玉米收獲機HMT液壓驅動系統的設計與試驗研究

陳天佑,唐愛武

(永州職業技術學院,湖南 永州 425000)

0 引言

玉米收獲是玉米機械化生產中的重要環節[1],玉米收獲機結構復雜,作業環境較為惡劣,作業工序較為繁瑣,收獲時間相對偏短且多在雨季。若收獲工作無法及時完成,將影響玉米整體產量[2-4],除導致經濟受損外也會對國內的儲備玉米量產生影響。所以,以機械化方式提高玉米收獲的效率及作業質量,是玉米后續的存儲與銷售的基礎條件[5-6],對于保障我國糧食安全具有重要意義。

目前,玉米收獲機傳動系統主要以機械傳動為主,生產成本較低,但結構復雜,質量大,智能化與自動化程度不高[7-11],在較為復雜的情況下駕駛員不能及時發現作業過程中出現的問題,嚴重時會導致整機發生故障,影響玉米后續收獲進程[12-13]。

HMT液壓驅動系統是指將液壓傳動和機械傳動相組合的液壓機械無級變速傳動[14],由機械傳動系統通過差動輪系進行功率的分匯流,具有功率高、工作效率高、傳遞扭矩大等特點。目前,國內外針對HMT液壓驅動系統進行了廣泛的研究,且以德國和美國技術較為先進,如多離合HMT變速裝置、雙行星排多離合器液壓驅動變速箱、五離合器四段式液壓驅動變速器以及單段式液壓驅動變速系統等[15-16]。由于我國農業機械起步較晚,智能化與自動化相關技術研究較為匱乏,現階段關于液壓驅動系統的研究較少,技術差距相比較大。

針對以上問題,以等差式液壓機械無級變速原理為理論基礎,研發了無離合器的單行星排、變量泵與定量馬達組合的HMT液壓驅動系統,并對玉米收獲機各個系統進行優設計與計算選型。同時,基于液壓系統仿真模型的構建,于AMESin內開展仿真分析,明確當負載存在差異時液壓馬達、液壓泵等呈現的變化規律,并據此針對玉米收獲機液壓系統驗證其工作是否可靠、真實。

1 玉米收獲機整體結構的設計

玉米收獲機主要包括行走系統、玉米割臺、脫粒清選系統、凹版篩及清選風機等[17],如圖1所示。主要工作參數如表1所示。

1.玉米 2.割臺 3.操縱系統 4.過橋 5.液壓系統 6.二次拉莖部位 7.排雜風機 8.二次升運器 9.發動機 10.主機架 11.集料箱 12.行走地盤 13.燃油箱圖1 整體結構示意圖Fig.1 Overall structure schematic

表1 玉米收獲機主要工作參數Table 1 Main working parameters of corn harvester

1.1 割臺系統計

依據區域內部的玉米植株差異,科學選定運行速度,可為收獲質量提供重要保障[18]。當割臺運行速度存在差異時,喂入量將直接對脫粒清選、收獲效率等產生影響,故通過監測實時獲取喂入量則顯得尤為關鍵,可為智能化脫粒清選系統的建設奠定數據基礎,使得設備整體收獲效率得到顯著提升。設備具體包括傳動系統、摘穗割臺及割臺機架等。

1.1.1 拉莖輥裝置的設計

傳統拉莖輥在田間收獲玉米時容易導致玉米倒伏,降低玉米收獲效率。因此,將玉米拉莖輥設計為錐形,如圖2所示。

在兩個拉莖輥之間放置傾斜導流板,可以將玉米莖稈快速、準確地導入拉莖輥之間,從而有效減少因割臺造成的玉米植株倒扶現象。

工作過程中,需要確保拉莖輥的齒刀可以準確地切割到玉米秸稈,同時還需減少齒刀與玉米秸稈的滑移距離,故應滿足以下條件,即

(1)

式中φj—玉米莖稈直徑(mm);

φg—拉莖輥直徑(mm);

ε—莖稈拉莖喂入角(°);

ε0—玉米莖稈、鋼材之間摩擦角(°);

t—旋轉風管外輪廓圓弧半徑(mm)。

圖2 錐形拉莖輥結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of conical stem pulling roller

拉莖輥工作時,按照機器前進方向分為導入期、拉莖期和切斷期。液壓馬達使得割臺齒輪箱受到驅動,拉莖輥轉速即可無級調整,以便使轉速以及機器的行進速度的合理匹配,實現玉米果穗在切割果柄的區域進行連續切割,進而完成穗莖分離工作。

1.1.2 摘穗割臺的設計

摘穗割臺以v、vg、vb三者形成速度三角形作為工作的最佳狀態,3種速度分別對應于前進、拉莖輥的拉莖當量、撥禾帶線。當后兩者的合速度等同于v且以相反方向運動時,玉米莖稈呈現相對靜止狀態,拉莖可高效開展,且能夠可充分減小斷稈率,種穗柄處于最佳姿態。但結合具體收獲進程來看,其狀態僅可無限近似于最佳數值,故將推導系數λ引入其中。為針對單一玉米莖稈而保障能順利開展摘穗作業,需符合的條件為

(2)

式中hj—去雄后的玉米莖稈高度(mm);

h0—割臺收獲離地間隙理論值(mm);

hs—接穗高度(mm);

S—拉莖輥長度(mm);

Sz—導錐長度(mm);

Sg—拉莖段長度(mm);

Sq—切斷、切柄段長度(mm);

α—割臺工作角(°)。

同時對多個玉米進行收獲過程中,在保證摘穗輥的作業效率與質量的前提下,兩個拉莖輥上的玉米莖稈應不大于2根,超過2根后會造成摘穗輥堵塞,故應滿足以下條件

(3)

式中L0—玉米種植株距(mm)。

1.2 脫粒清選系統

脫粒系統對于提高玉米收獲率及降低玉米收獲含雜率具有重要意義。為此,根據技術要求及玉米收獲機結構,就調節脫粒滾筒、清選風機、凹板篩間隙等具體方式設計控制系統結構。

1.2.1 凹版篩間隙調節

此前調節該間隙時多以農作物為依據來完成,調節工作需于收割前完成;但是在收獲進程中該數值并不可調,且無法以玉米的植株狀態、作業狀況等為依據進行自動調節。當間隙相對偏小時,相同時段內進入到脫粒滾筒的總量隨之降低,不利于作物流動,時間一長即會產生堵塞問題;若調節偏大時,會影響脫粒效率,導致難以完全脫粒。為此,手動調節由電動裝置來取代,且可依托于控制器完成間隙調節。

1.2.2 清選風機調速方式

張緊輪依托于電動推桿,可實時根據張緊皮帶的程度調節風機轉速。因推桿可自鎖,故在運行風機的進程中不會產生松動問題。

1.2.3 脫粒滾筒轉速調節方式

本研究中的搖桿操作以步進電機來取代人工方式,依據檢測自傳感器的相應數據并基于技術要求,以智能化方式進行調速控制,可以作業工況為依據完成脫粒滾筒轉速的調節工作。

2 玉米收獲機液壓驅動系統的設計

液壓機械無級變速驅動系統的主要運行方式是將發動機的動力進行分離,然后經過傳動系統的行星齒輪副進行動力結合,系統原理圖如圖3所示。該系統主要由換擋元件、液壓系統和傳動系統3部分組成。發動機的動力分成兩部分:一部分為機械結構動力輸入,它可以利用離合器直接將動力傳遞到太陽輪;另一部分為液壓動力,可以由液壓系統直接將動力傳給齒圈。最后,兩部分的動力經過行星輪系匯流后輸出。

圖3 HMT液壓驅動系統原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of HMT hydraulic drive system

由圖3可知:將無級變速驅動系統的傳動比確定為輸出、輸入軸之間的轉速比為,即

(4)

其中,ib為傳動比;ωin為轉速(輸入軸)(rad/s);ωout為轉速(輸出軸)(rad/s)。

針對變量泵,界定其排量比為實際以及額定排量之間的比值,即

(5)

其中,e為變量泵排量比;dp為變量泵實際排量比(m3/rad);Dp為變量泵額定排量比(m3/rad)。

就馬達液壓系統來看,液壓泵、液壓馬達選用時需確保二者的排量一致,即

(6)

其中,ωp為變量泵轉速;ωm為變量馬達轉速。

傳動比計算公式為

(7)

設計的玉米收獲機HMT液壓驅動系統主要包括液壓機械傳動系統、液壓系統、電控卸荷及操縱系統等,如圖4所示。

圖4 HMT液壓驅動系統能量傳動路線示意圖Fig.4 Schematic diagram of energy transmission route of HMT hydraulic drive system

因設備的所有工作部件驅動均基于液壓模式,工作參數無級可調,以作物實際長勢以及地理狀況為依據,駕駛員可直接對設備進行調節。通過自行明確工作點,以最大化發動機的整體工作效率,發動機損耗也將由此降低,收獲成本隨之降低,駕駛員綜合收益可得到顯著提高。在工作過程中,設定最大功率、最大扭矩點,如圖5所示。

圖5 HMT系統發動機功率扭矩曲線變化圖Fig.5 Variation of engine power-torque curve of HMT system

3 液壓系統的仿真

3.1 液壓驅動系統的建模與參數設置

設計完成后,利用AMESim軟件對玉米收獲機HMT液壓驅動系統進行建模與仿真,HMT液壓驅動系統建模實現過程完全依靠圖形用戶界面(GUI)實現。HST系統模型如圖6所示,仿真參數如表2所示。

3.2 仿真結果與分析

以液壓系統模型為依據,選定重載、中載以及空載狀況,分別針對定量馬達、變量泵開展有關參數的仿真分析工作。依據實際仿真需求,設置步長與時間分別為0.01s以及12s。為便于仿真工作的開展,設置馬達負載在各種狀況下具有恒定性。根據相關資料,最終設定空載、中載以及重載的整體質量分別達到6500、7500、8500kg。

在負載存在差異時,隨著時間的改變,機器輸出自變量泵的流量、定量馬達轉速的變化狀況如圖8所示。由圖8可知:對應于空載狀態,自啟動至液壓馬達轉速達到最高時,耗時在1.5s左右;若處于另外兩種狀況時,液壓馬達從開始啟動到達到最高轉速需要2s左右;玉米收獲機處于不同的負載情況下,其HMT液壓驅動系統中定量馬達的轉速均穩定在1850r/min左右,其變量泵的輸出流量均在150L/min左右,仿真結果與第2章理論計算結果相一致。

圖6 HST系統建模示意圖Fig.6 Schematic diagram of HST system modeling

表2 HST系統仿真參數設置Table 2 HST system simulation parameters settings

圖7 HMT液壓驅動系統變量泵輸出流量與馬達轉速變化示意圖Fig.7 HMT hydraulic drive system variable pump output flow rate and motor speed variation diagram

3.3 實驗

對應時間改變,馬達扭矩也會出現改變的馬達轉速、進出油口壓力差開展相應仿真分析工作,具體結果如圖8所示。改變變量泵輸出流量時,玉米收獲機HMT液壓驅動系統馬達壓差和轉速隨時間的變化結果如圖9所示。

圖8 馬達扭矩發生變化時馬達壓差與轉速隨時間變化曲線圖Fig.8 Motor differential pressure vs. speed vs. time when motor torque changes

圖9 變量泵輸出流量變化時馬達壓差與轉速隨時間變化曲線圖Fig.9 Variable pump output flow changes when the motor differential pressure and speed versus time curve

研究結果表明:若馬達扭矩產生改變,其壓力差也會改變,但結合最終結果來看,馬達呈現相對穩定的轉速;當改變變量泵輸出流量時,馬達壓差和轉速同樣隨之變化。具體分析仿真結果發現:研發的液壓驅動系統可有效驅動收獲機,最終仿真結果與設計的液壓系統的具體要求相符,表明本系統相對可靠且合理。

4 結論

1)以優化玉米收獲機傳統系統作為主要目的,傳統系統由HMT液壓驅動系統所取代,并進行關鍵零部件的設計與選型,為玉米收獲機HMT 系統提供理論依據與硬件基礎。

2)整機系統設計完成后,利用AMESim軟件對玉米收獲機HMT液壓系統進行仿真分析,結果表明:HMT液壓系統回路穩定,整機高低速擋速度可無級變速,穩定性與可靠性均滿足系統工藝要求。所設計的玉米收獲機HMT液壓系統符合要求,可用于玉米收獲實際工況。