基于负载敏感系统的山地液压割草机工作回路研究

2020-02-18

液压与气动 2020年2期

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳 550025)

引言

割草机是一款广泛运用于农业、畜牧业等领域的小型农机。传统的割草机主要传动方式为机械传动，该传动设计时要考虑往复运动机构、带轮传动、带轮和输出端的配置连接等一系列机械部件，过多部件会导致在搭建割草机整机时结构布局复杂化[1]。电动割草机结构相对简单，主要由电源、电线和电动机组成，通过电线传动，仅依赖少数机械部件即可完成整机搭建工作。但是电动割草机的电源问题成了限制其使用性能的主要原因。当电动割草机工作时间过长导致其电量越少时，其电机工作功率会大大的降低，影响割草机的使用性能[2]。而且电动割草机的功率较小，不足以支撑乘坐一位操作者进行爬坡作业，碰到一些较为复杂的地形其作业效率也较差，因此该驱动方式不适用于山地。

而现在广泛运用在山地农机的静液压驱动系统可以实现无级变速、调速范围大、功重比大、可靠性高、低速稳定性好、布局灵活，特别适用于结构形态多样化、行驶速度不高的农业机械[3]。对山地割草机来说，采用静液压驱动不仅可以简化结构，并且其驱动力大，足够乘载一位操作者坐在上面操作，并且也可以在山地复杂崎岖的地形上行走，有很好的爬坡能力。而要最大程度降低成本，在设计割草机系统时可以选用阀后补偿的负载敏感系统，使液压割草机能够用单泵操纵多个动作，实现单泵多执行机构的复合动作。

1 山地割草机液压系统设计及工作原理分析

负载敏感系统是一种能够自动感受系统中负载所需要的压力信号，并通过该信号，调整油泵的运行状态，实时调节自身的流量和压力，从而能根据工况需求提供负载所需要的流量的系统，能极大地减少功率损失。并且负载敏感系统在多个执行器同时工作时，可以使各个支路相互独立并且以不同的压力和速度工作，使多负载协同动作得以实现[4-5]。根据系统中压力补偿阀与节流口的相对位置可将负载敏感系统分为阀前压力补偿和阀后压力补偿系统。

山地液压割草机的工作回路主要包括割刀机构的升降与割刀的旋转两个动作，割草机的工作性能要求其工作时这两个动作能同时进行复合动作且互不干扰。本研究根据阀后压力补偿原理设计一套液压割草机工作回路，其原理图如图1所示。

由图1可得，由变量缸弹簧腔1、电动机2、变量泵3、变量缸敏感腔4、恒压阀5、LS阀6、阻尼孔7共同组成负载敏感泵。压力补偿阀9置于多路阀之后，每个出口前都加了相应的低液阻单向阀11供回油用[6]。割刀升降机构12和割刀旋转液压马达13的进出油口的最大负载压力经过单向阀10进入LS油路比较后，将最大负载压力施加给各个压力补偿阀的弹簧腔以及负载敏感泵的LS阀弹簧腔。通过LS阀芯的受力平衡控制泵的输出，压力始终比传递过来的最大负载压力信号高出一个常值，且泵的输出流量始终要满足两个负载运动所需流量之和。并且由于压力补偿阀的存在，使两个多路阀开口前后的压差始终保持相等，近似等于负载敏感泵的控制压差值减去压力补偿阀的补偿压差值，从而保证泵所需提供的流量与负载无关，只与多路阀的开口大小有关。由于阀后补偿的优势，当流量饱和时，能根据各个负载需求等比例分配流量，实现负载独立流量分配。

2 山地割草机液压系统建模

为检验图1工作回路是否满足工作需求，将该回路在AMESim中建立模型，为之后分析工况奠定基础。对于较为复杂的负载敏感泵，需要用AMESim中的HCD库中按照负载敏感泵的原理进行搭建。而回路中的其他部件可以选用液压库中的标准元件。

2.1 负载敏感泵模型搭建

负载敏感泵由变量泵、变量缸、恒压阀与LS阀组成，根据HCD搭建出负载敏感泵，并搭建出验证回路如图2所示，验证该HCD库所搭建的模型是否符合工作要求[7-9]。

图2中选用节流阀模拟外负载的流量需求，节流阀的开口直径设为5 mm。比例溢流阀调节负载压力模拟外负载变化，给其一个0～200 mA的信号，模拟负载压力从0～20 MPa间变化。设置HCD库中元件数据将LS阀设置压差为2.5 MPa。运行得到节流阀开口前后压力图以及流量图，如图3所示。

图2 负载敏感泵验证回路

图3 节流阀开口前后压力图与流量图

由图3可得，在外界负载变化时，节流阀开口前后压差始终恒定在2.5 MPa，与负载敏感阀中的设定一致。在该验证模型中可默认节流阀前的压力为泵的出口压力，节流阀后的压力为负载压力，即泵的输出压力始终比负载压力高出一个常值，系统压力与负载压力相适应。而此时的流量也始终保持不变，符合负载敏感系统泵所需提供流量与负载无关的变化规律。因此，该标准元件组合成的模型符合负载敏感泵的基本功能。

2.2 工作回路模型搭建

根据所设计的工作回路图，在AMESim中搭建出如图4所示模型[10-12]。在模型搭建过程中选用了可变节流孔来模拟多路阀中的节流孔，可以根据换向阀信号改变其开口大小，换向阀和可变节流孔共同组成多路阀。将负载敏感泵的控制压差设置在2.5 MPa,压力补偿阀的压差控制在1.5 MPa，电机转速设为1500 r/min,泵排量100 mL/r。

图4 工作回路仿真回路模型

3 山地割草机液压系统特性分析

3.1 变负载工况系统特性分析

分次给两个多路阀的操作信号为-20 mA和-40 mA，此时可变节流口也会根据该信号改变节流口大小，模拟多路阀阀口半开和全开两种工况。液压缸负载压力信号设为在0～10 s内从0上升至500 N，液压马达负载扭矩信号设为在0～10 s内从0～50 N·m，探究在开口一定时，工作回路负载变化引起的各多路阀流量变化与压差情况。仿真时间设为10 s，采样时间选用0.01 s。得到阀口全开时的负载与多路阀流量、开口前后压力曲线，如图5所示；阀口半开与全开时多路阀的流量对比图，如图6所示；液压缸速度与液压马达转速，如图7所示。

由图5可得，当外负载发生变化时，两个回路的多路阀前后的压力在经过最初的波动后基本保持不变，多路阀前后的压差保持恒定，近似等于负载敏感泵控制的2.5 MPa减去压力补偿阀的压差1.5 MPa，为1 MPa。在变负载情况下，当开口一定时，流经两个回路的多路阀的流量基本保持不变。在图6、图7中当改变阀口开度时，其流经的流量发生了变化，液压缸的速度与液压马达转速也发生了变化。可知在负载敏感系统下，工作回路所需流量与外负载无关，只与多路阀开口面积大小有关，各工作回路之间相互独立工作。

3.2 变流量工况系统特性分析

现探究当负载恒定，而流量需求发生变化时该工作回路特性。给定液压缸外负载为10000 N，液压马达的负载为100 N·m，探究两个多路阀在不同开口面积时的流量变化情况，以及当系统发生饱和时系统流量分配情况。设定两个多路阀信号，如图8所示。即液压缸的多路阀开口面积在0～3 s内线性变化，到3～10 s时保持全开。液压马达的多路阀开口面积在0～5 s内保持闭合，在5～8 s内线性变化，到8～10 s内保持全开，多路阀中节流孔开口面积，如图9所示；运行仿真，获得两个多路阀前后压力曲线，如图10所示；两个回路多路阀的流量与泵流量分配关系图，如图11所示；该条件下的液压缸速度，如图12所示；液压马达的转速，如图13所示。

图5 阀口全开时流量压力与外负载曲线

图6 阀不同开口流量对比曲线

图7 阀不同开口执行机构速度对比曲线

图8 多路阀开口信号

图9 多路阀节流孔开口面积

图10 多路阀前后压差曲线

图11 开口变化引起流量变化曲线

图12 液压缸速度

图13 液压马达转速

由图10、图11可知，在系统发生饱和时，多路阀两端的压差相应减小，但是各多路阀的压差仍然保持相等，且流经液压缸与液压马达多路阀的流量仍然只与多路阀的开口面积大小有关，且当开口面积保持不变时，流量也基本保持不变。另从图11可得出，在0～5 s期间，因液压缸多路阀开口面积不断变化，导致该回路流量需求发生变化，其流经流量也随着开口面积的增加呈线性变化，但此时系统流量供应充足，泵的流量全部供给液压缸回路。而在3～5 s期间当液压缸多路阀开口保持全开时，阀与泵的流量均保持不变。在5～8 s期间，液压马达多路阀随着开口面积线性增加，其流经流量也逐渐增加，而此时液压缸多路阀的流量线性减小。在8～10 s期间，两多路阀开口面积均保持不变，其流量也均保持稳定，并且通过液压缸与液压马达回路的流量按照各自的多路阀开口面积成比例分配。在负载流量需求突然发生改变的瞬间，流量会出现较大的波动，但随后又会迅速稳定到各个负载的流量需求值。而多路阀前后压差在流量冲击下也会出现小幅波动，但随着流量稳定后其压力维持不变，实现变流量下的恒压力差控制。在此条件下，当开口面积突然发生变化时，液压缸速度与液压马达速度在流量变化瞬间会产生波动，但会迅速回归稳定。由此可知，山地割草机工作回路控制特性良好，具有抗饱和能力，系统中的低负载回路不会受高负载回路影响，各回路能够独自工作。