大姜播种机液压系统设计及联合仿真分析

2023-11-09林云龙杨发展扈伟昊黄珂

机床与液压 2023年19期

林云龙，杨发展，扈伟昊，黄珂

(青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266520)

0 前言

大姜是一种具有较高经济价值的药食两用作物，实现其高效机械化种植对于降低农户的劳动强度、提高生产效益、加速农民脱贫致富具有重要意义。文献[1]中阐述了现有大姜机械化种植技术，结果表明：采用带输送+V形挡块相结合的播种原理可以有效实现大姜低损、精准种植。故采用该播种原理设计了一种新型大姜播种一体机，并采用液压控制的方式提高其作业性能。

利用AMESim软件与MBD技术联合仿真可实现液压系统与机械结构的数据交换，为评价液压系统及机具开发提供了一种有效手段[2-5]。由于所提出的大姜播种机液压系统主要实现整机同步升降及播种装置的平稳布放，要求机液耦合协同作业。

因此，本文作者采用AMESim与RecurDyn联合仿真的方式对构建的液压系统进行分析评价，为大姜播种机的研制提供理论依据。

1 大姜播种机设计及液压系统组成

现有的大姜播种机主要为单行人工辅助作业，其效率低且自动化一体化程度不高。为满足大姜机械化联合作业，如图1所示，设计了集开沟、起垄和播种于一体的双行大姜播种机，主要包括旋耕开沟装置、双圆盘起垄装置、输送播种装置和升降行走装置。其中升降行走装置通过液压缸Ⅰ(a、b、c、d)进行升降调节，从而带动整机实现行走与工作状态的转换。因姜种与油菜基质块苗两者质量相差不大，且带式送苗装置与水平面夹角为30°时油菜基质块苗可实现稳定输送[6]，故输送播种装置利用液压缸Ⅱ实现该装置与地面的角度调节，以满足30°倾角的工作状态，从而使人工放置于输送播种装置上的姜种能够平稳下落至种沟。

图1 大姜播种机设计方案简图

多缸同步回路以PID信号控制为主要手段，通过增益补偿的方式减少同步误差[7]；但该控制方法较为复杂，对操作人员的要求较高且不利于农业机具的推广。故将2个液压缸Ⅰ(图1中a、b或者c、d)构成一套同步回路子系统(图2(a))，液压缸Ⅱ则单独采用一套顺序回路子系统(图2(b))以减缓因多个执行器在不同工作压力下同时运作产生的固有压力损失[8]。

图2 大姜播种机液压系统原理

查阅标准可知，人体体重最大偏差在50 kg以内[9]；此外，分流阀在偏载500 N以内仍有较好的同步性[10]，故同步回路采用负载敏感变量泵与分流阀相结合的方式以满足变负载下的同步顶升作业。采用M形三位四通换向阀实现卸荷，以防止油温过高，并通过单向阀实现双端锁紧。为避免机具下降过快，设计的回油管路内应有一定的背压[11]，故采用平衡阀使回油管路内产生背压以减少高压下油液冲击进而减缓油缸回程的速度。

顺序回路通过布置于液压缸Ⅰ上的行程开关19.1和19.2以实现电磁换向阀12左、右两位的换向，以满足液压缸Ⅱ在4个液压缸Ⅰ均为0 mm行程时开始工作。同时，采用行程开关19.3控制电磁换向阀12调至中位以满足输送播种装置30°倾角工况下的行程调节。为保证液压缸Ⅱ的锁紧，采用节流阀及液控单向阀组以减少其工作腔的压力波动，进而减缓噪声和振动[12]。此外，液压延时器通过改变其阻尼孔直径可改变其延时效率[13]，故为减缓信号短时输入引起的激振现象，采用可调节流阀减缓油液流速，实现阻尼延时。

整个液压系统中的元件相对简单，无需单独设计新的阀组，在满足播种机工作需求的同时，可维护性较好，满足恶劣环境下田间作业的需要。

2 大姜播种机液压系统参数计算

液压缸Ⅰ选用标准拉杆式结构，通过方形法兰与行走轮架固接，其额定工作压力为10 MPa，考虑人体及姜种质量取整机工作质量为2 200 kg。由于牵引机在该大姜播种机提升过程中提供部分支撑力，取其为5 000 N，重力加速度g取9.8 m/s2，故等效总负载为16 560 N。假设4个液压缸Ⅰ将整机完全顶升并承载重力平均分布，故单个液压缸Ⅰ的负载约为4 140 N。液压缸Ⅰ顶升整机过程中，载荷满足：

(1)

式中：Fp1为液压缸Ⅰ所提供的推力，N；p1为液压缸Ⅰ工作压力，取10 MPa；A1为液压缸Ⅰ活塞杆截面面积，mm2；D1为液压缸Ⅰ缸径，mm；d1为液压缸Ⅰ杆径，mm；φ1为液压缸Ⅰ的速比，取推荐值φ1=1.33。

为使整机升降运动平稳，取D1=50 mm、d1=30 mm，保证能够为液压缸Ⅰ提供较大的推力。在牵引机牵引下，升降行走装置布置的液压缸Ⅰ经回油孔回油后，使得旋耕开沟装置入土，调整圆盘起垄装置压实土壤并挤压起垄；输送播种装置布置的液压缸Ⅱ经进油孔进油后将它下放至种床，在工作状态下的大姜播种机结构布置简图如图3所示。

图3 液压缸布置简图

图3中：ABCDE表示输送播种装置；O1、O2为液压缸Ⅰ与机架的铰接点；E为输送播种装置与机架的铰接点；M1、M2分别为圆盘起垄装置与旋耕开沟装置运动中心点；LCL表示液压缸Ⅱ在工作状态下的总长度，mm。LAB=60 mm；LCD=300 mm；LDE=130 mm；LEJ=182.5 mm；LLJ=30 mm。

如图3(a)所示，为避免输送播种装置与座椅安装板出现干涉，设置20°<θ<30°。图3(b)为液压缸Ⅱ以30°倾角工作状态下的结构布局，由几何关系可得式(2)：

(2)

故为满足工作状态下输送播种装置结构要求，需满足LBC=1 194.26 mm，取LBC=1 200 mm。为实现理论耕深150 mm，旋耕刀选用T260型[14]，液压缸Ⅰ行程s1=160 mm。输送播种装置在下放至种床过程中，液压缸Ⅱ的长度及行程满足：

(3)

如图4所示，输送播种装置在液压缸Ⅱ所提供的拉力下保持平衡，故由力矩平衡原理可得：

图4 液压缸Ⅱ受力分析简图

(4)

式中：G2为输送播种装置重力，N；F2为液压缸Ⅱ工作拉力，N。

代入已知几何条件，由式(4)可得F2=7.29sin(θ+77.20°)G2，因θ范围为(20°，30°)，故F2与θ成反比，液压缸Ⅱ所提供的拉力应大于θ=20°时的工作拉力F2。

(5)

式中：Fp2为液压缸Ⅱ所提供的拉力，N；p2为液压缸Ⅱ工作压力，取16 MPa；A2为液压缸Ⅱ活塞杆工作截面面积，mm2；D2为液压缸Ⅱ缸径，mm；d2为液压缸Ⅱ杆径，mm；φ2为液压缸Ⅱ的速比，取推荐值φ2=1.33。

图4中：R1为输送播种装置质心，LDR1=572 mm。

输送播种装置总重力G2<700 N，故液压缸Ⅱ选用标准型HSG工程液压缸，缸径D2=50 mm，杆径d2=25 mm。考虑播种倾角范围，因HSG工程液压缸采用耳环连接，其安装距离X=280+s2，参考式(3)将液压缸Ⅱ的行程设计为s2=60 mm，即液压缸Ⅱ伸出30 mm时即可满足工作需求。

根据执行部件最大运动速度，液压系统最大流量有以下关系式：

(6)

其中：Q为系统最大流量，L/min；v为液压缸最大运动速度，mm/s；D为液压缸缸径，mm；d为液压缸活塞杆直径，mm；K为系统泄漏系数，取1.3。

取液压缸容积效率为1，由于液压缸Ⅰ回程速度较大取45 mm/s；液压缸Ⅱ活塞杆伸出时速度较大取20 mm/s，故由式(6)计算可得同步回路子系统最大流量为8.82 L/min。为减少阀前压力补偿欠流量下的同步误差，取同步回路子系统流量为10 L/min；顺序回路子系统最大流量为3.06 L/min，取顺序回路子系统流量为3 L/min，故可得液压系统主要参数如表1所示。

表1 大姜播种机液压系统参数

3 联合仿真建模及系统特性分析

3.1 大姜播种机动力学简化模型

如图5所示，为保证较小的失真度，将SolidWorks建立的简化模型转换为parasolid(.x_t)格式导入RecurDyn中，采用材料库设置各部件材料。由于ecurDyn将同一部件上的2个转动副约束定义为冗余而影响分析结果，故采用衬套力(Bushing)代替转动副以表达各机构间的约束关系；将其他部件简化为载荷力并通过添加平移力(Translation)的方式施加于机体上。

为探究人体体重偏载对系统的影响，将左右两侧座椅及人体负载平移力分别设置为-1 000 N及-1 500 N。以座椅及人体负载为例(其余部件简化方式相同)，将平移力逐步添加到该过程中，首先在三维建模软件中测量包括人体模型在内的座椅重心及安装中心，坐标分别为(-375.0，602.5，1 453.5)mm和(-375.0，200.0，1 453.5)mm，因RecurDyn与AMESim软件之间数据交换采用MKS单位制(m、kg、s、N、(°))，将上述坐标统一换算为MKS单位后，分别在地面(Ground)及机架上创建部件质心Marker点及部件安装中心Marker点；其次定义各个部件的负载力表达式；最后在重力方向(y方向)上添加平移力。

3.2 联合仿真模型的建立

如图6所示，AMESim液压库建模采用文献[15]中的分流阀模型与参数设置，将行程开关简化为位移传感器模型并基于表1构建液压系统。联合仿真以RecurDyn为主控软件，AMESim为辅助软件，采用FMI模块通过创建工况输入(GPlant_in)及输出(GPlant_out)实现两软件的数据交换；AMESim将液压缸位移输入RecurDyn以控制液压缸运动，RecurDyn将液压缸轴向压力反馈给AMESim作为液压缸的负载力。

图6 AMESim联合仿真模型

如图7所示，设置M形三位四通换向阀信号输入值，设置步长0.01 s，以40 s为一周期，分析2个循环周期下的系统性能。M形三位四通换向阀在输入正值时左位工作，液压缸Ⅰ无杆腔进油，系统将整机举升；输入负值时右位工作，液压缸Ⅰ有杆腔进油，机具下降；输入零值时中位工作，系统锁紧。

图7 仿真信号设置

3.3 仿真特性分析

液压缸Ⅰ、Ⅱ的位移及速度曲线分别如图8(a)、图8(b)所示，4个液压缸Ⅰ具有相同的运动特性，且液压缸Ⅰ、Ⅱ的各运动特性曲线呈周期性变化。液压缸Ⅰ以约30 mm/s的速度开始顶升，在约5 s时到达最大行程160 mm；在5～20 s时间段内保持160 mm，之后以45 mm/s速度开始复位，约24 s时恢复初始位置并维持至40 s。液压缸Ⅱ在液压缸Ⅰ位移均为0 mm时以约10 mm/s速度开始工作，下放输送播种装置；随后保持在30 mm最大行程，然后在液压缸Ⅰ开始顶升时以约20 mm/s的速度复位，将输送播种装置收回。液压缸Ⅱ 2个周期内的运动速度基本一致，在25～40 s及65～80 s时间段内速度波动较大，但液压缸Ⅱ仍保持在30 mm行程范围内。

图8 液压缸运动性能曲线

液压缸Ⅰ无杆腔压力如图8(c)所示，0～5 s内压力基本保持在2.2 MPa，结合图8(a)，无杆腔进油将活塞杆伸出，经计算液压缸Ⅰ所提供的推力约为4 320 N，满足要求；5～20 s内压力基本保持在系统最大压力10 MPa，液压缸Ⅰ锁紧；20～25 s内压力维持在6 MPa以上，结合图8(a)，说明液压缸Ⅰ在回程时保持约6 MPa的背压，减缓了活塞杆的下降速度。液压缸Ⅱ有杆腔压力如图5(d)所示，结合图8(a)，液压缸Ⅱ在0 mm行程时其有杆腔压力均约16 MPa，表明其锁紧性能较好。整个液压系统基本实现了同步顺序协调作业，提高了大姜播种机的工作效率。

由于液压缸Ⅰ轴向负载随位移输入信号呈周期性变化，故绘制其一个周期内的负载压力变换曲线如图9所示，4个液压缸Ⅰ的轴向负载变化趋势基本一致，均在0～5 s和20～25 s时间段内出现波动并趋于平稳，即在液压缸Ⅰ顶升及下降过程中其负载压力变化较大而油缸锁紧后受力平稳，表明液压缸Ⅰ同步及锁紧性能较好。此外，由于a、b两缸距播种机重心较c、d两缸近，承载了较大的负载；a、b两缸负载均为负值即沿液压缸活塞杆向下的压力，且所受负载力均大于c、d两缸并且在油缸锁紧阶段(5～20 s和25～40 s)a、b两缸所受轴向负载约为-5 500 N，c、d两缸所受轴向负载约为-1 800 N。a与c缸或者b与d缸的累加负载力约为-7 300 N，此值与理论计算值-8 280 N相差较大，这是由于理论计算将两侧行走机构的质量包括在内，为液压缸设计计算保留一定裕量。因此a、b两缸与c、d两缸分别使用两套独立的同步系统避免了较大偏载对同步性能的影响。

a、b两缸与c、d两缸均在约2.25 s时负载力相差最大，分别为443.62 N和334 N；表明在整机顶升整个时间段内约中间点的偏载最大，且在该偏载下液压系统仍保持较好同步性。负载敏感同步系统的合理配置提高了整机工作协调性并为播种机作业提供了保障。

液压缸Ⅱ轴向负载方向参考点及变化曲线如图10所示，其负载力沿参考点坐标z轴方向且负载力大小以约5 000 N为基准上下波动，结合其运动特性(图8)可知液压缸Ⅱ因轴向负载的变化引起活塞杆运动速度产生波动，但其位移变化不大，由此说明采用压力补偿的方式可以有效地增加其运动稳定性，减缓姜种因输送播种装置振动造成的落种不均现象。