陳遠玲，陳承宗，彭 卓,陳浩楠,王 肖

(廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004)

引言

甘蔗是制糖的主要原料，當前我國甘蔗種植主要分布在廣西、廣東等南方熱帶地區(qū)，受季節(jié)天氣、地形及收割機性能等因素的影響，我國目前的甘蔗收獲機械化不足15%，甘蔗收獲效率低，成本高，導致我國蔗糖價格缺乏國際競爭力[1-2]。

甘蔗聯(lián)合收割機是大功率、多泵、多執(zhí)行器的復雜裝備，工作過程中工況復雜多變。與工程機械和盾構等電液驅(qū)動作業(yè)機械一樣，提高其工況適應性提高甘蔗聯(lián)合收割機的適應性與節(jié)能降耗是亟待解決的關鍵問題。

負載敏感技術由于具有良好的負載適應和流量匹配能力，節(jié)能效果好，因而被廣泛應用于各類機電裝備中。學者們對負載敏感閥的工作特性[3-4]和結構創(chuàng)新[5-7]進行了深入的研究和探索，拜穎乾等[8]、羅艷蕾等[9]、柯春鵬等[10]研究了負載敏感技術在盾構以及割草機、采棉機等農(nóng)機上的應用，獲得了較好的速度控制性能和節(jié)能效果。

甘蔗聯(lián)合收割機在節(jié)能研究方面，RAMOS C R等[11]研究甘蔗收割機前進速度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速對耗能的影響；HASSAN M等[12]研究刀具類型、傾斜角度及前進速度的組合對能耗的影響；高雪濤等[13]研究了對發(fā)動機和負載敏感系統(tǒng)進行全局控制的策略；陸聰玲[14]研究了將負載敏感技術應用于剝?nèi)~馬達的轉(zhuǎn)速對輸送馬達轉(zhuǎn)速的跟蹤控制；王海飛等[15]通過AMESim仿真研究了LUDV 負荷傳感控制技術在扶蔗馬達的應用。以上研究為甘蔗聯(lián)合收割機液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了參考。

圖1 甘蔗收割機切段輥示意圖Fig.1 Schematic diagram of cutting roller of sugarcane harvester

切段輥是切段式甘蔗聯(lián)合收割機的重要工作部件，功率大，能耗高。本研究基于田間實測載荷譜，將負載敏感技術應用于甘蔗收割機切段輥液壓系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)損能耗。

1 實驗對象及試驗設備

1.1 甘蔗收割機的切段輥

甘蔗收獲機切段裝置主要有滾切式和砍切式2種結構，試驗所用甘蔗聯(lián)合收割機切段裝置為滾切式結構。

切段式收獲特點是高效省工，最適合規(guī)模連片地收獲作業(yè)，是機械化收獲作業(yè)的主要模式。根據(jù)切段裝置在切段式收獲機中布局位置的不同，可分為前置切段式、中置切段式、后置切段式3種形式。本研究所用的甘蔗聯(lián)合收割機為后置切段式，其中刀片刃角為23°、材質(zhì)為工具鋼、厚度為8 mm、切段輥筒周圍布置6排刀片，刀片重疊量為2 mm[16]。

1.上切段輥 2.刀片 3.下切段輥圖2 滾切式切段裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of rolling cutting device

1.2 試驗平臺的設備及儀器

本次試驗機型為廣西某研究所研制的中型切段式甘蔗聯(lián)合收割機，切段輥的馬達由采用節(jié)流調(diào)速技術的液壓系統(tǒng)驅(qū)動。

圖3 試驗用甘蔗收割機Fig.3 Test sugarcane harvester

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用深圳某公司生產(chǎn)的加固液壓測試儀(型號：STONEBOOK-1600-SR)。該測試儀集成了計算機、傳感器接口以及通訊等模塊、數(shù)據(jù)采集軟件LER-iTest、數(shù)據(jù)處理軟件LERO-HTDAD，能實時將傳感器采集的壓力、流量等數(shù)據(jù)顯示出來并能進行數(shù)據(jù)處理，如圖4所示。該系統(tǒng)具有良好的防干擾能力和較高的采樣頻率，能在復雜工況下進行數(shù)據(jù)采集，可以適應甘蔗聯(lián)合收割機實際工作時的惡劣環(huán)境。

圖4 STONEBOOK-1600-SR數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.4 Stonebook-1600-sr data acquisition system

2 3種典型工況下切段輥驅(qū)動液壓馬達的田間試驗

2.1 試驗測試方案設計及數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集試驗在廣西武鳴區(qū)某甘蔗農(nóng)場進行，表1為試驗田條件參數(shù)?；谡n題組前期研究成果，試驗過程中將主要影響參數(shù)設置為較優(yōu)值，即控制風機轉(zhuǎn)速在1500 r/min、刀盤轉(zhuǎn)速600 r/min左右，且試驗過程中保證甘蔗的品種、試驗的場地、天氣狀況以及土壤狀況等都基本控制在同一水平內(nèi)。

表1 實驗田參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental field

課題組前期研究結果表明，甘蔗收割機在行走速度為2 km/h時是較優(yōu)參數(shù)設置，基于此探究甘蔗收割機在行走速度為1，2，3 km/h 3種常見工況下的切段輥液壓馬達的功耗情況。用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將試驗所需的載荷譜數(shù)據(jù)進行采集，依據(jù)公式功率計算式(1)可求得不同工況下切段輥液壓馬達的功率：

(1)

式中，P——馬達功率

p——馬達壓力

Q——馬達流量

2.2 功耗試驗

試驗過程中分別控制行走速度為1，2，3 km/h左右，在含雜率為6.3%左右的試驗單位中，每個典型工況隨機抽取15組共300個數(shù)據(jù)，在Origin軟件中做數(shù)據(jù)分析。由于2個切段輥馬達的壓力大、流量與功率曲線走勢幾乎一致，兩者差距非常小，故只給其中1個馬達的特性曲線，不同行走速度下馬達的壓力、轉(zhuǎn)速及功率如圖5所示。

圖5 不同行走速度時切段輥馬達壓力、轉(zhuǎn)速、功率圖Fig.5 Pressure,speed and power curves of cutting roller motor at different walking speeds

(2)

將3種典型工況試驗所得結果匯總，見表2。

表2 試驗結果匯總Tab.2 Summary of test results

從圖5可見，實際切段輥馬達的載荷波動大，馬達壓力波動范圍可達6～10 MPa，馬達轉(zhuǎn)速波動范圍可達80～200 r/min。對于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)而言，較大的載荷波動會造成較大的節(jié)流和溢流功率損失。由表2可知，甘蔗收割機切段輥馬達的功率較大，對于長時間作業(yè)的甘蔗收割機而言，減少液壓系統(tǒng)功率損耗和提高系統(tǒng)效率，能有效降低收獲成本。

3 切段輥液壓系統(tǒng)的設計

針對現(xiàn)有節(jié)流調(diào)液壓系統(tǒng)存在的問題，將功率損耗小、調(diào)速平穩(wěn)的負載敏感技術應用于切段輥液壓馬達系統(tǒng)中，以改善由于載荷波動大導致切段輥的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、功率損耗大的缺點。

3.1 負載敏感泵的節(jié)能原理

負載敏感變量泵流量連續(xù)方程：

Q0=nχaq0-C0p0

(3)

式中，Q0——負載敏感變量泵輸出量

n——泵的轉(zhuǎn)速

χa——活塞位移

q0——排量梯度

C0——泄漏系數(shù)

p0——變量缸右腔初始壓力

泵的動態(tài)模型為：

dχa=vbdt

(4)

(5)

式中，vb——閥芯的速度

pLS——負載敏感變量泵的輸入量

Ab——閥芯作用面積

K——彈簧剛度

χb——閥芯位移

χb0——閥芯初始位移

dχb=vadt

(6)

(7)

其中：n′=p0-pLS-Kχb0

(8)

(9)

式中，va——活塞速度

r——轉(zhuǎn)動半徑

J——轉(zhuǎn)動慣量

pa1——變量缸小流量時的容腔壓力

pa2——變量缸大流量時的容腔壓力

A1——變量缸活塞面積

A2——復位缸活塞面積

負載敏感泵的原理如圖6所示，與馬達連接的電機用于模擬外負載，泵的出口壓力隨負載的變化而變化。外載需求的流量增大時，閥1右腔的負載壓力與彈簧力共同作用推動閥芯向左移動，油缸3右腔通油液，與復位油缸4共同作用，自動調(diào)節(jié)柱塞泵斜盤傾角，以增大泵的流量，反之泵的輸出流量減小。負載敏感變量泵總是將壓力補償閥5兩側(cè)的壓差保持在LS閥彈簧設定的相應壓力，使泵的排量與負載需求的流量相互匹配[3-4，17]。這種自動調(diào)節(jié)的過程能有效降低泵的功率損耗。

1.LS閥 2.恒壓閥 3.變量油缸 4.復位油缸 5.壓力補償閥圖6 負載敏感泵原理圖Fig.6 Schematic diagram of load sensing pump

3.2 液壓系統(tǒng)的設計

基于甘蔗收割機實際載荷譜，設計了2套不同的切段輥液壓系統(tǒng)，如圖7所示。以節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)為參照，在同等條件下對比負載敏感系統(tǒng)泵的輸出功率和系統(tǒng)效率，主要元部件的選型如表3所示。

表3 主要元部件的型號Tab.3 Models of main components

圖7 切斷輥的液壓控制系統(tǒng)Fig.7 Hydraulic control system of cutting roller

4 基于AMESim的液壓系統(tǒng)仿真

通過實測獲得的不同工況下切段輥的載荷譜，并將實際載荷數(shù)據(jù)導入機電液仿真模型AMESim進行定量分析。依據(jù)式(10)可求得液壓系統(tǒng)的效率：

(10)

(11)

式中，η——液壓系統(tǒng)的效率

PA——馬達總功率

pP——泵的輸出壓力

Qvp——泵的輸出流量

根據(jù)節(jié)流調(diào)速和負載敏感系統(tǒng)的工作原理[3-4，18]，建立了AMESim仿真模型，如圖8所示，主要元件仿真參數(shù)如表4所示。

表4 主要元件仿真參數(shù)Tab.4 Simulation parameters of main components

4.1 行走速度為1 km/h液壓系統(tǒng)的仿真

行走速度為1 km/h的仿真結果如圖9所示，1 km/h的工況下，節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)單個馬達平均功率為3.46 kW，馬達總功率為6.92 kW，實際系統(tǒng)的馬達功率為7.12 kW，泵的平均功率為21.05 kW。負載敏感系統(tǒng)單個馬達的平均功率為3.55 kW，馬達總功率為7.1 kW，泵的功率為11.18 kW，約為節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的53.11%。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的效率為34.6%，負載敏感系統(tǒng)的效率為63.5%。

圖9 1 km/h 馬達壓力，流量、功率與泵功率對比圖Fig.9 Comparison of motor pressure,flow,power and pump power at 1 km/h

4.2 行走速度為2 km/h液壓系統(tǒng)的仿真

行走速度為2 km/h的仿真結果如圖10所示，2 km/h的工況下，節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)：單個馬達平均功率為4.81 kW，馬達總功率為9.62 kW，實際系統(tǒng)的馬達總功率為9.34 kW，泵的功率為27.18 kW。負載敏感系統(tǒng)：單個馬達的平均功率為4.69 kW，馬達總功率為9.38 kW，泵的功率為14.43 kW，約為節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的53%。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的效率為35.4%，負載敏感系統(tǒng)的效率為65%。

圖10 2 km/h馬達壓力，流量、功率與泵功率對比圖Fig.10 Comparison of motor pressure,flow,power and pump power at 2 km/h

4.3 行走速度為3 km/h液壓系統(tǒng)的仿真

行走速度為3 km/h的仿真結果如圖11所示，3 km/h的工況下，節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)：單個馬達平均功率為6.19 kW，馬達總功率為12.38 kW，實際系統(tǒng)的馬達功率為12.22 kW，泵的功率為34.9 kW；負載敏感系統(tǒng)：單個馬達的平均功率為5.66 kW，馬達總功率為12.12 kW，泵的功率為19.09 kW，約為普通系統(tǒng)的54.7%。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的效率為35.47%，負載敏感系統(tǒng)的效率為63.4%。

圖11 3 km/h馬達壓力，流量、功率與泵功率對比圖Fig.11 Comparison of motor pressure,flow,power and pump power at 3 km/h

3種典型工況下的仿真結果對比如表5所示。

表5 不同工況下兩液壓系統(tǒng)泵功率與效率對比Tab.5 Comparison of pump power and efficiency of two hydraulic systems under different working conditions

由仿真結果可得：節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的效率較低。負載敏感系統(tǒng)的泵能依據(jù)外載的變化對泵的排量和壓力進行調(diào)整，能明顯提高系統(tǒng)的效率，大幅度降低系統(tǒng)的功耗。實驗過程發(fā)現(xiàn)只給一邊馬達施加負載，另一邊馬達空載，負載敏感泵耗能與同時給兩馬達施加負載時相近。

兩液壓系統(tǒng)的泵功率、系統(tǒng)效率和價格對比如表6所示。

表6 兩種系統(tǒng)液壓泵功率對比Tab.6 Comparison of hydraulic pump power of two systems

4.4 實驗驗證

本節(jié)將應用實驗室的行走機械液壓綜合實驗平臺及測控系統(tǒng)驗證仿真的可靠性。

1) 實驗平臺簡介

實驗臺主要由泵模塊、馬達模塊、供油模塊與冷卻模塊組成?；贚abVIEW開發(fā)的行走機械液壓綜合實驗平臺操作系統(tǒng)具有實時檢測和呈現(xiàn)各個元部件的壓力、流量等信息的功能。實驗平臺和測試軟件操作系統(tǒng)如圖12所示。

圖12 實驗平臺及操作系統(tǒng)Fig.12 Experimental platform and operating system

實驗所需的主要元件是負載敏感泵和馬達，馬達的負載由與之相連的電機施加反向負載實現(xiàn)，實驗平臺所用的負載敏感泵和液壓馬達如圖13所示。

圖13 負載敏感系統(tǒng)主要部件Fig.13 Main components of load sensing system

2) 基于載荷譜的實驗驗證

將田間實測的負載數(shù)據(jù)導入實驗臺測試系統(tǒng)對馬達進行加載。3種不同工況下的實驗結果如圖14所示。實驗過程發(fā)現(xiàn)只給一邊馬達施加負載，另一邊馬達空載，負載敏感泵耗能與同時給兩馬達施加負載時相近，這與仿真結果相同。

圖14 不同行走速度時馬達壓力、流量、功率圖Fig.14 Pressure,flow and power curves of motor at different walking speeds

依據(jù)試驗結果：1 km/h下的泵的平均功率為10.82 kW，單個馬達的平均功率為3.52 kW，馬達的總功率為7.04 kW，系統(tǒng)的效率為65%；2 km/h下的泵的平均功率為13.38 kW，單個馬達的平均功率為4.75 kW，馬達的總功率為9.5 kW，系統(tǒng)的效率為71%；3 km/h下的泵的平均功率為17.44 kW，單個馬達的平均功率為6.16 kW，馬達總功率為13.32 kW，系統(tǒng)的效率為70.6%。

實驗所得的3種典型工況下泵的功率、馬達功率和系統(tǒng)效率對比情況如表7所示。

表7 實驗結果匯總Tab.7 Summary of experimental results

由表7可知泵的功率和系統(tǒng)的效率與負載敏感系統(tǒng)仿真的結果比較接近，仿真可靠度較高。

液壓馬達在田間和試驗臺的轉(zhuǎn)速對比如表8所示。

表8 田間實測與實驗臺實測的液壓馬達轉(zhuǎn)速對比Tab.8 Comparison of hydraulic motor speed measured in field and experimental platform

田間試驗用的甘蔗聯(lián)合收割機切斷輥液壓馬達采用節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動，行走機械液壓綜合實驗臺采用負載敏感驅(qū)動技術。由表8可知，負載敏感系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性更好。

5 結論

本研究基于實際甘蔗收割機田間實測數(shù)據(jù)，設計了切段輥的節(jié)流調(diào)速液壓系統(tǒng)和負載敏感液壓系統(tǒng)。用AMESim軟件對2種不同系統(tǒng)進行仿真分析，并用實驗平臺進行驗證，得出如下結論：

(1) 負載敏感系統(tǒng)耗能情況和系統(tǒng)效率明顯優(yōu)于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。相同工況下，負載敏感系統(tǒng)液壓泵的耗能約為普通系統(tǒng)液壓泵的54%，負載敏感系統(tǒng)的效率約為節(jié)流調(diào)速液壓系統(tǒng)效率的1.8倍；

(2) 甘蔗收割機切段輥的2個液壓馬達所受的外載相差不大，使用負載敏感系統(tǒng)能更充分利用泵的液壓能，減少能量的損失，提高系統(tǒng)效率；

(3) 相同工況下，負載敏感系統(tǒng)馬達轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性更好；提高負載敏感閥的響應速度，可以進一步改善液壓馬達的速度穩(wěn)定性。