基于負載敏感的山地液壓收割機工作回路性能仿真分析

羅艷蕾，鄧行，穆洪云，杜威

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

0 前言

我國山地面積約占全國陸地總面積的33%，山地地區的耕地面積占我國耕地面積的比重很大，實現山地農作物機械自動化收割至關重要。收割機作為農作物收割的自動化機器，對實現我國農業機械化的目標意義重大。收割效率高的收割機往往可以降低農民勞動量和增加收益。然而現在的收割機大多都是在平原地帶設計使用，山地收割機的研發和應用較為稀缺。

平原地帶采用的收割機工作環境大多為平地，地形簡單；而山地采用的收割機工作環境復雜多變，收割機在山地作業時耕地的坡度大且地形復雜。山地液壓收割機在工作時會出現爬坡作業和下坡作業等復雜工況，這就要求收割機在多種復雜工況下確保工作回路不受行走回路的影響，持續穩定工作。山地收割機的核心是工作回路的設計，工作回路的穩定性直接影響著收割機的工作質量。

負載敏感技術因具有很好的經濟性、可靠性和先進性，近年來被廣泛應用于農業機械的液壓控制系統。基于負載敏感技術所設計的系統能夠感受系統壓力流量的需求，然后控制油泵僅提供需要的流量和壓力。負載敏感系統中采用的液壓源通常是定量泵或變量泵，使用定量泵的負載敏感系統是通過控制系統壓力來改變流量的大小，而使用變量泵則是通過控制變量泵的排量來改變流量的大小。將使用變量泵的負載敏感系統應用到山地液壓收割機上，使工作回路效率提高且更加容易控制。

1 山地收割機液壓系統工作原理分析

山地液壓收割機的工作回路主要由收割刀機構的旋轉和升降2個動作組成，收割機的設計和工作要求是在它工作過程中能確保這2個動作同時進行且互不干涉。此研究基于負載敏感技術設計出一套山地液壓收割機液壓系統回路，其原理如圖1所示。在該回路中，液壓缸14控制收割刀機構的升降，馬達15控制收割刀機構的旋轉，實現單獨運行，互不干涉。先導泵5通過先導閥17為先導控制手柄16提供先導油液，再通過先導控制手柄控制電液多路閥10的閥芯位移，調節閥開口大小。壓力補償閥13保證執行機構和多路閥之間壓力差恒定，壓力補償閥13與單向閥12并聯保證工作回油。壓力補償閥13位于電液多路閥10后，采用閥后補償。回路中通過梭閥11先比較出各回路中的最大負載壓力，再通過梭閥比較出收割刀機構旋轉和升降回路中的最大負載壓力，然后傳遞給負載敏感閥9的彈簧腔。通過負載敏感閥的閥芯受力平衡控制變量泵4的輸出，使變量泵提供的流量在滿足兩執行機構工作的同時確保壓力始終比兩執行機構的最大負載壓力高出一個常數值。

圖1 山地收割機工作回路原理

先導控制手柄通過控制電液多路閥開口大小來控制收割機的動作。當單獨操控收割機某一回路的先導控制手柄時，可單獨實現收割刀機構的升降或旋轉動作。當同時操控收割機兩回路中的先導控制手柄時，可實現收割刀機構升降和旋轉的復合動作。

2 山地收割機液壓系統建模

為研究所設計的收割機工作回路是否滿足其設計和工作要求，根據圖1在液壓仿真軟件AMESim中搭建出山地收割機的工作回路仿真模型，如圖2所示，為后面分析不同工況下液壓系統的輸出特性做好準備。仿真模型的主要數據如表1所示。

圖2 山地收割機工作回路仿真模型

表1 山地收割機工作回路仿真模型主要數據

3 山地收割機液壓系統特性分析

3.1 變負載工況系統特性分析

由于山地液壓收割機的工作地點大多為山丘以及不平坦的土地，要求收割機在變負載的工況下正常運作。在圖2所示的仿真模型中，設置執行機構液壓缸的外負載力在0～4 s內從0增加到26 000 N，執行機構馬達的外負載轉矩在0～4 s內從0增加到40 N·m，以此來模仿負載變化的工況。將多路閥的最大閥芯位移設置為0.5 mm，并且給予信號為40 mA使多路閥閥芯位移為0.5 mm，研究該液壓系統的響應。系統設置仿真時間為4 s，模型仿真得到液壓缸和馬達回路中多路閥前、后壓力與流量曲線如圖3所示。

圖3 多路閥開口前后壓力與流量曲線

由圖3可知：當升降液壓缸回路外負載力逐漸增加時，多路閥前后壓力初始處于波動狀態，波動過后開始線性升高，并且多路閥前后壓力差始終保持恒定；當回轉液壓馬達回路外負載轉矩逐漸增加時，多路閥前后壓力起初處于波動狀態，波動過后開始線性升高，并且多路閥前后壓力差始終保持恒定。在圖3中，多路閥閥芯位移不變時，兩執行機構回路中流過多路閥的流量剛開始處于波動狀態，波動過后流量大小基本保持不變。分析可得：各回路流過多路閥的流量與執行機構所受外負載無關。

3.2 突變負載工況特性分析

由于山地液壓收割機的工作環境復雜，因此要分析執行機構受突變負載工況。設定執行機構液壓缸的外負載力在0～3 s內為26 000 N，在3～4 s內增加到40 000 N；執行機構馬達的外負載轉矩在0～3 s內為40 N·m，在3～4 s內增加到80 N·m，模擬執行機構所受負載突增的工況。系統設置仿真時間為6 s，執行機構所受負載突增時多路閥流量曲線如圖4所示。

圖4 執行機構所受負載突增時多路閥流量曲線

設定執行機構液壓缸的外負載力在0～3 s內為26 000 N，在3～4 s內降低到13 000 N；執行機構馬達的外負載轉矩在0～3 s內為40 N·m，在3～4 s內降低到20 N·m，模擬執行機構所受負載驟降的工況。系統設置仿真時間為6 s，執行機構所受負載驟降時多路閥流量曲線如圖5所示。

圖5 執行機構所受負載驟降時多路閥流量曲線

分析圖4可知:當兩執行機構外負載急劇上升時，液壓缸回路多路閥流量也明顯上升，液壓馬達回路多路閥流量下降，隨后與外負載一樣保持恒定；分析圖5可知:當兩執行機構外負載急劇下降時，多路閥流量變化不明顯。

3.3 多路閥不同開口工況系統特性分析

為研究多路閥開口不同的工況，分別給予多路閥信號值為25、30、35、40 mA，使多路閥的閥芯位移為0.312 5、0.375、0.437 5、0.5 mm，進而模擬改變多路閥開口量大小。設置執行機構液壓缸的外負載力在0～4 s內從0增加到26 000 N，執行機構馬達的外負載轉矩在0～4 s內從0增加到40 N·m，研究2個執行機構處于多路閥不同閥芯位移量下的系統特性。仿真時間設為4 s，得到多路閥不同閥芯位移量的流量曲線如圖6所示。

圖6 多路閥不同閥芯位移量時流量曲線

分析圖6可知:各多路閥的流量大小和多路閥閥芯位移量成正比關系。

3.4 流量飽和工況系統特性分析

當山地液壓收割機處于下坡狀態工作時，收割機行走速度加快，導致行走馬達所需的流量增大，而流向工作執行機構的流量減少，導致收割機工作執行機構所需的流量不足，出現系統流量飽和的情況。為研究文中所設計的山地收割機系統是否具有抗流量飽和功能，將上述所搭建的AMESim仿真模型改變動力源轉速來模擬收割機下坡狀態工作導致的流量飽和工況。設定液壓缸在0～8 s內外負載力為26 000 N；液壓馬達在0～8 s內外負載轉矩為40 N·m；兩處回路多路閥信號在0～8 s內為40 mA；動力源在0～4 s內轉速為1 700 r/min，在4～5 s內下降到1 300 r/min，在5～8 s內轉速為1 300 r/min。仿真時間設置為8 s，得到流量飽和后多路閥前后壓差如圖7所示；流量飽和后各處流量曲線如圖8所示；流量飽和后各處速度曲線如圖9所示。

圖7 流量飽和后多路閥前后壓差曲線

圖8 流量飽和后各處流量曲線

圖9 流量飽和后各處速度曲線

分析圖7—圖9可知，系統在第5 s達到流量飽和狀態。液壓缸回路多路閥在0～4 s內前后壓差為3.6 MPa，在流量飽和后壓差為2.5 MPa；液壓馬達回路多路閥在0～4 s內前后壓差為2.3 MPa，在流量飽和后壓差為1.6 MPa。當液壓泵供給的流量從117 L/min下降到91 L/min時，液壓缸的流量從61 L/min下降到51 L/min，液壓馬達的流量從48 L/min下降到40 L/min;液壓缸的速度從0.16 m/s下降到0.13 m/s，液壓馬達轉速從800 r/min下降到664 r/min。分析數據可知：在發生流量飽和后，液壓缸和液壓馬達的流量減小，其速度也相應減小到一定值之后保持穩定，且兩執行機構的流量大小和多路閥前后壓差大小成正比關系。因此可以得出所設計的山地收割機工作回路具有抗流量飽和能力，穩定特性優良,且各執行機構能獨立運行，互不干涉。

4 結論

本文作者設計出山地液壓收割機的工作回路，利用AMESim軟件搭建出仿真模型。分別分析了收割機液壓系統在變負載工況、突變負載工況、不同開口多路閥工況和流量飽和工況下系統的不同輸出特性。仿真結果表明：該液壓系統既能實現各執行機構的獨立運行，互不干涉，又可以實現復合動作，能夠依據收割刀機構的升降和旋轉所需的不同負載等比例分配所需的流量，提升了山地收割機在工作過程中的效率。且在該系統中，收割機執行機構所需的流量大小取決于多路閥開口量的大小，與外界負載無關。收割機工作系統在發生流量飽和時，系統會根據各執行機構回路中多路閥的前后壓差來按比例分配變量泵所輸出的流量，保證各執行機構不受流量飽和的影響，仍可以持續正常工作，系統的穩定特性優良。所設計的變流量閥后補償負載敏感系統能實現山地液壓收割機的工作需求，為基于負載敏感技術的山地收割機工作回路設計提供了理論依據。