陈恒峰　郭辉　吕全贵　徐志强　高国民

摘要：随着液压传动的大型联合收割机在农业生产机械中使用比例的增大，液压割台将逐渐取代带传动的机械割台，便于实现数字自动化控制；同时对割台的通用性提出新要求，以便于快速换装，实现一机多能的工作模式。对此，以新疆C-2收割机为基础，设计一款独立的通用型液压割台，通过对拨禾轮、搅龙、往复式切割器、拨禾轮支撑油缸进行工作分析，设计液压回路、对液压元件进行选型、建立AMESim模型仿真验证等方面研究，为我国液压割台的设计发展提供基础数据。

关键词：通用型；独立割台；液压回路设计；AMESim建模；仿真

中图分类号： S225.3 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）19-0246-05

收稿日期：2017-04-14

基金项目：“十三五”国家重大科技创新项目（编号：2016YFD0701300、2016YFD0701303-03）。

作者简介：陈恒峰（1988—），男，江苏扬州人，硕士研究生，主要从事农业机械化研究。 E-mail：648391937@qq.com。

通信作者：郭 辉，博士，副教授，硕士生导师，主要从事农业自动化装备。E-mail：gh97026@126.com。 随着液压技术的快速发展，越来越多的大型联合收割机使用液压传动，以便实现数字自动化控制。收获割台作为大型联合收割机的重要组成部分也随着时间的推移从带传动的机械割台逐渐升级为液压割台。我国地域广阔、环境气候优越，适合农作物的生长，因此农作物品种丰富、可一年多季收获；为提高大型联合收割机使用效率，实现一机多能的工作模式，必须设计一种通用型的联合收割机，即对机械进行模块设计，将液压底盘设计成一种通用性很强的工作平台，对收获割台根据农产品的不同收获特点进行独立设计[1]。

以新疆C-2收割机为基础，通过对拨禾轮、搅龙、往复式切割器、拨禾轮支撑油缸进行工作分析，选择以液压马达独立推动拨禾轮、搅龙、往复式切割器且拨禾轮支撑油缸单独回路连接的一款独立的通用型谷物收获液压割台，通过液压换向阀对系统元件进行回路控制。相对于传统的带链轮连接机械割台，使用液压集成块可以实现快速与液压底盘的拆装，提高工作效率；同时各元件之间传动与控制相互独立，可以针对不同的农作物、不同的生长环境提供最优化的工作参数，提高生产效率、降低损失、提高经济效益。与此同时，操作人员可以根据实际的生产使用情况，对机械工作数据进行采集、计算、分析、优化，为发展新机型提供宝贵的实物资料[2]。

1 通用独立液压割台的设计依据

拨禾轮、搅龙、往复式切割器选择以液压马达独立推动，拨禾轮支撑油缸单独回路连接，使用液压阀独立单一控制各执行元件的通用型独立液压割台，各工作执行元件参数见表1。

各液压马达适用范围不仅满足对应元件的工作速度，而

表1 新疆C-2型联合收割机割台元件参数

项目名称 参数拨禾轮转速25～39 r/min拨禾轮直径1 000 mm 搅龙转速244～256 r/min 搅龙直径500 mm 往复式切割器转速490～510 r/min 割台工作幅寬2.36 m 拨禾轮支撑油缸YD25

且在工作时各执行机构负载变化时为其提供稳定动力。

2 通用独立液压割台的设计方案

根据国内农业机械的工作系统压力国家标准10～16 MPa，现确定工作系统额定压力为10 MPa，最高16 MPa，此方案既可以满足系统的技术要求，又不增加液压件的采购成本。以新疆C-2型联合收割机割台元件参数为设计依据，结合液压系统的工作原理及特点，选择闭式静液压传动方案[3]。其主要特点是结构简单、安装灵活、油箱体积小、工作效益高、工作能量损失小；其主要部件有工作泵、工作马达、油缸、换向阀、补油泵、溢流阀；其中泵为系统动力元件，马达、油缸为执行元件，电磁换向阀为控制元件，一起组成工作系统；补油泵与溢流阀组成补油系统，对系统损失进行补偿的同时换油降温，保证系统工作时油温符合使用要求（图1）。

液压底盘通过液压集成模块接口与独立割台连接，使两者之间的油路相通；压力表观察系统压力，溢流阀保护系统安全，调速阀调整对应执行元器件的工作速度参数，使系统整体驱动功率不受负载影响而发生改变，保证液压元件工作的稳定性；整个系统的控制过程可以由操作者直接调节与改变液压阀的开关、旋转变量完成，有利于在实际使用过程中寻找出最佳的工作参数、提高工作效益、降低作业损失。

3 割台液压系统的主要元件的计算与选型

3.1 拨禾轮

拨禾齿线速度V1为

V1=2πR×n160。

式中：V1为拨禾齿线速度，m/s；n1为拨禾轮转速，r/min；R为拨禾轮半径，m。

拨禾轮马达工作载荷力矩Mg1和功率N1为

Mg1=F1×B×R；

N1=F1×B×V1×10-3。

式中：Mg1为拨禾轮马达工作载荷力矩，N·m；N1为拨禾轮马达工作载荷功率，kW；F1为拨禾轮单位长度拨禾阻力，N/m（一般为25～40 N/m）；B为割台工作幅宽，m。

3.2 搅龙

工作载荷功率N2和载荷力矩Mg2的计算公式为

N2=Ug（Lη1+H）η2×10-3=U（Lη1+H）η2×10-2；

Mg2=9 550N2n2。

式中：N2为搅龙马达工作载荷功率，kW；U为生产率，2 kg/s；g为重力加速度，m/s2；η1为阻力系数（取5）；L为割台长度，m；H为作物提升高度，m；η2为校正系数，η2=10（由于搅龙在工作中堵塞缠绕时阻力会成倍增加，故校正系数η2取较大值10）；n2为搅龙转速，r/min。endprint

3.3 切割器

工作载荷功率N3和载荷力矩Mg3；其中N3包括切割功率Ng与空转功率Nk 2个部分，即：

N3=Ng+Nk=Vm×B×E0×10-3+Nk′×B；

Mg3=9 550N3/n3。

式中：N3为切割器工作载荷功率，kW；Ng为切割功率，kW；Nk为空转功率，kW；B为割台工作幅宽，m；Vm为收割机前进速度，m/s；E0为单位收获面积的茎秆切割功，N·m/m2；Nk′为每米割幅需消耗的空转功率，kW；n3为摆环箱转速，r/min。

经测定：收割小麦时E0=100～200 N·m/m2，收割牧草时E0=200～300 N·m/m2。Nk为空转功率，与切割器设计制造技术和割幅有关，一般每米割幅需消耗的空转功率：Nk′=0.6～1.2 kW 。

马达排量计算公式：

q=2×π×TWP1×ηm

式中：P1为液压系统额定压力；TW为液压马达扭矩；ηm为机械效率，取0.8。

根据计算公式与新疆C-2型联合收割机割台元件参数，选择液压马达元件参数（表2、表3）。

3.4 液压泵的选型

在选择液压元器件时，根据马达所需流量确定泵的流量QP。

液压马达的排量q、转速n和流量Q的关系为

Q=qn1 000。

式中：q为液压马达的排量，mL/r；n为液压马达的转速，r/min；Q为液压马达的流量，L/min。

液压泵（马达）功率计算公式为

N=P×Q612。

式中：P为液压马达的工作压力（1 MPa=10 kg/cm2）；N为液压马达的功率，kW。

液压泵的最大工作压力Pp

Pp≥p1+∑Δp

式中：p1为液压缸或液压马达最大工作压力；∑Δp为从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。∑Δp的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取∑Δp=（0.2～0.5） MPa；管路复杂，进口有调阀的，取∑Δp=（0.5～15） MPa。

选择工作系统最高工作压力为16 MPa、额定工作压力 10 MPa，带入参数得额定工作压力Pp=11.5 MPa；

多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为

QP≥K（∑Qmax）。

式中：K为系统泄漏系数，一般取1.1～1.3；∑Qmax为同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量。

由于割台正常收获谷物时，拨禾轮支撑油缸处于静止状态，同时YD25型油缸工作油量小，因此不加入系统进行流量计算。根据新疆C-2型联合收割机割台元件参数、计算公式与系统特点：主泵的总流量=K×系统液压马达流量+辅助泵的流量（辅助泵的流量为系统中各马达总流量的25%～30%，其作用是为系统补充流量的同时进行管路油液散热）[4-5]。根据设计液压原理并结合计算参数，优化系统后的马达与泵的选型与工作实际参数见表4、表5。

4 割台液压系统的仿真研究

4.1 建立割台液压系统模型

根据泵与马达、油缸受力的参数及系统图形，设计使用AMESim液压仿真软件现有的液压元件库建立联合收割机割台液压系统模型[6-9]、整体仿真模型（图2）。闭式回路系统仿真模型（图3）、单独液压马达的仿真模型（图4）、工作油缸的仿真模型（圖5）。

根据液压系统整体仿真模型与符合液压工作原理的计算结果，制定液压仿真参数（表6），AMESim仿真时默认工作条件为理想工作环境，泵的输出功率全部转化为马达的工作能量。

4.2 液压割台的仿真分析

将液压系统仿真参数带入模型仿真后，得到液压执行元件拨禾轮马达（图6）、搅龙马达（图7）、往复切割器马达（图8）、带负载液压缸（图9）的仿真工作结果。其中图形中数值为负时，液压马达正常工作；数值为正时，液压马达为反转。

由图6可以看出，拨禾轮马达在启动开始时1～3 s振幅明显；平稳工作后，拨禾轮马达仿真工作结果流量值为2.574 L/min，设计流量为2.5 L/min；工作压力最大值 9.5 MPa，设计额定压力为10 MPa；正常工作转矩范围在49～93 N·m，过载保护时的工作转矩为93～103 N·m，马达的工作额定转矩为95 N·m；马达正常工作最高转速为40 r/min，设计最高转速为39 r/min。综合上述的分析结果表明，拨禾轮马达在仿真结果中的技术参数符合设计要求，满足工作使用需求。

上述的分析结果表明，往复切割器马达在仿真结果中的技术参数符合设计要求，满足工作使用需求。

由图9可以看出带负载液压缸的仿真工作结果，启动开始时1 s振幅明显；平稳工作后，油缸无杆腔仿真工作结果流量值为1.55 L/min，设计流量为1.5 L/min，有杆腔仿真工作结果流量值为1.86 L/min，设计流量为1.8 L/min；工作压力最大值6 MPa，设计额定压力为10 MPa，最高压力16 MPa；油缸无杆腔仿真工作时油缸运行速度为5 cm/s，有杆腔仿真工作时油缸运行速度为6.5 cm/s，油缸在工作规定时间内完成伸缩要求行程为240 mm，且动作要求符合工作时液压回路的慢进快退的急回特性。综合上述的分析结果表明，负载液压缸在仿真结果中的技术参数符合设计要求，满足工作使用需求。

由图6至图8联合分析可以发现，在Y型三位四通换向阀处于中位时，系统中液压马达可以实现停止马达旋转，泄压保护，防止转矩严重超载导致马达损坏；在实际工作过程中可以在拨禾轮、搅龙、往复切割器卡死时对工作回路进行泄压保护，同时在拨禾轮、搅龙实现正反转切换时减小液压对马达的冲击，保证液压系统工作的稳定性，延长执行元件与控制元件的使用寿命。

综合分析上述观点，仿真参数结果与设计参数相吻合，因此液压系统中的各个参数满足设计与工作要求。

5 结论

在设计完成液压割台的工作参数后，使用AMESim对液压系统进行建模与参数仿真，可以直观地观察分析仿真结果，发现存在的问题与缺陷，便于进一步的产品优化升级，缩短产品的研发周期，提高经济效益。同时，仿真结果在验证系统参数合理性的同时，为产品的生产与改进提供充分的理论依据，保证实际工作中产品系统的稳定性。

参考文献：

[1]詹志学，牛文祥，詹 玥. 液压驱动在农业机械行走系统中的应用分析[J]. 现代化农业，2012（9）：63-64.

[2]凌 健. 液压系统在工程机械传动中的应用和优势[J]. 时代农机，2015（1）：134-160.

[3]张立彬. 静液压驱动系统在农业机械领域的应用[J]. 液压气动与密封，2014，34（10）：78-80.

[4]王 刚，吴崇友，伍德林.通用型联合收割机独立割台液压传动系统设计[J]. 中国农机化学报，2015，36（3）：34-38.

[5]车 艳.约翰迪尔 S660型联合收获机[J]. 现代化农业，2013（9）：44.

[6]付永领，祁晓野.AMESim系统建模和仿真——从入门到精通[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[7]刘海丽.基于AMESim的液压系统建模与仿真技术研究[D]. 西安：西北工业大学，2006.

[8]张宪宇，陈小虎，何庆飞，等. 基于AMESim的液压元件设计库的液压系统建模与仿真研究[J]. 机床与液压，2012，40（13）：172-174.

[9]谢 地，权 龙.基于ADAMS和AMESim的装载机联合仿真[J]. 矿山机械，2011，39（10）：27-32. 虞利俊，徐 磊，柳 军，等. 江苏地区设施园艺保温材料的选型及应用[J]. 江苏农业科学，2017，45（19）：251-253.endprint