基于AMESim的薯类收获机液压传动设计与仿真

史文婷，吕钊钦，鹿　瑶，郑文秀，程祥勋，刘正铎

(山东农业大学 机电学院，山东 泰安　271018)

0　引言

马铃薯甘薯等薯类是广泛分布于世界各地的经济作物，其营养价值高且可作为多种食品的加工原料，为我国粮食增产、农民增收，做出了巨大贡献[1]。我国是世界上马铃薯生产消费第一的大国, 薯类收获机械的研发与应用可有力地推动薯类产业的发展[2]。

国外薯类收获机起步早、发展迅速、水平高，而且已把振动、传感技术及液压技术等高新技术融于机具之中。20世纪60年代中期，我国马铃薯收获机研制的工作才发展起来[3]。目前,国内马铃薯收获机大多以单一的中小型链条式马铃薯收获机为主，特点是轻便、配套动力小、结构简单、操作方便。我国中小型薯类收获机存在的普遍问题如下：易于壅堵，行进阻力偏大，明薯率低，伤薯率较高，机械化水平较低[4]。因此，在农业产业机械化的大背景下，迫切需求经济效益高、适应能力强、作业质量好、可靠性高、功能完善的薯类收获机械，以满足薯类作物产业的日益发展需求。

本文设计的以电液控制为基础的薯类收获机，相对于传统的以拖拉机传动轴为动力的薯类收获机更有普遍适用性，避免了机械摩擦产生的损耗。液压传动系统也实现了无级变速。

1　机构设计及原理

1.1　整体结构

该薯类收获机在传统意义上的中小型薯收获机的基础上增加了液压系统，用电液控制传动代替了传动收获机中的机械传动。该传动系统中包括电控液压传动系统、信号检测放大与自动控制处理系统，由液压控制元件、液压执行元件和负载组成的液压装置称为液压动力输送机构。由于液压泵、液压马达和电磁比例阀组成的动力机械效率不高但响应快，而且控制精度高，因此小功率系统多采用这种动力机构。收获机结构如图1所示

1.2　原理分析

电液传动控制原理如图2所示。其中，反映速度的反馈信号来自角速度传感器,安装于薯类收获机动力输出轴上；输出信号通过放大器放大信号，再经 A/ D 转换为转速反馈的数字信号，并与设定的信号值做偏差比较,组成闭环控制系统。电磁比例阀是转速控制的比例控制系统关键部件,在电压输出信号控制下, 改变液压油进出马达流量和流向, 控制马达的转速, 从而达到自动控制转速的目的[5]。

1.液压泵　2.电磁比例阀　3.油箱　4.转速传感器　5.液压马达图1　液压传动薯类收获机结构图Fig.1　Structure of hydraulic transmission potato harvester

图2　液压传动薯类收获机原理图

根据作业要求,电控液压传动系统需满足收获机转速稳定要求。对电液传动转速控制系统设计时, 需符合系统工作要求, 实现液压执行及元件各项功能。应根据系统的功率、工作压力、流量，以及系统对工作平稳性、温度控制等方面的要求来选择元件。

1.3　薯类收获机参数

薯类收获机的主要参数如表1所示。

表1　薯类收获机主要参数

2　关键液压元件选取

2.1　薯类收获机主动轴的扭矩计算

薯类收获机主动轴的扭矩计算如图3所示。

图3　薯类收获机升运链上的物体受力分析图

链条上负载的截面面积为

S=1/2hL

(1)

链条上负载的重量为

G=SBρg

(2)

主动轮的牵引力为

Fs=Gsinθ

(3)

主动轮的扭矩为

T=Fs(R+lm)

(4)

式中h—土壤高度，取h=0.25m；

L—升运链长度，取L=0.901m；

ρ—土壤密度，取ρ=1 500kg/m3；

B—机器作业宽度，取B=0.8m；

R—主动轮的半径，取R=0.08m；

θ—升运链角度，取θ=30°；

lm—负载重心距离链条接触面的距离，取lm=0.083m；

g—土壤密度，取g=9.8N/kg。

将以上各参数数据带入式(1)～式(4)，通过计算可得主动轮的扭矩T=107.95Nm。

2.2　液压马达

马达的各参数计算如下，即

(4)

马达进出口压力差Δp=ps-pL

(5)

(6)

马达输入功率PM1=Δpqv

(7)

马达输出功率PM2=PM1-Tω

(8)

式中Ps—马达入口压力；

PL—马达出口压力；

ps—供油压力；

qv—马达的流量；

ω—马达转速。

由上面计算主动轮的扭矩得所选马达扭矩不能低于107.95N·m，最大转速取350r/min。由于传动力的零件间相对滑动摩擦而生热和液压马达流道中流体压力损失的限制，液压马达的理论参数与实际会有一定的差距，因此选取马达型号时尽可能稍大于计算的数值。

BM系列摆线马达为体积小、质量轻、转速范围宽及扭矩大的液压马达，能适用于高压力下的长期运转。其结构简单、低速稳定性好，单位质量功率远比其他类型的液压马达大；先进的轴密封设计，较高的背后承受能力；短期超载能力强，输出扭矩大；有轴配流和端面配流两种结构，农业机械中广泛使用。因此，该液压传动系统选取BM2系列摆线液压马达，其排量为125mL/r，压力14MPa，转速范围10～440r/min，最大输出扭矩270N·m。

2.3　电液比例溢流阀的选用

由于电液比例溢流阀能进行高精度、远距离的压力流量控制，因此选用电液比例溢流调速阀的型号为EFBG-03-125-C流量型。其最高使用压力为24.5MPa，流量调整范围1.0～125L/min,额定电流680mA,压差0.6MPa,滞环小于7%,重复精度1%。

这种溢流调速阀是一种节能阀，可以为执行元件的工作提供必须的最小压力和流量。此阀能够根据负载压力并使压差保持最小来控制泵的压力，是一种低耗能、节能、进油控制节流式调速阀。这种阀具有温度补偿功能，能使控制流量稳定而不受油液温度的影响。

2.4　液压泵的选用

该液压传动系统选用齿轮泵，其排量61mL/r，流量60L/min，转速600～1 800r/min，最高压力16MPa，质量16.5kg。该高压齿轮泵采用齿顶扫膛，轴向密封采用浮动压力平衡侧板，具有效率高、体积小、质量轻及工作可靠等特点。

3　基于AMEsim仿真的负载特性试验

3.1　液压传动系统在AMESim中的建模

AMESim是一种集信号控制元件、液压元件及机械元件等多种元器件为一体的多学科复杂仿真平台与建模系统。本文通过在AMESim中建立模型对马铃薯收获机传动系统在电液控制下的负载特性进行分析[6]。

根据液压传动系统原理图(见图4),在AMESim中的液压库中选取液压泵、电磁比例阀、液压马达、油箱；在机械库中选取在电机、负载、转速传感器；在信号控制库中选取信号源、放大倍数、比例积分微分控制器。

图4　电液控制传动系统原理图

液控马达转速系统的开环模型仿真中，把液压马达的实际转速和目标转速通过比例控制环节将模拟信号转换成电压信号,并将反馈值与目标值进行比较,所得差值经过PID控制器处理再发出信号,PID输出信号作为变频器的输入信号,建立液控马达PID闭环调速系统仿真模型[7]。

3.2　负载在AMESim中的特性分析

液压系统建模仿真过程中，液压马达参数都选取液压马达参数的额定值,马达转速取320r/min,排量为120mL/r；液压泵参数选取泵的转速设为1 500r/min,排量为65mL/r；电磁比例阀阀门固有频率为20Hz；阀门额定电流为680mA,选取的流量比液压泵小[9]。在仿真过程中,通过对信号控制系统传递函数及比例放大的调节，可以得到负载的在不同转速时的仿真图如图5～图8所示。

由图5和图6可以看出：马达转速跟踪效果较好,负载实际转速没有明显滞后于目转速,而且负载转速的稳定值达到了设定目标值。

图5　转速300r/min时负载转速仿真图

图6　转速250r/min时负载转速仿真图

图7　转速300r/min时负载扭矩仿真图

图8　达到250r/min稳定时负载扭矩仿真图Fig.8　Simulation of load torque at 250r/min

由图7和图8可以看出：不同转速时，负载扭矩处于正常范围内，负载的平衡不会受到影响。

4　结论

1)本文通过对薯类收获机负载的受力分析，求出主动轴的扭矩，确定了液压马达的所需扭矩及其它参数，进而选取合适型号的马达。该液压传动系统依据摆线液压马达型号及系统需求，确定电液比例溢流阀及齿轮泵的型号。

2)将该液压系统在AMESim中对其不同参数下的性能进行了仿真，结果表明：该系统可以达到预期效果。