新型采棉机液压系统的机电液一体化设计

2019-10-25木合塔尔克力木王建潭

江苏农业科学 2019年13期

木合塔尔?克力木王建潭

摘要：我国是世界第二大棉花产地，但我国棉花种植成本很高，其主要原因是，相比于国外很多国家90%以上的机械化采棉程度，我国的机械化采棉程度低。针对我国的机采棉现状，对笔者所在学校研发的1种适用于中小型农户的牵引式采棉机的液压系统进行设计研究。采用机液联合仿真，利用ADAMS（机械系统动力学自动分析）对采棉机机械部分进行动力学分析，利用AMESim对采棉机液压系统进行分析，然后设计二者软件的接口，进行联合仿真。仿真采棉机在作业过程中可能遇到的情况，通过对各种情况的仿真结果进行分析，确定此液压系统在功能上可以满足采棉机的运动要求，并对其中可靠性要求高的棉箱部分进行了机电液仿真，其效果确实相比于机液仿真系统性能更稳定。

关键词：采棉机;液压系统;联合仿真;机电液一体化

中图分类号： S225.91+1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）13-0253-07

我国棉花种植区域主要有5个主产区[1]，是我国商品棉基地。其中在新疆维吾尔自治区，由于其本身地域广阔，光照、雨水、雪水充足，利于棉花的大面积种植，已经逐渐发展成全国棉花的种植中心。在2016年，全疆的棉花种植面积为180.52万hm2，占全国棉花种植面积的53.4%。全疆棉产量为359.4万t，占全国棉花产量的67.27%[2]。但是近年来我国棉花种植面积呈下降趋势，其主要原因在于我国的棉花价格。棉花种植成本主要包括4个方面：人工种植和采棉成本、土地使用成本、化肥和农药使用成本、种子费[3-4]。其中，人工种植和采棉成本占棉花种植成本的60%左右[5-7]，由此可知现阶段我国的棉花种植依然需要大量的劳动力进行田间劳作。在每年的9月份至11月份，约有来自全国各地的 900 000個采棉工，浩浩荡荡地乘坐火车前往新疆。棉花采摘价格由早期的最高价1元/kg涨到目前的2.5元/kg，每年需要为棉花工所支付的各项费用超过20亿元，棉农除去种植成本其盈利也在2元/kg左右。在用工荒的情况下，棉农会遇到无人可用的情况，如果用工荒时间较久，棉株会因为此时已到其生长周期末期，棉花品质会随时间而降低。其次，上述原因会导致劳动力成本上升，市场棉花价格下降，棉农的自身利益得不到保证，这样很多棉农可能会考虑用其他市场风险小的经济作物来替代棉花。

由以上分析可知，采棉机械化程度的提高刻不容缓，但是我国的采棉机械化仍然处于起步阶段，按照棉花收获机械作业187 hm2计算，全国需要采棉机1.2万台，仍按照5%备存，未来3～5年国内的总需求量预计为1.3万台。初步以每台采棉机200万元计算，预计市场价值会在260亿元左右[8-11]。

1 AMESim-ADAMS（机械系统动力学自动分析）联合仿真原理 AMESim-ADAMS联合仿真是指在ADAMS中建立机构动力学模型，在AMESim中建立液压系统的模型，然后通过2个软件的接口控制模块实现2个软件数据传递，起到各取所需、各尽其能的作用，最后实现多领域复杂系统的计算过程[12-16]，具体可见图1。

由AMESim的液压缸外部变量可知，如果要确定一个液压缸的整个动力学情况，需要知道液压缸活塞杆上的力、位移和速度。其中，力是输出变量，位移和速度是输入变量，所以最终在AMESim和ADAMS传递数据的情况如图2所示。

2 动力学模型及液压系统模型的建立

本研究根据实际测量采棉机的尺寸和对其中由液压系统驱动部分进行三维建模，根据文献[17]中的采棉机工作原理，在ADAMS中建立了动力学模型，根据其液压系统原理图，在AMESim中建立了液压系统模型。

2.1 棉箱翻转液压系统的动力学模型

此系统的目的在于收集棉花、运送棉花、卸载棉花。当棉花收集满时，采棉机到达指定卸棉地点，棉箱两侧的液压缸带动四杆机构运动，棉箱按照连杆曲线翻转，到达指定位置后棉箱停止旋转，棉花倾倒。根据采棉机的使用要求，当全部采棉结束后，到达卸棉地点，采棉机开始卸棉，所以这一系统可以看作是独立进行的，可以单独进行联合仿真。根据上述工况，在接口模块中设置了2输入（活塞杆作用力）、4输出（棉箱两侧活塞杆的速度和位移）的状态变量，对模型的约束和驱动进行了定义，在软件设置中，配置编译器，设置状态变量函数，设置输入变量、输出变量还有状态变量的数组，创建General State Equation方程，定义作用力F等，建立了棉箱翻转液压系统的动力学模型（图3）。

2.2 采棉头悬挂系统的动力学模型

采棉头悬挂系统的目的在于悬挂采棉头、调节采棉头高度。在采棉机田间作业之前，需要根据棉田情况预先调好采棉头高度，高度调节完毕后，将液压缸锁紧。采棉机田间作业时如果遇到部分棉田的棉株高度不同，行程开关工作触发电磁阀的逻辑控制，这时可以自动调节采棉头的高度。由于采棉头悬挂系统联合仿真模型的建立和棉箱翻转液压系统的联合仿真模型的建立过程基本一致，所以这里不再表述，其建立的动力学模型如图4所示。

2.3 采棉机液压系统联合仿真模型

根据采棉机液压系统原理，建立了采棉机液压回路的AMESim模型，本研究仅对机电液联合仿真部分进行分析，如图5所示。

3 联合仿真性能分析

3.1 棉箱翻转液压系统性能分析

液压缸的运动速度取决于流量，液压缸的负载取决于棉箱及棉花的质量。这里模拟的是棉箱装满棉花，连同棉箱质量为2 000 kg的情形。其中，液压泵选择的排量为42.5 mL/r，液压油为46#高级抗磨液压油，温度在40 ℃时的密度为 880 kg/m3，运动黏度为50 mm2/s，体积模量为1 700 MPa，翻斗油缸的缸径为80 mm，杆径为40 mm，工作行程为750 mm，卸荷压力为10 MPa。

棉箱翻转通过ADAMS的动力学分析和AMESim的液压系统分析，现将软件模拟结果进行分析，其性能如图6所示，运行过程特征位置如图7所示。

在前2 s棉箱处于平衡位置时，此时棉箱等待卸棉，但是看到液压系统中，液压缸的压力、速度、位移都在做小幅的振动，这是因为ADAMS软件中设置棉箱和机架接触后，根据设置的参数选项，会自动设置接触穿透力的大小，一般情况下难以调节到刚刚好，而且在这里也没有必要。棉箱在重力的作用下会下降，但是在压力和接触作用下又会抑制下降，所以这里出现略微波动是正常现象。

在棉箱上升过程中，棉箱在棉箱推力油缸的作用下，速度在0.079、0.057 m/s上下波动并逐渐向0.07 m/s稳定下来，并且2个液压缸运行同步，没有不同步的现象。活塞杆的位移也是在成正比上升，这也是符合设计预期的。从棉箱推力油缸的无杆腔的压力图中可以看到其压力有波动，这是因为棉箱在上升过程中其重心位置在不断变化，导致作用在液压缸上的力也在波动，所以液压缸的压力也呈现波动，这也是导致速度、加速度都在波动的原因，在棉箱达到最大位移时可以看到液压缸所受的力也达到了最大值，这是因为棉箱上升到最高时，活塞杆和缸筒发生了刚性冲击，导致压力上升，这个冲击在一定范围内是有好处的，可以把棉花抖动下来帮助卸棉。

在棉箱等待卸棉的过程中，此时电磁阀本应该处于中位，棉箱在最大位置停留处于锁紧状态，但是压力、速度、位移都出现了波动，这也是因为ADAMS会让2个构件产生穿透。

下降过程中，换向阀作为接通，棉箱在重力和压力的作用下下降，下降到最低的时候整个过程结束，同理，因为接触刚度很大，所以当棉箱和机架接触时，会给系统一个很大的作用力，从图7-d中可以看的是接触力作用，并且可以看到有略微的穿透。

为了消除穿透的影响，同时也是为了分析棉箱在卸棉位置时的工况，可以直接将模型初始位置放在卸棉位置，并且是靠自重下降过程，通过调节节流阀的大小可以控制其下降速度，其下降分析情况见图8、图9。

综合分析可以看出，当基本消除了ADAMS穿透造成的影响之后，棉箱下降运行得很平稳正常，也可以看出，如果此时液压缸性能不好泄露严重的话会影响到棉箱在卸棉位置的可靠性。通过对棉箱停留、上升、卸棉、返程、停留的工况分析可知，整个过程基本符合采棉机棉箱的运动设计要求。

3.2 采棉头悬挂系统联合仿真模型建立及系统性能分析

由于在目前阶段，采棉机设计进展还没有最终成型，在悬挂系统存在2种方案：一种是3对采棉头在得到信号之后一起移动;另一种方案是采棉头在得到信号之后一个接着一个移动。2种方案的不同会导致泵的流量需求不同，所以本研究中2种情况都考虑。

采棉头悬挂系统通过ADAMS的动力学分析和AMESim的液压系统联合仿真分析，其性能如图10所示，运行特征位置如图11所示。

从以上仿真结果可知，在上升阶段，当2个电磁阀接收到电信号之后，3对棉花头开始往上移动，移动速度平均在 0.125 m/s，受到的力平均在7 000 N左右，运行工况十分平稳。

在极限停留位置，可以看出速度在-0.125～0.125 m/s间波动，力在0～17 000 N间波动，这是因为在机械和液压联合仿真过程中，液压缸存在一定的泄露，系统受到冲击，还有就是采棉头并没有受到结构约束，会产生小幅摆动，这是符合实际工况的。

在接下来的下降过程中，其运行还是十分平稳。当将棉花头调节到某一适合棉株高度时，可以看到此时系统的速度和压力波动很小，可以视为处于一个静平衡状态，可知这种状态非常有利于采棉头的采棉，能提高采棉质量。

接下来的上升和停留过程和第一、第二过程没有区别，这里就不再赘述。

接下来分析的是采棉头悬挂系统中采棉头单个依次运行的过程，此情况和上一种的区别在于，此方案对泵的流量需求少，只有上述方案的1/3，其运行仿真情况如图12所示，运行特征位置如图13所示。

从压力对比可知，单对采棉头运行比3对采棉头上升过程中运行振动明显，但是也仅仅是在振幅0.1 MPa左右，但是单对采棉头在平衡位置时的振动比3对采棉头同时动作的振幅小94%，进口总压力小59%，流量需要小70%。综合分析可知，虽然在时间上单对采棉头一次运行比3对采棉头一起运行的时间增加了67%，但是本身系统更加平稳，采棉质量会更好，而且系统的油箱也会更小，各方面的体积都会变小。

4 棉箱翻转系统机电液一体化仿真

棉箱翻转系统中，可知在上升过程中，压力、活塞杆受力、速度都出现一定程度的波动，这样会导致整个液压系统的振动，影响系统的稳定性，而且在液压缸上升过程中会出现冲

击，所以位置伺服控制的目的在于在液压缸启动时快速启动，达到指定速度，匀速运行上升，然后快要到达位置时速度下降到0，本研究选择PID（比例、积分、微分）阀控方式来实现上述过程，液压位置伺服系统结构如图14所示。

通过以上模拟结果可知，加了PID伺服位置控制的棉箱翻转系统，其无杆腔压力在棉箱刚开始上升加速的过程中有轻微的波动，当加速阶段结束开始匀速运行的过程时，其压力不再波动而是逐渐连续下降，在即将到达指定位置时，其压力又上升，对比没有加位置控制时的系统可知，增加位置控制的系统压力比没有加控制时的压力低。此时有杆腔压力损失变小，其活塞杆受力变化情况和其压力变化情况一致。

通过位移图和速度图可知，液压缸的运行过程是一个先加速后匀速再减速的过程。这样的运行方式是很好的，加速阶段可以降低液压缸启动的时间，使其快速達到运行速度，匀速阶段可以使液压缸平稳运行，减速阶段可以在活塞杆即将到达液压缸底部时，实现无冲击停止。

综合上述分析结果可知，基于阀控缸基础，加了PID控制器的棉箱翻转系统，运行速度更加平稳，压力波动更加小，压力冲击更小。

5 液压系统试验平台的搭建

根据设计的采棉机液压系统搭建的试验平台如图16、图17所示，但是由于试验进行到目前阶段是验证性试验，测试的都是空载情况的运行参数，无法对有负载情况的参数进行测试。其次，根据现有的测量元件，也只能测试泵出口压力和流量的稳定值，不能对整个系统中各个液压元件的特征参数进行实时测量，所以试验测试系统还有待完善。

6 结论

本研究通过对家用中小型采棉机的工作原理分析，设计了液压系统原理图，根据实物模型在一定简化的基础之上绘制了相关执行构件的三维模型，然后借助于AMESim软件、ADAMS软件和PID控制原理，绘制了机电液仿真图。

通过对工况的分析可知，采用机液和机电液技术可以更

好地模拟机械和液压系统。控制系统之间的相互作用，可以更好地反映采棉机的实际工况，由于采棉机处于研发阶段，其不仅可以通过仿真了解液压系统的特性，还可以了解机械结构设计的合理性，为液压元件的选型和试验平台的搭建提供了一定的依据，这样可以减少研发成本，为以后的试验提供一定的数据支持。

参考文献：

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