山地收割机液压驱动系统仿真分析.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 ：本文引用格式：邓行，罗艳蕾，罗瑜，等山地收割机液压驱动系统仿真分析机床与液压，（）：，（）：收稿日期：基金项目：贵州省研究生教育教学改革重点课题（）；贵州省科技厅基础研究计划（黔科合基础）；国家自然科学基金地区科学基金项目（）作者简介：邓行（），男，硕士研究生，从事流体传动与控制方面的科研工作。：。通信作者：罗艳蕾（），女，博士，教授，主要从事液压技术方面的科研和教学工作。：。山地收割机液压驱动系统仿真分析邓行，罗艳蕾，罗瑜，穆洪云，杜威（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳）摘要：为解决收割机在山区行走作业时适应性问题，设计出一套基于负载敏感原理的山地收割机液压驱动系统，在分析液压驱动系统工作原理的基础上，基于 搭建驱动系统的仿真模型。仿真分析了该驱动系统在变负载启动、匀速、制动以及转向和爬坡工况下的动态特性。仿真结果表明：山地收割机驱动回路能够按照工况要求实现指定动作，抗干扰能力强，操控性强；且在该系统中液压马达的转速大小取决于多路阀开口的大小，与外界负载无关，更利于实现速度及速度同步控制。研究结果表明：所设计的基于负载敏感原理的山地收割机液压驱动系统能实现工作需求。关键词：山地收割机；液压驱动系统；负载敏感；软件中图分类号：，（，）：，：；前言我国山区的耕地面积占全国总耕地面积的比重较大，实现山区的农作物机械自动化收割对我国农业发展极其重要。收割机作为农作物自动化收割的主要设备，将收割机投入到山区使用对实现山区农业机械化的意义重大。然而目前所设计的收割机液压系统往往适用于平原地区，而适用于山区的收割机液压系统较为缺乏。收割机主要的液压系统为行走回路和工作回路，实现农作物高效率收割需要依靠行走回路和工作回路的相互配合。收割机在山地地区工作时工作环境复杂多变，往往伴随较大坡度，要求收割机在作业时保证行走回路稳定运行，抵抗内部工作回路和外部工作环境的干扰。行走回路是收割机在作业时的主要工作系统之一，行走回路的稳定性直接影响收割机的工作效率。相比于传统的液压系统，负载敏感系统输出流量只与换向阀开口大小有关，与负载大小无关，没有溢流损失，可达到精确控制和节能的目的。本文作者基于负载敏感原理设计山地收割机的驱动回路，通过 仿真软件对液压驱动回路建立仿真模型，并对该模型进行仿真分析。山地收割机液压驱动系统工作原理分析文中根据负载敏感原理设计出一套山地收割机的液压驱动系统，其原理如图 所示。可知：山地收割机的液压驱动系统由左侧和右侧马达回路组成，通过左侧和右侧马达回路的配合来实现山地收割机的直行、转向等动作。由图 可知，左侧马达 和右侧马达 的进出油口的最大负载压力 传递给各个压力补偿阀 的弹簧腔以及负载敏感阀 的弹簧腔，通过负载敏感阀 的阀芯受力平衡控制变量泵 的输出，并且使压力始终比传递过来的最大负载压力值大一个数值。此系统通过先导泵 提供先导油液，再通过先导控制手柄 控制多路阀 的开口大小。压力补偿阀 位于多路阀 之后，在山地收割机行走过程中压力补偿阀 保证了多路阀 开口前后的压力差不变，该差值近似等于负载敏感泵的控制压差值与压力补偿阀 的补偿压差值之差。该系统中采用 个单向阀 和 个溢流阀 组成缓冲制动回路，为了减少液压冲击，当回路压力超出溢流阀工作压力，溢流阀开始溢流，并通过单向阀向另一侧补油。图 山地收割机液压驱动系统原理 山地收割机液压驱动系统 模型为验证所设计的山地收割机液压驱动系统是否能满足工作需求，根据所设计的原理图在仿真软件 中搭建出山地收割机液压驱动系统的仿真模型，如图 所示；所建立的仿真模型主要参数如表 所示。第 期邓行 等：山地收割机液压驱动系统仿真分析 图 仿真模型 表 仿真模型主要参数 元件仿真参数数值左右侧马达排量（）转速（）变量泵额定流量（）动力源额定转速（）溢流阀工作压力 负载敏感阀弹簧刚度（）零位移时的弹簧压缩量 活塞直径 多路阀活塞直径 弹簧刚度（）最大控制信号最大输出力 压力补偿阀活塞直径 初始压差 弹簧预紧力 山地收割机液压驱动系统特性分析 变负载启动、匀速、制动工况山地收割机由于工作环境大多为丘陵以及凹凸不平的土地，导致其工作和行走过程中处于变负载的工况，故所设计的山地收割机驱动回路需要在变负载工况下稳定运行。在启动、匀速、制动过程中保证左右侧马达同步运行。设置 内为变负载启动工况，内为匀速行走工况，在第 时制动。设置 内左右侧马达回路多路阀信号曲线如图 所示；设置左右侧马达所受外负载转矩如图 所示。左右侧马达多路阀开口前后压力和流量曲线仿真结果如图 所示，在 内多路阀开口前后压力经过初始波动之后随着负载增大而增大，在 内多路阀开口前后压力保持不变，在 内多路阀开口前后压力差和流量基本保持恒定，在第 时多路阀流量迅速下降至 。左右侧马达转速曲线如图机床与液压第 卷 所示，可知：左侧马达转速和右侧马达转速基本一致，可实现同步运行。在 内马达转速与外负载大小无关，在第 制动时马达转速迅速下降经波动后为 。仿真结果表明山地收割机从变负载启动到匀速再到制动工况下动态特性良好，即使在外负载变化的情况下也能稳定匀速行走。图 左右侧马达多路阀信号 图 左右侧马达所受外负载转矩 图 多路阀开口前后压力与流量曲线 图 左右侧马达转速曲线 转向工况山地收割机在山区作业时由于工作环境限制，需要进行不同方向转向。目前山地收割机的转向实现方式主要有 种：（）两侧马达转速相等，但朝相反方向旋转的原地转向；（）一侧马达制动或减速、另一侧马达转速不变的单边转向。山地收割机在原地转向时，左侧马达与右侧马达转速大小相等，但方向相反。因此设置左右侧马达回路多路阀的阀芯开口量大小相等，但阀芯移动方向相反。设置左右侧马达回路多路阀信号如图 所示。山地收割机在原地转向时马达由静止到匀速再到匀减速，并且左右侧马达转向不同，所受外负载转矩方向也不同，故设置左右侧马达所受外负载转矩如图 所示。图 原地转向时左右侧马达多路阀信号 图 原地转向时左右侧马达外负载转矩 山地收割机左右侧马达多路阀开口前后压力与流量曲线仿真结果如图、图 所示，在 内多路阀开口逐渐打开，多路阀流量逐渐增大；在 内多路阀开口不变，多路阀流量恒定；在 内多路阀开口逐渐关闭，多路阀流量下降至 。多路阀前后压力随着外负载变化而变化，泵出口压力即多路阀前压力初始处于波动状态，但在压力补偿阀的作用下多路阀后压力紧跟阀前压力的变化，使两回路中的最大负载压力与泵出口压力之间的压力值虽有波动但仍保持在某一固定数值。左右侧马达转速如图 所示，可知：左右侧马达的转速大小相等，但方向相反。在 内，多路阀阀口逐渐打开马达速度经过初始波动后迅速上升；在 内多路阀开口不变，由于外负载的轻微波动，导致马达转速也会有轻微变化，但仍在 ；在 内多路阀开口逐渐关闭，马达转速也下降至 ，完成原地转向。第 期邓行 等：山地收割机液压驱动系统仿真分析 图 左侧马达多路阀开口前后压力与流量曲线 图 右侧马达多路阀开口前后压力与流量曲线（原地转向）（）图 原地转向时左右侧马达转速曲线 山地收割机在单边转向时，控制一侧马达减速或制动，另一侧马达转速保持不变，实现差速转向。文中研究的山地收割机是通过控制一侧马达制动，另一侧速度保持不变实现的单边转向。设置左右侧马达多路阀信号如图 所示，可知：在 为单边转向工况，在 为匀减速工况。在单边转向时，右侧马达经过启动、匀速、匀减速 个阶段，各个阶段右侧马达所受外负载不同。设置左右侧马达外负载转矩如图 所示。图 单边转向时左右侧马达多路阀信号 图 单边转向时左右侧马达外负载转矩 右侧马达多路阀开口前后压力与流量曲线仿真结果如图 所示，可知：在 内右侧马达处于启动阶段，多路阀开口逐渐打开，多路阀流量逐渐增大；在 内右侧马达处于匀速阶段，多路阀开口大小不变，多路阀流量经过轻微波动后保持不变；在 内右侧马达处于匀减速阶段，多路阀开口逐渐关闭，多路阀流量逐渐下降至 。在整个过程中，多路阀前后压力随着外负载变化而变化，多路阀前压力初始处于波动状态，但在压力补偿阀的作用下多路阀后压力紧跟阀前压力的变化，使两回路中的多路阀开口前后压力之间的压力值虽有波动但仍保持在某一固定数值。单边转向时左右侧马达转速如图 所示，可知：在 内多路阀开口逐渐打开，右侧马达转速逐渐增大；在 内多路阀开口大小不变，右侧马达转速经过轻微波动后保持不变；在 内多路阀开口逐渐关闭，右侧马达转速逐渐下降至 ，完成单边转向。图 右侧马达多路阀开口前后压力与流量曲线（单边转向）（）图 单边转向时左右侧马达转速曲线 机床与液压第 卷仿真结果表明文中所设计的山地收割机液压驱动系统能实现原地转向和单边转向，整个过程中操控先导手柄控制多路阀即可实现。爬坡工况山地收割机工作时经常爬坡作业。为模拟山地收割机在爬坡作业时，左右侧马达同向转动，在爬坡作业完毕之后在平地行驶。设置左右侧马达多路阀信号如图 所示，可知：在 内多路阀开口处于关闭状态；在 内多路阀开口处于全开状态。设置左右侧马达所受外负载转矩如图 所示，可知：在 之前山地收割机都在进行爬坡作业，在 之后山地收割机在平地行驶，因此所受转矩大幅下降。图 爬坡时左右侧马达多路阀信号 图 爬坡时左右侧马达外负载转矩 爬坡时左右侧马达多路阀开口前后压力与流量曲线仿真结果如图 所示，可知：在 内多路阀阀口未打开，多路阀流量为 ；在 内，多路阀的流量经过初始波动后保持在 ，多路阀前后压力数值达到峰值，阀后压力在压力补偿阀的作用下始终与阀前压力稳定在一个固定差值；在第 后，由于马达所受外负载转矩大幅下降，故多路阀前后压力也迅速下降，但多路阀开口前后压力差值仍在固定值，在第 之后多路阀流量大小仍与第 之前爬坡时相等。爬坡时左右侧马达转速曲线如图 所示，可知：在 内多路阀阀口未打开，左右马达转速均为 ；在 内，左右侧马达转速经过初始波动后保持不变，在第 时由于外负载转矩微微上升，马达转速经过波动后保持不变，在第 时进入平地行驶，外负载转矩大幅下降，马达转速经过波动后保持稳定，在 内，左右侧马达转速稳定在 。仿真结果表明所设计的山地收割机驱动系统能进行爬坡作业，适应性强。图 左右侧马达多路阀开口前后压力与流量曲线 图 爬坡时左右侧马达转速曲线 结论文中设计出一套基于负载敏感原理的山地收割机液压驱动系统，分析了其工作原理，利用仿真软件 搭建出仿真模型，仿真分析了山地收割机液压驱动系统在变负载启动、匀速、制动以及转向和爬坡工况下的动态特性。仿真结果表明所设计的山地收割机驱动回路能够按照工况要求实现指定动作，在行驶过程中即使受到外界阻力干扰仍能稳定运行，操控性很强。在该驱动系统中，驱动马达的转速取决于多路阀开口的大小，与外界负载无关，更有利于实现速度同步以及控制。故所设计的基于负载敏感原理的山地收割机液压驱动系统能实现工作需求，为基于负载敏感原理的山地收割机驱动回路设计提供了理论依据。参考文献：扈凯，张文毅，刘宏俊，等丘陵山地拖拉机液压驱动系统设计与仿真机床与液压，（）：，（）：张韵，许敏，鲍向东，等研发适应山地作业的稻麦收割机非常必要农机科技推广，（）：路瑜，张晨亮图形学与人机交互下小麦收割机路径设计分析农机化研究，（）：第 期邓行 等：山地收割机液压驱动系统仿真分析 ，（）：陈旺，罗艳蕾，胡耀能，等混合负载敏感控制系统特性研究机床与液压，（）：，（）：陶柳，徐化文，方婷阀后补偿负载敏感液压系统优化设计及 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