量飽和能力。

在AMESim模型中選用可變電機，轉速信號設為在0～5 s內恒定在1500 r/min，在5～10 s內降為800 r/min，使液壓泵的輸出流量降低，仿真模擬處于流量飽和工況時，該負載敏感系統的工作特性。設置仿真時間為10 s，采樣時間為0.01 s，得到升降液壓缸與回轉液壓馬達流量曲線，如圖7所示；升降液壓缸與回轉液壓馬達回路多路閥前后壓差，如圖8所示；升降液壓缸速度與回轉液壓馬達轉速曲線，如圖9所示。

由圖7、圖8可知，當電機轉速由1500 r/min降為800 r/min，此時液壓泵在0～5 s內輸出流量為60 L/min，在5～10 s內降為32 L/min，系統發生流量飽和。在0～5 s期間，升降液壓缸與回轉液壓馬達的流量在經過初始振蕩后均保持恒定，液壓缸回路多路閥前后壓差為4.12 MPa，液壓馬達回路多路閥前后壓差為2.92 MPa，液壓缸流量為32.58 L/min，液壓馬達流量為27.43 L/min，可以看出流入各執行機構的流量是根據各回路中多路閥的前后壓差比例分配的。在5～10 s期間，系統發生流量飽和，兩執行機構的流量均成比例減小，液壓缸流量下降為17.42 L/min，液壓馬達流量下降為14.58 L/min。由圖9可以看出，在系統發生流量飽和后，兩執行機構速度減小到一定值后，保持穩定。由此可知，該負載敏感回路控制特性良好，具有抗流量飽和特性，各執行機構能夠獨立工作。

圖7 執行機構流量曲線

圖8 執行機構多路閥前后壓差曲線

圖9 執行機構速度曲線

4 結論

根據液壓系統原理圖，在AMESim平臺中搭建液壓旋耕機的工作裝置系統回路，仿真分析系統分別處于變負載、多路閥不同開口與流量飽和工況下的工作特性，仿真結果證實該定流量閥后負載敏感系統，使液壓旋耕機實現單個定量泵驅動多執行機構的復合動作，提高了旋耕機系統的能量利用率，降低了成本。并且在該工作系統回路中，液壓旋耕機各執行機構所需流量主要取決于多路閥開口面積，與負載無關。且當系統發生流量飽和時，定量泵輸出的流量不足以滿足各執行機構所需的流量，系統會根據多路閥前后壓差將定量泵的流量按比例分配，使各執行機構正常、獨立地工作，互不干擾，系統的控制特性良好。因此采用該定流量閥后負載敏感系統能夠滿足液壓旋耕機的工作要求，為將負載敏感系統運用于農機提供了理論依據。