基于AMESim的甘蔗收割机液压系统建模与仿真研究

王海飞，周忠华，张传岭

(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064)

我国是世界排名第3的产糖大国，仅次于巴西和印度。甘蔗在我国农业经济中占有重要地位，其产量和产值仅次于粮食、油料和棉花，居第4位。然而，在我国，甘蔗生产机械化程度低，甘蔗收获劳动强度大，对于我国甘蔗产业十分不利，因此实现甘蔗收割机械化对于提高甘蔗收获劳动生产率、降低蔗糖生产成本、提升我国蔗糖的国际竞争力具有重要的实用价值和战略意义［1-2］。

甘蔗收割机工作装置功能多，结构复杂，运用液压技术能够很好的改善和简化结构设计，提高整机的性能，因此设计优良的液压系统对甘蔗收割机的作业质量十分关键。

1 甘蔗收割机的类型和主要结构组成

甘蔗收割机类型主要有两种，一种是切断式，一种是整杆式。

切段式甘蔗收割机工作过程主要有分蔗、扶蔗、切梢、切蔗根、输送蔗株、除杂、切段、输送蔗段并筛除泥沙、风选除杂、蔗段装车等。作业时，切梢圆盘刀切断甘蔗梢并将其抛向已切割地面，割台两侧的螺旋扶蔗器把甘蔗植株导入割台。甘蔗植株被机架推向前倾斜，根部被底部的圆盘刀切断，蔗株经提升辊和上下输送辊送到切段装置，被切成25～40 mm的甘蔗段先后经2个轴流风机吸除轻杂物，较重杂物在升运器的底板孔中排出机外，甘蔗段则由升运器抛送入平行行驶的装运车中。这种方式收割的甘蔗要在16～24 h内送到糖厂加工，否则会造成甘蔗的变质和糖分的损失，其传动系统主要组成如图1(a)。

整杆式收割机的工作过程，一般都具有切梢、扶蔗、切根喂入、剥叶、输送、集蔗等主要工序。由于存在着收割完后的甘蔗还需用人工打捆装车的缺点，所以在国外很少使用。由于我国对于甘蔗收割机的研发起步较晚，以及经济发展水平等各因素的影响，整杆式甘蔗收割机在我国仍在广泛的应用，与大型甘蔗收割机械相比，小型甘蔗收割机械则具有体积小、重量轻、结构简单、价格低、适用于丘陵地带等复杂地形的甘蔗收割［3］。中国甘蔗主产地在南方地区，这些地区多是丘陵，坡地较多，平原种植很少。由于大型甘蔗收割机价格昂贵，只适用于平原地区，在我国很难推广。因此，推广轻便、经济的适合丘陵地区小型甘蔗收割机具有广阔的空间和巨大的市场。其传动系统的主要组成如图1(b)。其主要技术参数如表1。

图1 甘蔗收割机框架Fig.1 Framework of sugar cane harvester

表1 主要技术参数Table 1 Main technical parameters

2 闭式行走液压系统

闭式行走液压系统由左右两侧行走液压系统组成，每侧有1个变量泵为1个变量马达供油，一侧的液压系统原理如图2。

图2 闭式行走液压系统原理Fig.2 The closed walk hydraulic system principle

2.1 液压泵马达控制特点

变量泵控制的最大特点就是装有一个DA阀［4］，通过使用带有DA-控制功能的变量泵可以方便地组成静压“自动变速机构”;通过“加大油门”将发动机转速提高，以使车辆开始行驶;当行驶阻力增大时(例如：爬坡)，为了使发动机不致过载，DA-控制会调节行驶速度，使之与发动机的可用功率相匹配;同理，因工作机构同时工作而需消耗发动机的一部分功率时，也会产生同样的效果，即防止发动机过载或避免发动机熄火。其控制原理如图3。

图3 DA阀控制原理Fig.3 DA valve control principle

补油泵流量Qb在节流阀上产生压降Δp，流量Qb越大，表明n越大，即Δp越大。

式中：Δp为节流阀1前后的压差;k为节流阀常数;n为泵转速。

建立阀芯的力平衡方程：

式中：pst为DA阀输出的控制压力;A，A1分别为液压阀芯参数;F1，F2分别为调节弹簧压力，ΔF= ΔF1－ΔF2;α为放大系数，标准DA阀取值6.9。

pst通过节流阀2变为 p'st，控制压力p'st通过换向阀进入变量泵的变量油缸，变量油缸中p'st，对中弹簧等效压力pz，泵出口工作压力p这3者之间在某一排量位置上取得平衡。

p'st= βpst(β为系数)式中：V为变量泵排量;k0为常数;k1，x分别为对中弹簧刚度和位移;k2为始终调节参数。其中：控制执行压力P'st的大小，通过节流阀直径和调节弹簧力F来调节。

由于农业机械在工作时对速度稳定性要求较高，所以变量马达的控制方式采用的是液压两点控制，这种控制方式只有最大排量和最小排量两种情况，当重载时选择大排量，轻载时选择小排量。

2.2 行走系统调速回路

甘蔗收割机的行走系统调速回路其实是一种分段式恒扭矩调速回路(马达两点式控制)，低速时输出稳定大扭矩，高速时扭矩相应降低，但依旧稳定。在低速段，马达排量为大排量，利用变量泵进行调节，当泵的排量由小调到大时，输出功率随之线性增加，马达获得最大输出转矩，且处于恒转矩状态，当马达排量为小排量时，转矩相应降低，转矩恒定。

3 开式工作机构液压系统

笔者设计的方案为整杆式小型甘蔗收割机的工作机构液压系统，整个系统为负荷传感控制，负荷传感控制系统包括负荷传感控制阀和负荷传感控制泵。主要的执行机构有扶蔗马达、切削马达、输送马达、压倒马达、剥叶马达、根切马达、扶蔗升降油缸、角度调节油缸和切削升降油缸等，其原理如图4。

图4 工作机构负荷传感液压原理Fig.4 Work agency load sensing hydraulic principle

3.1 负荷传感控制系统的主要优点

传统的负荷传感控制系统(LS系统)在负载所需功率小于机器所提供的功率时，该系统工作良好，然而当负载所需功率大于机器所提供的功率时，即当阀口全打开时工作系统要求的流量超过泵供油能力的极限时，最高负荷回路上的执行元件速度会迅速降低直至停止，从而使甘蔗收割机失去复合动作的协调能力，这会严重影响甘蔗收割机的工作质量［5-7］。

与传统的液压系统比较，新负荷传感控制系统有着如下显著地优点。

1)节省能量消耗。使用负荷传感变量系统，泵能够根据负荷的情况对自身的排量进行调节，由压差传感器检测负荷压力，通过泵阀控制器发出指令，根据负荷的需求调节液压泵排量，使泵输出压力始终比负荷压力高出较小的恒定值(设定压力)，从而保证液压泵输出功率与负载相适应，减小能量损失。

2)流量控制精度高，不受负荷压力变化的影响。

3)几个执行元件可以同步运动或以某种速比运动，且互不干扰。

文中方案采用的是力士乐的不受负荷影响的流量分配系统，即LUDV负荷传感系统。在一般情况下，LS系统、LUDV系统的工作性能基本相同，但当执行元件所需流量超过泵输出流量极限时，LUDV系统中各节流孔压差Δp始终保持相等，流量总是与节流孔面积成正比，所有执行元件将以同一比率减速，并能独立平稳地工作，而与负荷和泵流量大小无关。

3.2 LUDV系统的工作原理

为能简明的分析 LUDV控制系统，笔者给出LUDV控制系统的部分执行元件原理简图(图5)。其中负荷传感变量泵(图4)的变量机构根据来自LS口的负荷压力可自动地对泵的斜盘摆角进行调节，从而控制泵的流量始终等于执行元件所需流量。当执行元件所需流量减小时，泵的摆角自动调小，从而减小泵的流量。反之，则泵的摆角增大，增大泵的流量。

图5 LUDV控制系统原理Fig.5 LUDV control system principle

一般情况下，对于流量有：

假设p1＜p2，则节流孔的面积A1＞A2，从图5中可以得到：

由于节流阀上的压差Δp是设定值，即Δp为常数，所以有：

对于负载最大的执行回路，其压力补偿阀的压力补偿为0，即：

LUDV控制系统是节流阀后补偿，通过梭阀筛选出最大的负载压力反馈到变量泵，同时也反馈给各路压力补偿阀，这就保证了多路阀控制的各执行元件通过多路阀的压差相同，这样流量就只和多路阀中的各阀开口度有关，即使所需流量不足的时候，各个执行元件流量也可以按比例分配。即：

4 甘蔗收割机LUVD控制系统的建模与仿真

根据原理图和参数数据，利用AMESim仿真软件对LUDV控制系统进行建模仿真。

选择AMESim模型库中元件子模型，对于库中没有提供的元件，需要通过HCD(Hy draulic Component Design)库进行设计，由于甘蔗收割机执行元件比较多，建立完整的模型十分复杂，笔者选择扶蔗和切削马达建立模型予以说明。所建系统模型如图6。

图6 甘蔗收割机LUDV控制系统仿真模型Fig.6 Simulation model of sugar cane harvester LUDV control system

仿真环境为：介质密度850 kg/m3;体积模量1 700 MPa;动力黏度5.1 ×10－2Pa·s;参考温度为40℃。

仿真结果得到执行机构流量曲线图。根据甘蔗收割机工作装置的工作情况可知，执行机构中扶蔗系统的负载相对于切削系统的要大一些，扶蔗系统所需流量也大一些，如图7。扶蔗系统流量大约为58 L/min，切削系统流量大约为49 L/min。如果没有压力补偿阀，切削系统的流量会大于扶蔗系统的流量，因此可以表明压力补偿器可以根据阀开口的大小分配流量，与各执行机构的负载大小无关。当工作装置负载增大时，如图8。扶蔗系统流量大约为70 L/min，切削系统流量大约为58 L/min，当3个执行机构同时工作时，所需流量大于变量泵所能提供的最大流量(4 s时开始)，此时扶蔗系统和切削系统的流量的都会降低，扶蔗系统流量大约为58 L/min，切削系统流量大约为46 L/min，子系统12分配部分流量大约24 L/min，尽管扶蔗系统和切削系统的负载不同，但由于压力补偿器的作用，两系统流量成比例减少，使甘蔗收割机工作装置的执行机构仍旧能够很好的协调工作。

图7 系统流量仿真曲线Fig.7 Simulation curve of the system flow

图8 流量饱和时，系统流量仿真曲线Fig.8 Flow simulation curve when the flow is saturated

5 结语

介绍了甘蔗收割机的类型，设计出符合我国西南丘陵地区的小型整杆式甘蔗收割机的液压系统。闭式行走系统主要由变量泵和两点控制变量马达组成，分析了DA控制的原理和优势，符合甘蔗收割机对行走速度稳定性的要求。开式工作装置液压系统采用LUDV负荷传感控制系统，能减少液压系统的能量损失，到达节能的目的;当系统流量达到饱和时，可根据各个回路的节流阀开口的大小将流量按比例减低，而与压差没有关系，使甘蔗收割机各执行机构能够正常的协调工作，利用AMESim软件进行建模仿真，结果表明该系统符合机器的工作要求，并对类似产品的改进和研发具有一定的参考价值。

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