賴　曉，秦志文，張　彪，高建立，郭文峰

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

甘蔗收割機(jī)行駛液壓系統(tǒng)仿真分析

賴曉1，秦志文2，張彪1，高建立1，郭文峰1

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

針對(duì)目前整桿式甘蔗收獲機(jī)行駛液壓系統(tǒng)存在的問題，重新進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并利用AMESim仿真軟件對(duì)改進(jìn)后的設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬仿真。通過虛擬建模和仿真分析，檢驗(yàn)了該系統(tǒng)在工作和轉(zhuǎn)場(chǎng)狀態(tài)下的速度、扭矩等參數(shù)方面都滿足功能設(shè)計(jì)要求，從而驗(yàn)證了本行駛液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，為推動(dòng)整桿式甘蔗收獲機(jī)更快地完善和推廣提供有力的支持。

甘蔗收割機(jī)；行駛液壓系統(tǒng)；仿真

甘蔗收割機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有變量控制方便、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、能耗低、符合人機(jī)工程要求等特點(diǎn)，特別是行駛系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，能很好地滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)時(shí)牽引力和車速變化急劇、頻繁、變化范圍大等苛刻條件。但目前整桿式甘蔗收獲機(jī)液壓行駛系統(tǒng)還不完善，在坡度較大的路面行駛時(shí)，容易出現(xiàn)行駛馬達(dá)鎖死失效現(xiàn)象，在下坡時(shí)車子甚至出現(xiàn)超速溜車，構(gòu)成嚴(yán)重安全問題，所以必須對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1　行駛系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.1原行駛系統(tǒng)

原有整桿式甘蔗收獲機(jī)液壓行駛系統(tǒng)采用的是開式液壓系統(tǒng)，如圖1所示。正常工作時(shí)，油液克服平衡閥開啟壓力，馬達(dá)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。但馬達(dá)負(fù)載減小時(shí)，工作壓力太低則無(wú)法使平衡閥開啟，油路就會(huì)被鎖死，馬達(dá)制動(dòng)。如果平衡閥壓力調(diào)節(jié)過低或是平衡閥失效，車子下坡行駛時(shí)，工作壓力高于平衡閥開啟壓力，油路仍處于流通狀態(tài)，甘蔗收獲機(jī)就會(huì)在重力作用下超速下滑，出現(xiàn)溜車現(xiàn)象。而且，雙側(cè)平衡閥調(diào)整困難，常常一側(cè)馬達(dá)可以鎖死，但另一側(cè)馬達(dá)則無(wú)法鎖死，這樣收割機(jī)行駛中就會(huì)出現(xiàn)側(cè)移。

圖1　原行駛系統(tǒng)液壓原理圖

其次，開式的液壓油路中，液壓泵由油箱中吸油，輸出的壓力經(jīng)過換向閥控制流向后供給液壓馬達(dá)，馬達(dá)回油仍經(jīng)換向閥流回油箱。此油路系統(tǒng)中，泵進(jìn)出口已經(jīng)確定即不能互換，系統(tǒng)中的油液每循環(huán)一周都要回到油箱并與空氣接觸。油液冷卻性能好，但油箱所需尺寸大，空氣和臟物容易進(jìn)入回路，造成污染，操控性差，系統(tǒng)效率較低。

1.2改進(jìn)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的整桿式甘蔗收獲機(jī)行駛系統(tǒng)為閉式液壓系統(tǒng)，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　行駛系統(tǒng)改進(jìn)后液壓系統(tǒng)圖

改進(jìn)后的整桿式甘蔗收獲機(jī)行駛系統(tǒng)采用閉式油路系統(tǒng)，其主液壓泵為變量泵，與變量行走馬達(dá)的油口之間成對(duì)相連并構(gòu)成一個(gè)對(duì)稱的封閉回路，另由一個(gè)補(bǔ)油泵經(jīng)過單向閥和溢流閥使這個(gè)回路始終維持一個(gè)基礎(chǔ)壓力（補(bǔ)油壓力）。此系統(tǒng)中主泵兩個(gè)油口的油液方向根據(jù)變量機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)隨時(shí)可能變化，而且當(dāng)泵的實(shí)際出油口的壓力低于進(jìn)油口時(shí)，它將轉(zhuǎn)變成吸收液壓能的“馬達(dá)”工況因而起到制動(dòng)作用。

與原設(shè)計(jì)開式油路相比，改進(jìn)后設(shè)計(jì)采用變量泵，其本身即兼有調(diào)節(jié)流量和改變方向的雙重作用，一般無(wú)須在主油路中再設(shè)置會(huì)引起附加阻力和泄漏的換向閥即可控制馬達(dá)無(wú)極變速和換向，系統(tǒng)效率高，響應(yīng)快，操作更人性化。同時(shí)此系統(tǒng)跟隨負(fù)荷的變化無(wú)須切換油路即可從驅(qū)動(dòng)工況轉(zhuǎn)為制動(dòng)工況，具有良好系統(tǒng)剛性。主系統(tǒng)中始終存在著補(bǔ)油壓力，可避免氣蝕對(duì)液壓元件的危害。另外，此系統(tǒng)共所需的液壓油箱容量可僅僅為開式油路時(shí)的30%左右，更便于安裝在位置有限、結(jié)構(gòu)緊湊的整桿式甘蔗收獲機(jī)的行走裝置中。

2　改進(jìn)后行駛液壓系統(tǒng)仿真分析

2.1建模與參數(shù)設(shè)置

為了在快速低成本的在樣機(jī)研制之前驗(yàn)證改進(jìn)后的行駛液壓系統(tǒng)方案的可行性，可利用AMESim仿真軟件進(jìn)行液壓系統(tǒng)的虛擬仿真分析。為此，先在AMESim里構(gòu)建了閉式行駛系統(tǒng)液壓系統(tǒng)模型，如圖3所示。

圖3　改進(jìn)后的行走系統(tǒng)仿真模型

在AMESim參數(shù)模式中設(shè)置行走變量泵泵、補(bǔ)油泵、轉(zhuǎn)場(chǎng)及工況行走馬達(dá)、沖洗閥、補(bǔ)油溢流閥等主要的的仿真參數(shù)設(shè)置如圖4～圖5所示。

圖4　行走變量泵參數(shù)設(shè)置

圖5　補(bǔ)油泵參數(shù)設(shè)置

2.2液壓行駛系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

（1）工作時(shí)行駛系統(tǒng)分析

根據(jù)前述閉式行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對(duì)液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并利用階躍信號(hào)設(shè)置工況下馬達(dá)負(fù)載，整桿式甘蔗收獲機(jī)工作時(shí)馬達(dá)排設(shè)置為大排量，變量泵設(shè)置為最大排量，進(jìn)行10 s的仿真。得到工況下行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速曲線圖，如圖6所示。

圖6　行駛系統(tǒng)工作時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速

從圖6可知，馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過0.7 s，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)即將速度增加到990 r/min，通過換算可得機(jī)器行駛速度為2.07 m/s.當(dāng)行駛系統(tǒng)負(fù)載增加，馬達(dá)轉(zhuǎn)速會(huì)經(jīng)過數(shù)秒的波動(dòng)然后穩(wěn)定在900 r/min附近，即行駛速度為1.88 m/s，與無(wú)負(fù)載啟動(dòng)時(shí)相比行速度下降。這是因?yàn)樨?fù)載增加導(dǎo)致系統(tǒng)容積效率下降，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)后下降并穩(wěn)定在一定速度值。該速度值符合整桿式甘蔗收獲機(jī)所需要的最小0.6 m/s的行駛速度要求，驗(yàn)證了理論分析設(shè)計(jì)的可行性。

在仿真結(jié)果中導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工作時(shí)的扭矩如圖7所示。分析驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工況下的扭矩可知，工況下驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的輸出扭矩經(jīng)過波動(dòng)最后維持在162 N·m附近，符合設(shè)計(jì)性能。

圖7　驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工況下扭矩

（2）轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)行駛系統(tǒng)分析

利用階躍信號(hào)設(shè)置轉(zhuǎn)場(chǎng)情況下馬達(dá)負(fù)載，甘蔗收獲機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)馬達(dá)排設(shè)置為小排量，變量泵設(shè)置為最大排量，進(jìn)行10 s的仿真。得到轉(zhuǎn)場(chǎng)情況下行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速曲線圖，如圖8所示。

圖8　轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速

分析行駛系統(tǒng)工況時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線圖可知，馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過3.5 s，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)即將速度增加到2 300 r/min，通過換算可得機(jī)器行駛速度為17.3 km/ h.當(dāng)行駛系統(tǒng)負(fù)載增加，馬達(dá)轉(zhuǎn)速會(huì)經(jīng)過數(shù)秒的波動(dòng)然后穩(wěn)定在2 250 r/min附近，即行駛速度為16.9 km/h，與無(wú)負(fù)載啟動(dòng)時(shí)相比行速度下降。這是因?yàn)樨?fù)載增加導(dǎo)致系統(tǒng)容積效率下降，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)后下降并穩(wěn)定在一定速度值。該速度值符合整桿式甘蔗收獲機(jī)所需要的15 km/h的行駛速度，驗(yàn)證了理論分析設(shè)計(jì)行性。

在仿真結(jié)果中得到的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工況下的扭矩如圖9所示。分析驅(qū)動(dòng)馬達(dá)工況下的扭矩可知，工況下驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的輸出扭矩經(jīng)過波動(dòng)最后維持在10 Nm附近，符合設(shè)計(jì)性能。

圖9　轉(zhuǎn)場(chǎng)情況下行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)扭矩

綜合仿真分析整桿式甘蔗收獲機(jī)閉式行走系統(tǒng)在工作時(shí)及轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)的最高行駛速度與扭矩等參數(shù)情況，可以判斷本設(shè)計(jì)的閉式行走液壓系統(tǒng)方案滿足收獲機(jī)功能需求，可以按此設(shè)計(jì)投入制造樣機(jī)。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前整桿式甘蔗收獲機(jī)行駛液壓系統(tǒng)存在的問題，重新進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并利用AMESim仿真軟件對(duì)改進(jìn)后的設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬仿真，通過虛擬建模和仿真分析，檢驗(yàn)了該系統(tǒng)在工作和轉(zhuǎn)場(chǎng)狀態(tài)下的速度、扭矩等參數(shù)方面都滿足功能設(shè)計(jì)要求，從而

驗(yàn)證了本行駛液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，為推動(dòng)整桿式甘蔗收獲機(jī)更快地完善和推廣提供有力的支持。

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Simulation Anlysis on the Walking Hydraulic System of the Sugarcane Harvester

LAIXiao1，QIN Zhi-wen2，ZHANG Biao1，GAO Jian-li1，GUOWen-feng1
（1.Guangxi University，Nanning 530004，China；2.SGMW，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Aiming at the problems of the sugarcane harvester walking hydraulic system nowadays，this papermakes a design improvement to solve the problems and testifies the improved design quickly and efficiently by making a simulation in AMESim software.Through virtualmodeling and simulation analysis，various of the system parameters speed，torque，etc.in both work and transition state are testified and they all turn out to meet the functional requirements.Therefore，the simulation verifies the feasibility of the design of the walking hydraulic system efficiently.This design improvementmethod will provide strong support to the promotion of the sugarcane harvester.

sugarcane harvester；walking hydraulic system；simulation

TP273

A

1672-545X（2016）04-0008-03

2016-01-03

廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室2014年項(xiàng)目（編號(hào)：14-045-15S01）；廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（編號(hào)：GXLH2014KF-04）；廣西大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目（編號(hào)：20140111）；2016年廣西教育廳中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目。

賴曉（1979-），女，廣西北流人，講師，博士，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)和CAD/CAE。