大姜播種機液壓系統設計及聯合仿真分析

林云龍，楊發展，扈偉昊，黃珂

(青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島 266520)

0 前言

大姜是一種具有較高經濟價值的藥食兩用作物，實現其高效機械化種植對于降低農戶的勞動強度、提高生產效益、加速農民脫貧致富具有重要意義。文獻[1]中闡述了現有大姜機械化種植技術，結果表明：采用帶輸送+V形擋塊相結合的播種原理可以有效實現大姜低損、精準種植。故采用該播種原理設計了一種新型大姜播種一體機，并采用液壓控制的方式提高其作業性能。

利用AMESim軟件與MBD技術聯合仿真可實現液壓系統與機械結構的數據交換，為評價液壓系統及機具開發提供了一種有效手段[2-5]。由于所提出的大姜播種機液壓系統主要實現整機同步升降及播種裝置的平穩布放，要求機液耦合協同作業。

因此，本文作者采用AMESim與RecurDyn聯合仿真的方式對構建的液壓系統進行分析評價，為大姜播種機的研制提供理論依據。

1 大姜播種機設計及液壓系統組成

現有的大姜播種機主要為單行人工輔助作業，其效率低且自動化一體化程度不高。為滿足大姜機械化聯合作業，如圖1所示，設計了集開溝、起壟和播種于一體的雙行大姜播種機，主要包括旋耕開溝裝置、雙圓盤起壟裝置、輸送播種裝置和升降行走裝置。其中升降行走裝置通過液壓缸Ⅰ(a、b、c、d)進行升降調節，從而帶動整機實現行走與工作狀態的轉換。因姜種與油菜基質塊苗兩者質量相差不大，且帶式送苗裝置與水平面夾角為30°時油菜基質塊苗可實現穩定輸送[6]，故輸送播種裝置利用液壓缸Ⅱ實現該裝置與地面的角度調節，以滿足30°傾角的工作狀態，從而使人工放置于輸送播種裝置上的姜種能夠平穩下落至種溝。

圖1 大姜播種機設計方案簡圖

多缸同步回路以PID信號控制為主要手段，通過增益補償的方式減少同步誤差[7]；但該控制方法較為復雜，對操作人員的要求較高且不利于農業機具的推廣。故將2個液壓缸Ⅰ(圖1中a、b或者c、d)構成一套同步回路子系統(圖2(a))，液壓缸Ⅱ則單獨采用一套順序回路子系統(圖2(b))以減緩因多個執行器在不同工作壓力下同時運作產生的固有壓力損失[8]。

圖2 大姜播種機液壓系統原理

查閱標準可知，人體體重最大偏差在50 kg以內[9]；此外，分流閥在偏載500 N以內仍有較好的同步性[10]，故同步回路采用負載敏感變量泵與分流閥相結合的方式以滿足變負載下的同步頂升作業。采用M形三位四通換向閥實現卸荷，以防止油溫過高，并通過單向閥實現雙端鎖緊。為避免機具下降過快，設計的回油管路內應有一定的背壓[11]，故采用平衡閥使回油管路內產生背壓以減少高壓下油液沖擊進而減緩油缸回程的速度。

順序回路通過布置于液壓缸Ⅰ上的行程開關19.1和19.2以實現電磁換向閥12左、右兩位的換向，以滿足液壓缸Ⅱ在4個液壓缸Ⅰ均為0 mm行程時開始工作。同時，采用行程開關19.3控制電磁換向閥12調至中位以滿足輸送播種裝置30°傾角工況下的行程調節。為保證液壓缸Ⅱ的鎖緊，采用節流閥及液控單向閥組以減少其工作腔的壓力波動，進而減緩噪聲和振動[12]。此外，液壓延時器通過改變其阻尼孔直徑可改變其延時效率[13]，故為減緩信號短時輸入引起的激振現象，采用可調節流閥減緩油液流速，實現阻尼延時。

整個液壓系統中的元件相對簡單，無需單獨設計新的閥組，在滿足播種機工作需求的同時，可維護性較好，滿足惡劣環境下田間作業的需要。

2 大姜播種機液壓系統參數計算

液壓缸Ⅰ選用標準拉桿式結構，通過方形法蘭與行走輪架固接，其額定工作壓力為10 MPa，考慮人體及姜種質量取整機工作質量為2 200 kg。由于牽引機在該大姜播種機提升過程中提供部分支撐力，取其為5 000 N，重力加速度g取9.8 m/s2，故等效總負載為16 560 N。假設4個液壓缸Ⅰ將整機完全頂升并承載重力平均分布，故單個液壓缸Ⅰ的負載約為4 140 N。液壓缸Ⅰ頂升整機過程中，載荷滿足：

(1)

式中：Fp1為液壓缸Ⅰ所提供的推力，N；p1為液壓缸Ⅰ工作壓力，取10 MPa；A1為液壓缸Ⅰ活塞桿截面面積，mm2；D1為液壓缸Ⅰ缸徑，mm；d1為液壓缸Ⅰ桿徑，mm；φ1為液壓缸Ⅰ的速比，取推薦值φ1=1.33。

為使整機升降運動平穩，取D1=50 mm、d1=30 mm，保證能夠為液壓缸Ⅰ提供較大的推力。在牽引機牽引下，升降行走裝置布置的液壓缸Ⅰ經回油孔回油后，使得旋耕開溝裝置入土，調整圓盤起壟裝置壓實土壤并擠壓起壟；輸送播種裝置布置的液壓缸Ⅱ經進油孔進油后將它下放至種床，在工作狀態下的大姜播種機結構布置簡圖如圖3所示。

圖3 液壓缸布置簡圖

圖3中：ABCDE表示輸送播種裝置；O1、O2為液壓缸Ⅰ與機架的鉸接點；E為輸送播種裝置與機架的鉸接點；M1、M2分別為圓盤起壟裝置與旋耕開溝裝置運動中心點；LCL表示液壓缸Ⅱ在工作狀態下的總長度，mm。LAB=60 mm；LCD=300 mm；LDE=130 mm；LEJ=182.5 mm；LLJ=30 mm。

如圖3(a)所示，為避免輸送播種裝置與座椅安裝板出現干涉，設置20°<θ<30°。圖3(b)為液壓缸Ⅱ以30°傾角工作狀態下的結構布局，由幾何關系可得式(2)：

(2)

故為滿足工作狀態下輸送播種裝置結構要求，需滿足LBC=1 194.26 mm，取LBC=1 200 mm。為實現理論耕深150 mm，旋耕刀選用T260型[14]，液壓缸Ⅰ行程s1=160 mm。輸送播種裝置在下放至種床過程中，液壓缸Ⅱ的長度及行程滿足：

(3)

如圖4所示，輸送播種裝置在液壓缸Ⅱ所提供的拉力下保持平衡，故由力矩平衡原理可得：

圖4 液壓缸Ⅱ受力分析簡圖

(4)

式中：G2為輸送播種裝置重力，N；F2為液壓缸Ⅱ工作拉力，N。

代入已知幾何條件，由式(4)可得F2=7.29sin(θ+77.20°)G2，因θ范圍為(20°，30°)，故F2與θ成反比，液壓缸Ⅱ所提供的拉力應大于θ=20°時的工作拉力F2。

(5)

式中：Fp2為液壓缸Ⅱ所提供的拉力，N；p2為液壓缸Ⅱ工作壓力，取16 MPa；A2為液壓缸Ⅱ活塞桿工作截面面積，mm2；D2為液壓缸Ⅱ缸徑，mm；d2為液壓缸Ⅱ桿徑，mm；φ2為液壓缸Ⅱ的速比，取推薦值φ2=1.33。

圖4中：R1為輸送播種裝置質心，LDR1=572 mm。

輸送播種裝置總重力G2<700 N，故液壓缸Ⅱ選用標準型HSG工程液壓缸，缸徑D2=50 mm，桿徑d2=25 mm。考慮播種傾角范圍，因HSG工程液壓缸采用耳環連接，其安裝距離X=280+s2，參考式(3)將液壓缸Ⅱ的行程設計為s2=60 mm，即液壓缸Ⅱ伸出30 mm時即可滿足工作需求。

根據執行部件最大運動速度，液壓系統最大流量有以下關系式：

(6)

其中：Q為系統最大流量，L/min；v為液壓缸最大運動速度，mm/s；D為液壓缸缸徑，mm；d為液壓缸活塞桿直徑，mm；K為系統泄漏系數，取1.3。

取液壓缸容積效率為1，由于液壓缸Ⅰ回程速度較大取45 mm/s；液壓缸Ⅱ活塞桿伸出時速度較大取20 mm/s，故由式(6)計算可得同步回路子系統最大流量為8.82 L/min。為減少閥前壓力補償欠流量下的同步誤差，取同步回路子系統流量為10 L/min；順序回路子系統最大流量為3.06 L/min，取順序回路子系統流量為3 L/min，故可得液壓系統主要參數如表1所示。

表1 大姜播種機液壓系統參數

3 聯合仿真建模及系統特性分析

3.1 大姜播種機動力學簡化模型

如圖5所示，為保證較小的失真度，將SolidWorks建立的簡化模型轉換為parasolid(.x_t)格式導入RecurDyn中，采用材料庫設置各部件材料。由于ecurDyn將同一部件上的2個轉動副約束定義為冗余而影響分析結果，故采用襯套力(Bushing)代替轉動副以表達各機構間的約束關系；將其他部件簡化為載荷力并通過添加平移力(Translation)的方式施加于機體上。

為探究人體體重偏載對系統的影響，將左右兩側座椅及人體負載平移力分別設置為-1 000 N及-1 500 N。以座椅及人體負載為例(其余部件簡化方式相同)，將平移力逐步添加到該過程中，首先在三維建模軟件中測量包括人體模型在內的座椅重心及安裝中心，坐標分別為(-375.0，602.5，1 453.5)mm和(-375.0，200.0，1 453.5)mm，因RecurDyn與AMESim軟件之間數據交換采用MKS單位制(m、kg、s、N、(°))，將上述坐標統一換算為MKS單位后，分別在地面(Ground)及機架上創建部件質心Marker點及部件安裝中心Marker點；其次定義各個部件的負載力表達式；最后在重力方向(y方向)上添加平移力。

3.2 聯合仿真模型的建立

如圖6所示，AMESim液壓庫建模采用文獻[15]中的分流閥模型與參數設置，將行程開關簡化為位移傳感器模型并基于表1構建液壓系統。聯合仿真以RecurDyn為主控軟件，AMESim為輔助軟件，采用FMI模塊通過創建工況輸入(GPlant_in)及輸出(GPlant_out)實現兩軟件的數據交換；AMESim將液壓缸位移輸入RecurDyn以控制液壓缸運動，RecurDyn將液壓缸軸向壓力反饋給AMESim作為液壓缸的負載力。

圖6 AMESim聯合仿真模型

如圖7所示，設置M形三位四通換向閥信號輸入值，設置步長0.01 s，以40 s為一周期，分析2個循環周期下的系統性能。M形三位四通換向閥在輸入正值時左位工作，液壓缸Ⅰ無桿腔進油，系統將整機舉升；輸入負值時右位工作，液壓缸Ⅰ有桿腔進油，機具下降；輸入零值時中位工作，系統鎖緊。

圖7 仿真信號設置

3.3 仿真特性分析

液壓缸Ⅰ、Ⅱ的位移及速度曲線分別如圖8(a)、圖8(b)所示，4個液壓缸Ⅰ具有相同的運動特性，且液壓缸Ⅰ、Ⅱ的各運動特性曲線呈周期性變化。液壓缸Ⅰ以約30 mm/s的速度開始頂升，在約5 s時到達最大行程160 mm；在5～20 s時間段內保持160 mm，之后以45 mm/s速度開始復位，約24 s時恢復初始位置并維持至40 s。液壓缸Ⅱ在液壓缸Ⅰ位移均為0 mm時以約10 mm/s速度開始工作，下放輸送播種裝置；隨后保持在30 mm最大行程，然后在液壓缸Ⅰ開始頂升時以約20 mm/s的速度復位，將輸送播種裝置收回。液壓缸Ⅱ 2個周期內的運動速度基本一致，在25～40 s及65～80 s時間段內速度波動較大，但液壓缸Ⅱ仍保持在30 mm行程范圍內。

圖8 液壓缸運動性能曲線

液壓缸Ⅰ無桿腔壓力如圖8(c)所示，0～5 s內壓力基本保持在2.2 MPa，結合圖8(a)，無桿腔進油將活塞桿伸出，經計算液壓缸Ⅰ所提供的推力約為4 320 N，滿足要求；5～20 s內壓力基本保持在系統最大壓力10 MPa，液壓缸Ⅰ鎖緊；20～25 s內壓力維持在6 MPa以上，結合圖8(a)，說明液壓缸Ⅰ在回程時保持約6 MPa的背壓，減緩了活塞桿的下降速度。液壓缸Ⅱ有桿腔壓力如圖5(d)所示，結合圖8(a)，液壓缸Ⅱ在0 mm行程時其有桿腔壓力均約16 MPa，表明其鎖緊性能較好。整個液壓系統基本實現了同步順序協調作業，提高了大姜播種機的工作效率。

由于液壓缸Ⅰ軸向負載隨位移輸入信號呈周期性變化，故繪制其一個周期內的負載壓力變換曲線如圖9所示，4個液壓缸Ⅰ的軸向負載變化趨勢基本一致，均在0～5 s和20～25 s時間段內出現波動并趨于平穩，即在液壓缸Ⅰ頂升及下降過程中其負載壓力變化較大而油缸鎖緊后受力平穩，表明液壓缸Ⅰ同步及鎖緊性能較好。此外，由于a、b兩缸距播種機重心較c、d兩缸近，承載了較大的負載；a、b兩缸負載均為負值即沿液壓缸活塞桿向下的壓力，且所受負載力均大于c、d兩缸并且在油缸鎖緊階段(5～20 s和25～40 s)a、b兩缸所受軸向負載約為-5 500 N，c、d兩缸所受軸向負載約為-1 800 N。a與c缸或者b與d缸的累加負載力約為-7 300 N，此值與理論計算值-8 280 N相差較大，這是由于理論計算將兩側行走機構的質量包括在內，為液壓缸設計計算保留一定裕量。因此a、b兩缸與c、d兩缸分別使用兩套獨立的同步系統避免了較大偏載對同步性能的影響。

a、b兩缸與c、d兩缸均在約2.25 s時負載力相差最大，分別為443.62 N和334 N；表明在整機頂升整個時間段內約中間點的偏載最大，且在該偏載下液壓系統仍保持較好同步性。負載敏感同步系統的合理配置提高了整機工作協調性并為播種機作業提供了保障。

液壓缸Ⅱ軸向負載方向參考點及變化曲線如圖10所示，其負載力沿參考點坐標z軸方向且負載力大小以約5 000 N為基準上下波動，結合其運動特性(圖8)可知液壓缸Ⅱ因軸向負載的變化引起活塞桿運動速度產生波動，但其位移變化不大，由此說明采用壓力補償的方式可以有效地增加其運動穩定性，減緩姜種因輸送播種裝置振動造成的落種不均現象。

圖10 液壓缸Ⅱ軸向負載

為驗證液壓缸強度是否滿足整機工作需求，因a、b兩缸負載力較大，且液壓缸b負載力相對較大，故采用G-Manager模塊將液壓缸b耳環與液壓缸Ⅱ活塞桿轉換為柔性體，并分別設置兩柔性體與相鄰部件的接觸關系；經聯合仿真后獲得液壓缸b耳環與液壓缸Ⅱ活塞桿的應力云圖分別如圖11(a)、圖11(b)所示。

圖11 液壓缸應力云圖

液壓缸b耳環在約21.6 s時，即整機下降過程中出現了最大應力值，為67.07 MPa，液壓缸Ⅱ活塞桿在約40.11 s時即輸送播種裝置提升過程中最大應力為6.95 MPa，均在45鋼許用應力355 MPa以下，液壓缸最大應力產生時刻均在其軸向負載力最大時段內，與理論計算相符合且滿足整機工作需求。

4 結論

為推進大姜機械化種植進程，設計開發適于大姜精量高可靠性作業機具，在闡明雙行大姜播種機工作原理的基礎上，提出了一種適用于該機具的同步-順序控制液壓系統，通過理論計算獲得了液壓系統的關鍵參數，并采用RecurDyn與AMESim軟件建立了機械-液壓聯合仿真環境，通過仿真分析獲得結論如下：

(1)采用兩套相同的負載敏感子系統獨立控制雙缸同步作業，避免了較大偏載對同步性能的影響，同時該負載敏感子系統在偏載500 N以內有較好的同步性。

(2)利用行程開關實現液壓缸Ⅱ與液壓缸Ⅰ之間的順序控制，通過壓力補償方式降低了負載變化對液壓缸Ⅱ的影響，并進一步提高了輸送播種裝置的運動穩定性，為姜種的精準種植提供了保障。

(3)經剛柔耦合仿真得到液壓缸Ⅰ耳環處最大應力為67.07 MPa，液壓缸Ⅱ活塞桿最大應力僅為6.95 MPa。各液壓執行部件均有較高的強度，滿足大姜播種機高可靠性工作需求。