基于AMESim的烟草中耕培土机液压系统设计与仿真研究

仝振伟， 张秀丽， 吴亚文， 陈雪婷， 侯朝朋

(1.河南农业大学 机电工程学院， 河南 郑州 450002; 2.郑州宇通客车股份有限公司， 河南 郑州 450061)

引言

在烤烟生产中，烟田中耕培土是烟苗正常生长、收获优质烟叶的关键[1-2]。目前国内在烟草中耕期间进行培土作业的方式主要有人工中耕培土和机器中耕培土两种。随着土地流转，传统的人工培土方式正逐渐转向效率更高的机械培土方式，其中液压传动技术在农业机械中的应用也越来越广[3-4]。崔中凯等[5]设计的4YZP-4X自走式玉米收获机通过液压系统实现机器行走、转向轮的转向、割台升降、 还田机升降和卸粮等功能。张晓辉等[6]设计的自走式棉田打顶定向施药管理机，液压系统实现机器的行走、打顶、喷药和送风等动作。武广伟等[7]研发的1KY-40型液压驱动农田水渠开沟机，开沟作业的动力由独立的液压系统提供，双开沟刀盘同时转动，机体可整体升降。陈书法等[8]设计研发的水田高地隙自走式变量撒肥机，机器的液压系统可实现撒肥装置工作高度的调节，驱动可无级调速的单圆盘撒肥装置旋转，实现自动变量连续撒肥功能。何腾锋等[9]通过对菱形4轮中耕机全液压转向系统进行设计与分析，实现了前、后车轮反向转向，转向过程同步。范沿沿等[10]采用AMESim对井窖式移栽机的液压系统进行了仿真分析,分析了其作业状况。

本研究针对传统机械式培土机械存在的效率低问题，研究设计了采用液压系统驱动作业的烟草中耕培土机，对液压系统方案进行分析，并采用AMESim软件进行仿真，为烟草中耕培土机液压传动系统优化提供了理论依据。

1 烟草中耕培土机整机设计与工作原理

如图1所示, 烟草中耕培土机由螺旋培土总成、送分土犁刀装置、护叶装置、限深装置、垄距调整装置、机架和液压传动系统等组成。在作业时，机具通过三点悬挂在高地隙拖拉机后，由拖拉机牵引向前作业，且为液压传动系统提供动力。拖拉机后动力输出轴将动力通过万向轴传到二级齿轮增速箱的动力输入轴，二级齿轮增速箱将转速调整到2000 r/min左右，驱动液压泵转动，经过一系列液压元件和液压油管，将动力传输到液压马达上，驱动螺旋培土刀旋转，切削并输送土壤，完成培土作业。

1.螺旋培土总成 2.送分土犁刀装置 3.护叶装置4.限深装置 5.垄距调整装置 6.机架 7.液压传动系统图1 烟草中耕培土机结构简图

2 液压传动系统设计

根据烟草中耕培土机整机结构，螺旋培土刀可通过万向轴传动、软轴传动和液压传动三种方式进行传动。其中万向轴传动具有传动效率低、震动较大等缺点；软轴传动有易受固有的结构限制、安装要求较高等特点；液压传动整体结构紧凑，可实现无级调节。综合考虑农业机械工作环境及螺旋培土刀工作特性，采用液压传动可减少整机重量，利于螺旋培土刀转速调节。

2.1 液压传动方案的设计

根据烟草中耕培土机的设计，1个螺旋培土总成中设置2个螺旋培土刀，共设置2组螺旋培土总成，所以在机具中共需要4个液压马达。根据培土作业要求，需保证4个液压马达转速尽可能保持一致，保证培土作业质量。根据以上要求，提出了4个液压马达连接的3种方案，如图2所示。

1) 串联方式连接

如图2a所示，该方案的4个液压马达采用串联方式连接。在选用相同规格的液压马达时，理论上可实现液压马达转速的同步，同时具有需要液压油少，系统结构紧凑等优点；但系统所需压力较大，对液压元器件的要求较高。

2) 并联方式连接

如图2b所示，该方案的4个液压马达采用并联方式连接，通过3个分流阀来实现流经每个液压马达的流量一致。在培土作业理想的情况下，4个螺旋培土刀的负载一致，该方案工作时压力一致，能较好作业；但在实际工况下，螺旋培土刀的负载易受到土壤性质影响，存在负载波动的问题，当一个螺旋培土刀受影响时，易影响整个液压系统的运转，且采用3个分流阀，压力损失较大；且给4个支路供油，液压泵的排量、液压油箱的体积相对都较大。

3) 串并联方式连接

如图2c所示，该方案的4个液压马达根据螺旋培土总成设计分成两组，同一组2个液压马达串联后在并联在分流阀的2个出油口(简称“串并联”)。理论上，该方案最高压力为4个液压马达串联连接时的1/2，流量为4个液压马达并联时的1/2,但同一支路上的2个液压马达进油口压力会存在不一致问题。

图2 烟草中耕培土机液压传动系统三种方案

2.2 液压传动方案的仿真

为了比较三种液压方案的优劣，在AMESim系统中建立三种方案的简易模型。如图3所示，根据螺旋培土刀前期台架试验与田间测量，设置螺旋培土刀所受扭矩为60 N·m，设置液压马达排量为50 mL/r，其他元器件采用系统首选子模型。调整液压泵转速和溢流阀参数，使第一个液压马达转速在300 r/min左右。在系统稳定后，分别测量3个系统的最高压力、单向阀处的流量、4个马达转速一致性(以最大转速与最低转速差值表示)与负载变化时系统稳定性(改变第二个螺旋培土刀负载，模拟土壤性质突然变化，测量系统稳定后第二个液压马达转速，用与300 r/min的差值表示)。3种方案系统对比如表1所示。

图3 螺旋培土刀转矩的测量

表1 3种方案数据对比

通过方案的对比可以发现，串联时结构最简单，所需液压油最少，受负载不均影响小，但整个系统压力也最大，对液压元件和管路有较高的要求，容易发生泄漏，工作一段时间后系统容易失调，需要补偿装置；并联时系统压力最低，但结构最复杂，所需液压油最多，并且液压马达转速受负载影响很大，一旦发生负载不均，4个液压马达转速就不能保证。串并联相较于串联，系统压力约为1/2，系统所需液压油流量增加不多，转速一致性与系统稳定性相差较小；相较于并联，只需要1个分流阀，系统压力损失较小，2个液压马达串联，可以减少负载不均造成的影响。综上对比，液压传动系统采用串并联时较好。

3 串并联液压传动系统仿真与分析

根据以上液压传动系统方案的选择，对液压元器件进行设计选型，且根据整机结构，设计的烟草中耕培土机液压传动系统如图4所示。针对在田间作业情况下，螺旋培土刀所受负载易受土壤中石块、秸秆等影响，造成4个螺旋培土刀负载不均、发生突变的情况进行仿真，为结构优化提供依据。

1.液压马达 2.液压油箱 3.二级齿轮增速箱4.输入轴 5.液压泵图4 烟草中耕培土机液压传动系统三维图

3.1 液压传动方案的仿真

根据螺旋培土刀工作过程中的实际情况，在AMESim中用Mechanical库中的旋转负载动力模型(RLOO)来模拟螺旋培土刀的转动惯量和摩擦力。用扭矩产生器模型(MECFR1ROA)、输入信号(UD00)和旋转负载(RL01)来改变转矩，模拟螺旋培土刀受到突变载荷时的情况。AMESim中螺旋培土刀负载模型及参数设置如图5所示。

图5 AMESim中螺旋培土刀负载模型

为了仿真烟草中耕培土机受到冲击时的状况，右侧螺旋培土刀2采用变转矩的负载模型。建立的烟草中耕培土机的串并联液压传动系统模型如图6所示。

1.分流阀 2.右侧螺旋培土刀1 3.右侧螺旋培土刀24.左侧螺旋培土刀2 5.左侧螺旋培土刀1 6.增速器图6 串并联液压传动系统模型

3.2 串并联液压传动系统仿真试验

为了保证培土效果的一致性，整个液压传动系统应具有良好的稳定性与自我调节能力。正常工况下，4个螺旋培土刀的负载基本相同，分流阀阀芯处于平衡状态。在某一螺旋培土刀的负载发生突变时，与其相连的分流阀出油口压力会升高或降低，分流阀需要调整阀芯位置，稳定螺旋培土刀转速。因此设置两组仿真试验，一组模拟正常工作情况下的负载，另一组模拟右侧螺旋培土刀2载荷突变时的情况。通过软件采集4个液压马达的转速与分流阀阀芯位移。对比两种情况下液压马达转速误差，可以得到系统的稳定性与调节能力。

1) 正常负载时液压马达同步性能仿真试验

通过仿真试验，选择两侧第一个液压马达的参数进行对比。在正常工况下，两侧第一个液压马达转速曲线和流量曲线如图7a、图7b所示。为了分析系统压力，绘制右侧支路2个液压马达进油口压力曲线，如图7c所示。

图7 串并联系统液压仿真曲线

通过转速曲线图7a可知，机具开始工作后，5 s左右液压传动系统到达稳定状态，2个液压马达转速分别为308.96, 307.74 r/min，相较于设计值300 r/min略高，是由于二级齿轮增速箱传动比的设定使液压马达转速相较于设计值有所升高，整个系统转速可以保留有一定的调节余量，实际作业时可以通过调整调速阀来控制液压马达转速。通过流量曲线图7b可知，2个液压马达流量相差约15.16 mL/min，低于理论值，是由于仿真模型更加理想化，实际上分流阀存在1%～3%的分流误差，并联的2个液压马达转速差值约为3～9 r/min。

通过压力曲线图7c可知，测量液压马达稳定工作压力为14.19 MPa，略高于选择的BM2-50型液压马达的最大连续工作压力14 MPa。造成仿真结果高于理论计算的原因有两个方面：一是液压泵实际转速为2000 r/min，高于液压传动系统计算时转速1800 r/min，使整个系统压力升高；二是支路中添加单向阀，单向阀打开需要一定压力。系统中设置有溢流阀，压力调节范围0.5～25 MPa，可以降低溢流阀的设置压力来控制整个液压传动系统的最高压力，实现对液压元件的过载保护。

2) 突变负载时液压马达同步性能仿真试验

为了模拟实际工况下某个螺旋培土刀负载突变的情况，将输入信号(UD00)的信号变化次数设置为3次，在20 s时加载信号，25 s时信号取消，图8为输入信号(UD00)的参数设置。在突变负载情况下，右侧螺旋培土刀2上的负载曲线、右侧2个液压马达受到突变负载时的转速曲线、两侧第二个液压马达受到突变负载时的转速曲线和分流阀阀块位移曲线，如图9所示。

图8 输入信号参数设置

从图9可以看出，在20 s时，右侧第二个液压马达负载突变，右侧支路2个马达转速降低，在21 s左右转速达到最低，为284.08 r/min；分流阀阀芯向右侧移动，22 s时基本达到最大位移，为0.33 mm。在 25 s 左右，左右两侧液压马达转速基本一致。25 s加载的突变负载结束，右侧支路马达转速发生波动，但很快恢复正常。说明分流阀在系统中可以起到调整两支路转速的作用，整个系统的响应时间为4 s左右，两侧马达转速最大相差约为10%。

设计的液压传动系统对液压马达转速具有一定的自我调节能力，但负载不均时，由于液压传动系统存在一定的迟滞，即使有分流阀进行调整，两侧液压马达转速会有一定程度上的偏差，并不能完全实现4个螺旋培土刀转速的完全一致。负载突变后，螺旋培土刀转速下降约5.3%，对培土效果影响并不明显，且实际培土作业过程中，负载突变出现的情况并不多。

图9 突变载荷下串并联系统液压仿真曲线

4 田间试验

2019年4月，在河南省许昌市小吕乡罗庄全程机械化示范点大田环境中，针对液压系统工作状况、液压马达转速的调节和液压系统发热情况进行了样机试验。

试验结果表明，液压马达平均转速为200.30 r/min，低于设计最高转速300 r/min，分流阀后的平均压力为11.95 MPa左右，低于计算和仿真的14 MPa，满足设计要求。液压油箱的温度略微偏高，考虑在后期优化时，增加辅助散热装置。

5 结论

(1) 根据目前烟草大田中耕培土作业的要求， 对液压传动方案进行分析，设计了烟草中耕培土机的串并联式液压传动系统；

(2) 采用AMESim软件对串并联液压传动系统进行仿真，对两种工况下液压马达的转速与液压马达输入口压力等进行分析。结果表明，在正常负载时，两侧第一个液压马达的转速分别为308.96， 307.74 r/min，右侧支路上2个串联液压马达输入口的压力分别为14.19， 7.60 MPa；在负载突变时，右侧2个液压马达最低转速分别为279.38， 284.07 r/min；左右两侧第一个液压马达在第21 s时，转速分别为284.07， 326.38 r/min，系统受到冲击后4 s左右恢复稳定状态;

(3) 田间表明，样机液压系统结构紧凑，工作状况良好，达到设计要求。