基于AMESim的4MKJ地膜回收聯合作業機開式液壓系統設計與試驗*

李凈凱，王敏，王吉亮，盧勇濤，營雨琨，何玉澤

(1. 新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子，832000； 2. 石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子，832000)

0 引言

液壓技術是裝備制造業中十分重要的基礎領域，自20世紀初期開始，液壓技術就被工程師使用在農業機械裝備中[1]，傳統農業機械中的液壓系統普遍通過油缸的伸縮來實現機具結構的簡單調整，對液壓技術的控制功能應用較淺[2]，隨著液壓技術的成熟和農業工作者對于高度自動化農業機械的需求凸顯，液壓技術已經不再單純的作為一種傳動方式，而是更多的作為一種控制手段[3]，現代農業裝備的發展離不開液壓技術，液壓技術以其標準化的元件為農機機械的使用者提供很多便利，標準化的液壓元件不僅方便設計，并且在零件報廢后方便更換。與傳統機械傳動相比，液壓傳動控制技術更容易實現對運動參數的控制[4-5]，具有響應速度快、結構緊湊、故障率低、易于實現自動化控制、過載保護等優點[6-8]，液壓技術與傳感器技術、電子技術的結合，推動了我國裝備制造業的發展[9]。

我國的農業裝備發展離不開液壓控制技術，近年來，液控技術在我國農業機械上應用廣泛[10]，有些液壓傳動件已經成為農業機械上的常用配置[11]，如：液壓驅動聯合耕整機的圓盤耙組[12]、蘆葦自動打包機打包裝置[13]、油菜聯合收獲機串并聯組合式液壓驅動系統[14]。

從我國各地區農業機械發展現狀來看，新疆在殘膜回收機具的開發上有著突出進步，新疆農墾科學院研制了4SJ-1.6殘膜回收與莖稈粉碎聯合作業機[15]，通過單作用油缸和懸掛臂配合實現機具升降。趙巖等[16]研制CMTY-1500型農田殘膜撿拾打包聯合作業機，通過3組油缸的配合完成打包作業。采用鏈傳動和齒輪傳動的殘膜回收機具，工作穩定，殘膜回收率高[17]，但機具自動化程度低，適應性差，適用的作物品種少，且在進行殘膜回收后形成的膜堆易散，因此將液壓控制系統的優勢融入到殘膜回收機具的設計中已成為未來的發展趨勢。

AMESim軟件越來越多地被用于液壓系統的設計和仿真，在用于液壓系統仿真時具有快捷、準確的特點[18-22]。本研究針對殘膜回收機具自動化程度低，回收后膜堆易散的問題，提出了4MKJ地膜回收聯合作業機開式液壓系統，并采用AMESim軟件進行仿真分析，為殘膜回收機具液壓系統的設計提供了理論依據。

1 4MKJ地膜回收聯合作業機整機結構與工作原理

4MKJ地膜回收聯合作業機由液壓系統、莖稈粉碎裝置、耙齒收膜裝置、打捆裝置、主機架、牽引架等組成，如圖1所示。在作業時，牽引架與拖拉機相連，莖稈粉碎裝置將莖稈粉碎后通過風機拋送到機具側后方，耙齒收膜裝置設置在機具后方對粉碎后的地膜進行回收，回收的地膜在打捆裝置的打捆皮帶傳動下輸送至打捆腔內進行打捆，使用打捆方式得到的膜捆為無芯的圓柱狀膜捆，機具打捆過程中通過打捆裝置調節油缸的伸縮來柔性補償無芯膜捆的擴張量，作業完畢后卷膜板打開，膜捆掉落。整機工作參數如表1所示。

2 開式液壓系統設計

2.1 動作方案設計

本系統執行元件共包括4組油缸，每組油缸對稱裝配在機具兩側，結合秋后殘膜回收時的作業規范和田間實際情況，在地膜回收前進行莖稈粉碎作業，擬定出了開式液壓系統工作方案：機具作業時，卷膜板開合油缸回縮；耙齒收膜裝置升降油缸回縮至工作位后自鎖；莖稈粉碎裝置升降油缸回縮至工作位后自鎖；打捆裝置調節油缸浮動；當無芯膜捆直徑達到設計要求時，打捆裝置調節油缸回縮收緊，卷膜板開合油缸伸出；此時工作結束，機具切換為運輸狀態，回縮耙齒收膜裝置升降油缸伸出至運輸位后自鎖，莖稈粉碎裝置升降油缸伸出至運輸位后自鎖。

2.2 液壓系統設計

根據4MKJ地膜回收聯合作業機的整機結構與動作方案，設計了開式液壓系統，主要功能是打出成型的無芯膜捆，實現機具作業流程自動化。4MKJ地膜回收聯合作業機開式液壓系統包括升降回路、打捆裝置柔性補償回路、卷膜板開合回路，液壓系統原理圖如圖2所示。

圖2 液壓系統原理圖

升降回路通過液壓泵驅動油缸的活塞桿伸縮來舉起莖稈粉碎裝置與耙齒收膜裝置，從而完成升降動作，通過液壓鎖使機具在工作狀態和運輸狀態時，兩對升降油缸自鎖，以保證工作安全性和降低耗能。打捆裝置柔性補償回路通過巧妙使用溢流閥，來使油缸柔性補償無芯膜捆的擴張量，原理是將溢流閥串聯在油缸的進油路上，通過液壓泵驅動油缸收緊活塞桿，在打捆時打捆皮帶給油缸的活塞桿一個向外的拉力，當進油路壓力達到溢流閥的臨界壓力時，溢流閥溢流，使得柔性補償的動作得以完成，保證了成捆率，并防止打捆皮帶受拉力過大造成損傷，在一代樣機的試機過程中發現當溢流閥臨界壓力調整為4～6 MPa之間時，膜捆的緊實度較合適。卷膜板開合回路通過液壓泵驅動一對單頭固定油缸的活塞桿伸縮，從而帶動卷膜板的開合，完成卸膜工作。

2.3 液壓系統主要參數及元件設計選型

2.3.1 預選系統工作壓力

本研究設計的機械歸屬農業機械。查閱液壓工程師技術手冊，參考各種機械常用系統工作壓力表，根據機械類型，擬定預選的系統工作壓力p=10～18 MPa[23]。

2.3.2 負載分析

用地磅稱測得耙齒收膜裝置和莖稈粉碎裝置的質量分別為m鏈耙=1 080 kg，m打稈機=1 000 kg，故本系統中液壓缸的工作壓力Fmax=10 kN。

2.3.3 油缸參數計算

計算液壓缸內徑D，可以按照式(1)計算[24]。

(1)

按式(1)計算D并查液壓工程師技術手冊參照GB/T 2348—1993液壓缸缸筒內徑尺寸系列，將內徑取標準值D=40 mm[23]。

由式(1)推導出式(2)

(2)

將D=40 mm代入式(2)中，確認液壓缸的工作壓力為13 MPa。

計算活塞桿直徑d，要確定活塞桿直徑大小，首先根據液壓缸往復速比推薦表，按照工作壓力選擇速比。選擇推薦速比Φ=1.46，則按式(3)計算[24]

(3)

參照GB/T 2348—1993液壓缸活塞桿外徑尺寸系列，取活塞直徑d=25 mm。因為活塞桿在受壓條件下工作時，取d/D=0.5～0.7。故d=25 mm、D=40 mm滿足條件[23]。打捆裝置調節液壓缸的行程為350 mm，卷膜板開合油缸、莖稈粉碎裝置升降油缸、耙齒收膜裝置升降油缸的行程均為200 mm。根據液壓缸內徑、活塞桿直徑和行程，選用了可以通用于200 mm和350 mm兩個行程的HSGL-40BH-EZ1型液壓缸。

2.3.4 液壓泵參數計算

液壓泵工作壓力pP按照式(4)計算[24]

pP≥p+∑Δp

(4)

式中： Δp——泵到油缸間的壓力損失。

本系統中有單向閥，取∑Δp=0.5 MPa，則液壓泵的工作壓力pP=13.5 MPa。

液壓泵的流量qVP按照式(5)計算[24]

qVP≥K(∑qmax)

(5)

式中：K——泄漏系數，取1.2；

qmax——系統最大流量。

系統最大流量發生在莖稈粉碎裝置升降工況。

∑qmax=Av=Ddv=7.2 L/min

式中：v——活塞外伸速度，取值0.12 m/s；

A——液壓缸有效接觸面積。

綜合考慮根據液壓泵的流量和壓力，本文選用了V4-1-20S/Y-JL型葉片泵。

3 開式液壓系統建模與仿真分析

3.1 開式液壓系統建模

AMESim的機械庫中選取轉速恒定動力模型(PM000)來提供油泵的轉速，用FORC模型將線性信號轉化為力用于模擬液壓缸的外負載，用位移傳感器模型(MECDSOA)來模擬行程開關。用線性軸節點模型(LCON11)來模擬皮帶，用液壓元件設計庫中的活塞模型(BAP12)來模擬動態增大的膜捆，通過使用線性軸節點模型(LCON11)、活塞模型(BAP12)和線性模擬器(UD00)來實現油缸對膜捆的柔性補償，模擬膜捆的增大和打捆時所受皮帶的壓力。AMESim中打捆裝置模型如圖3所示。

圖3 打捆裝置模型

根據液壓系統原理圖和設計參數，使用AMESim搭建開式液壓系統的仿真模型，如圖4所示，針對4MKJ地膜回收聯合作業機在田間作業時受田間地形、秸稈和土石等因素的影響，對油缸活塞桿的伸縮工況進行仿真，為系統優化提供依據。

圖4 AMESim液壓系統模型圖

3.2 仿真參數設置

仿真參數設置如下，液壓泵轉速為1 500 r/min，排量為5 mL/r；系統溢流閥的工作壓力為15 MPa，打捆裝置溢流閥工作壓力給定5 MPa；各油缸的行程、內徑、外徑參照2.3節設置；活塞模型(BAP12)用于模擬動態增大膜捆，活塞直徑給定30 mm，參數項chamber length at zero displacement給定350 mm；所有換向閥的控制信號皆采用分段信號，連接換向閥的控制信號設定如圖5～圖8所示，正電信號時換向閥左位工作，負電信號時換向閥右位工作(左正右負)；其余參數采用系統默認。

圖5 UD00-10信號值曲線

圖6 UD00-2信號值曲線

圖7 UD00-8信號值曲線

圖8 UD00-9信號值曲線

3.3 開式液壓系統仿真分析

利用AMESim軟件對開式液壓系統的仿真結果進行分析，考慮到機具的現實工作周期過長，取仿真時間30 s，步長0.01 s，結果如圖9～圖13所示。

圖9 打捆裝置柔性補償回路信號值和油缸變化曲線

圖10 卷膜板開合回路信號值和油缸變化曲線

圖11 莖稈粉碎裝置升降回路信號值和油缸變化曲線

圖12 耙齒收膜裝置升降回路信號值和油缸變化曲線

圖13 耙齒收膜裝置升降油缸與莖稈粉碎裝置升降油缸動作先后示意圖

圖9為機具工作過程中打捆裝置換向閥接收的信號值曲線和打捆裝置調節油缸的活塞位移曲線，根據左正右負的設定，由圖9可知：在非工作狀態，0～5 s時，打捆裝置換向閥左位工作，打捆裝置調節油缸完全伸出350 mm，皮帶放松。在工作狀態，5～8.2 s時，打捆裝置換向閥切換為右位工作，打捆裝置調節油缸回縮收緊打捆皮帶，回縮300 mm后觸碰打捆裝置行程開關導致分段信號輸入值變為0，打捆裝置換向閥中位工作；8.2 s時機具開始作業，工作至15 s時，在膜捆對皮帶的壓力下，皮帶帶動打捆裝置調節油缸開始浮動，21.5 s時膜捆成型，半徑達300 mm。

圖10為機具工作過程中卷膜板換向閥接收的信號值曲線和卷膜板開合油缸的活塞位移曲線，由圖10可知：在非工作狀態，0～5 s時，卷膜板換向閥中位工作，卷膜板開合油缸保持伸出狀態。在工作狀態，5～15 s時，卷膜板換向閥切換為左位工作，卷膜板開合油缸在6.16 s時完全縮回，做好打捆準備，工作至21.5 s時膜捆成型，23.5 s時卷膜板開合油缸完全伸出并觸碰卷膜板行程開關，導致分段信號輸入值變為0，卷膜板換向閥切換為中位工作，卸膜工作完成。

綜合圖11～圖13可知，在12.3 s與10.3 s時，莖稈粉碎裝置升降油缸和耙齒收膜裝置升降油缸分別觸碰莖稈粉碎裝置行程開關和耙齒收膜裝置行程開關，導致分段信號輸入值變為0，此時莖稈粉碎裝置換向閥和耙齒收膜裝置換向閥切換至中位工作，由于液壓鎖的存在，使莖稈粉碎裝置升降油缸和耙齒收膜裝置升降油缸在受壓時無回縮動作。導致莖稈粉碎裝置升降油缸和耙齒收膜裝置升降油缸動作一先一后不同步的原因是設定的外負載不同，屬正常現象，對機具無不良影響。仿真結果表明，4MKJ地膜回收聯合作業機開式液壓系統能夠在各工作階段正常運行，控制機具在各工作階段完成設計動作。

4 打捆試驗

4.1 試驗目的

為檢驗4MKJ地膜回收聯合作業機的開式液壓系統中打捆裝置柔性補償回路的連續工況是否穩定；對4MKJ地膜回收聯合作業機的打捆作業情況進行統計分析。

4.2 試驗場地與設備

2020年10月，在新疆第八師121團場進行秋收后田間試驗，試驗田種植作物為棉花，滴灌設備已進行人工回收，土壤類型為灰漠土。試驗地塊長2 000 m、寬200 m，鋪設的地膜厚度為0.01 mm，符合GB 13735—2017《聚乙烯吹塑農用地面膜覆蓋薄膜》[25]，每公頃棉田的地膜用量為96.6 kg。

通過拖拉機牽引機具在田間行走，同時進行殘膜撿拾、莖稈粉碎、打捆等動作。試驗設備包括4MKJ地膜回收聯合作業機和約翰迪爾1204型拖拉機，聯合作業機的工作幅寬為2.2 m，拖拉機行駛速度為8 km/h。

4.3 試驗方案

根據GB/T 14290—2008《圓草捆打捆機》[26]給定的打捆機性能試驗方法，以成捆率為評價打捆效果的指標，對配套本開式液壓系統的4MKJ地膜回收聯合作業機的打捆效果進行試驗，給定成捆率計算公式為

式中：IE——總捆數；

IC——成捆數。

4.4 結果與分析

4MKJ地膜回收聯合作業機的打捆試驗包括7個試驗組，每個試驗組選取連續卸下的20個膜捆，成捆率試驗結果如表2所示。

表2 成捆率試驗結果

成捆率試驗結果表明，配套本開式液壓系統的4MK地膜回收聯合作業機的平均成捆率可達到95.7%。造成膜捆未能成型的原因主要有：一是作業環境太過潮濕，導致摻入的碎稈、泥土等雜質過多，將殘膜隔開，使成型膜捆過于松散；二是部分作業區域棉田中含殘膜量少，導致殘膜撿拾量不達標，造成膜捆不成形。試驗中還發現，當機具在含水量少、較干燥的棉田中作業時，卸下的膜捆形狀規整，膜捆緊實，含雜質少。

5 結論

1) 為了保證4MKJ地膜回收聯合作業機成捆率要求，解決膜堆易散問題，提升機具自動化程度，設計了4MKJ地膜回收聯合作業機開式液壓系統，并對液壓系統主要參數進行設計計算，最后系統選用了V4-1-20S/Y-JL型葉片泵和HSGL-40BH-EZ1型液壓缸。

2) 通過使用AMESim對4MKJ地膜回收聯合作業機開式液壓系統進行建模仿真可知：4MKJ地膜回收聯合作業機開式液壓系統能夠在各工作階段正常運行，控制機具在各工作階段完成設計動作。

3) 本開式液壓系統應用在4MKJ地膜回收聯合作業機中，通過油缸動作觸發行程開關，動作相互銜接，實現了作業流程的自動化。田間打捆試驗證明，開式液壓系統在實際應用中工作穩定，平均成捆率可達95.7%。且試驗發現，當機具在較干燥的棉田中作業時，打捆效果更好。