甜菜收获机自动对行液压纠偏执行系统设计与试验

王申莹，胡志超，吴惠昌，彭宝良，谢焕雄，顾峰玮

(农业部 南京农业机械化研究所，南京　210014)



甜菜收获机自动对行液压纠偏执行系统设计与试验

王申莹，胡志超，吴惠昌，彭宝良，谢焕雄，顾峰玮

(农业部 南京农业机械化研究所，南京210014)

摘要：随着农业机械机电液一体化程度以及设备性能的不断提高，甜菜收获机也逐渐向自动化智能化方向发展。为此，设计了甜菜收获机自动对行液压纠偏执行系统总体机构，确定了系统工作原理。通过设计、计算分析，确定了液压元器件的主要结构和工作参数。同时，应用AMESim软件对系统进行了建模与仿真以及动态响应特性分析，确定了液压流量和压力的取值范围。对系统进行了物理样机设计和台架试验，得出了液压流量和压力对性能指标系统反应时间的影响规律和趋势，以及液压流量和压力的最佳取值，即当液压流量为25L/min，供油压力为18MPa时，系统反应时间最小。

关键词：甜菜；收获机械；自动对行；液压仿真；AMESim

0引言

甜菜是我国重要的经济作物，而其生产机械化却严重滞后，尤其是收获作业主要依靠人工和半机械化完成。随着劳动力成本的增加及甜菜生产对自动化、智能化和现代化要求的提高，甜菜收获机需要采用自动对行挖掘收获技术，来解决以前甜菜挖掘收获中存在的漏挖率高、损失大、需人工再次挖掘、作业效率低、驾驶员劳动强度大及作业成本高等问题[1-3]。其中，液压纠偏执行系统是甜菜机械化收获自动对行系统的 “手臂”， 液压纠偏执行系统的结构设计与参数选定的合理与否,决定了系统能否及时地根据控制信号将收获机挖掘铲纠偏到位。

本文主要借鉴其他农业收获机械及各行业领域液压系统设计的经验，设计分析甜菜机械化收获自动对行系统的液压纠偏执行机构及工作参数等，应用工程系统仿真高级建模环境软件AMESim系统进行建模、运行仿真和动态响应特性分析，并进行实验台台架试验，以期为甜菜收获机械自动对行系统的设计提供理论参考。

1结构与工作原理

甜菜收获机自动对行系统主要由偏离信号检测系统、液压纠偏执行系统和信号处理控制系统组成。其中液压纠偏执行机构的总体结构如图1所示。其主要由前转向机构、前转向角度反馈转换机构、后轮转向角度反馈转换观察机构、后轮转向角度反馈转换机构、后轮转向机构、软轴及车架等组成[4-5]。

1.轮胎　2.车架　3.前转向角度反馈转换机构　4.牵引架

收获机作业过程中，当偏离信号检测系统检测到甜菜块根的偏离位移并将信息传送给控制器后，控制器判断发出控制信号给液压纠偏执行系统，前转向机构带动车架做相应的左右摆动，后轮转向机构带动后轮偏转，配合前转向机构纠偏。为了防止纠偏过量，通过前、后角度角度反馈转换机构将前、后转向机构的转角量由角度传感器实时反馈给控制器。同时，为了减小收获机在地头掉头转弯时的转弯半径，方便驾驶员观察后轮的转向及其大小，本文采用了软轴将后轮转向角度反馈转换机构与后轮转向角度反馈转换观察机构连接起来，并在观察机构上标示了对应的转角刻度。

纠偏执行系统液压工作原理图如图2所示。其中，三位四通电磁阀为主要控制阀，前转向机构液压缸和后轮转向机构液压缸为动作执行者。当控制器接收到偏离信号检测系统的甜菜块根偏移信号后，首先判断并发出二位三通电磁阀的控制信号，使高压油进入油路；再判断甜菜块根偏移的方向并发出三位四通电磁阀的控制信号，动作前转向机构液压缸对挖掘位置进行纠偏调整；同时控制器判断发出三位四通电磁阀的控制信号，动作后轮转向机构液压缸使后轮作相应的转向调整纠偏。甜菜收获机前进的速度及块根偏移量的不同，转向液压缸的调节速度和调节量也不尽相同，所以增加了二位三通电磁阀和节流阀。当需要放慢调整速度或精确调整时，控制器发出二位三通电磁阀的控制信号，使高压油通过节流阀输送给三位四通电磁阀，使前后转向液压缸动作平稳、精确；加入溢流阀是为了保证液压油路的安全以及油压的稳定。

1.油箱　2.过滤器　3.液压泵　4、6.二位三通电磁阀

2液压元器件的设计与选型

由甜菜主产区调研数据统计分析的结果可知：液压纠偏执行机构需要纠偏的范围不大，但需要的力比较大；系统要求响应快、精度高、结构简单、成本低，而对效率和发热量要求不高；系统属于中小功率，所以本文采用的是阀控液压缸控制方式。

2.1供油压力Ps的选择

适当选择较高的供油压力，在相同输出功率条件下，可以减小液压动力元件、液压能源装置和连接管道等部件的质量和尺寸，以及减小压缩性容积和油液中所含空气对体积弹性模量的影响，有利于提高液压固有频率，即系统的响应速度；但液压执行器主要规格尺寸(如液压缸的活塞面积)减小，不利于液压固有频率的提高。选择较低的供油压力，可以降低成本，减小泄露、能量损失和温升，降低噪声较低，可以延长使用寿命，易于维护。本文结合经济性和系统灵敏性综合考虑，参考其他土下果实收获机械的研究成果选用农业机械常用的中压Ps=18MPa。

2.2液压缸设计

本文采用工程上常用的近似计算方法确定液压缸的主要规格尺寸，即按最大负载力FLmax确定液压缸的规格尺寸。本系统的负载力由摩擦力Ff、惯性力Fa和外作用负载Fe组成，系统无弹性负载。参考文献[6-7]，同时为了简化，认为摩擦力与速度无关。则有

FLmax=Ff+Fa+Fe

(1)

Ff=fMtg

(2)

Fa=Mtamax

(3)

amax=vn2πf-3dB

(4)

式中Mt—运动部件总质量(kg)；

g—重力加速度，取g=9.8m/s2；

amax—最大纠偏加速度(m/s2)；

vn—纠偏速度，取vn=8.3×10-2m/s；

f-3dB—常数，f-3dB=3；

f—摩擦因数，取f=0.08。

(5)

(6)

式中D—液压缸活塞直径(mm)；

d—活塞杆直径(mm)。

将FL=FLmax=26 996N带入式(5)，由式(6)计算得Ap=2.25×10-3m2。则

(7)

按GB/T2348-1993《液压缸缸内径和活塞杆直径系列》圆整为d=0.032m=32mm，D=63mm，校核有效面积得

(8)

为了使转向机构液压缸伸缩的速度一样，液压缸采用双杆双作用的结构形式。结合前后转向机构的设计尺寸和安装位置，前后转向液压缸的主要结构参数如表1所示。

表1液压缸结构参数

Table 1Structure parameters of hydraulic cylinder

mm

名称结构形式活塞杆直径缸内径缸外径行程前转向油缸双杆双作用326371250后轮转向油缸双杆双作用326371130

2.3电磁阀规格的确定

电液控制阀是液压技术与电子技术相结合发展的一类液压阀，是电液控制系统的核心，包括电液伺服阀、电液比例阀和电液数字阀。电液控制阀的特性、规格参数直接影响甚至决定着整个系统的特性。本文结合系统性能要求和经济性考虑，选择开关换向阀。

电磁阀的负载流量按最大速度确定，即

qL=vmaxAP=11.52L/min

(9)

此时电磁阀压降pv为

(10)

考虑到泄露等影响，将负载流量qL放大20%，取qL=13.82L/min。

根据qL和pv，由电磁阀压降-流量关系曲线(见图3)，查得额定流量qn为20L/min的电磁阀可以满足要求。考虑额定流量、抗污染能力及使用要求等因素，本文采用德国Comatrol公司的插装式电磁阀，内部原理如图4所示。其具有结构紧凑、液阻小、通流能力大、动作快及泄漏少等一系列优点，具体性能参数如表2所示。

3AMESim建模与仿真分析

3.1建模与仿真

AMESim(Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems)工程系统仿真高级建模环境，是一种基于键合图的高级系统建模、仿真及动态性能分析软件。AMESim拥有一套标准且优化的应用库，拥有4 500个多领域的模型，使工程师可以从繁琐的数学建模中解放出来，专注于物理系统本身的设计[8-11]。工程师通过AMESim从研发阶段开始就能对机电液一体化智能系统的功能、性能进行分析，通过修改模型和仿真参数，进行仿真计算、绘制曲线并进行仿真结果分析，迅速达到建模仿真的最终目标—分析和优化工程师的设计，从而帮助用户降低开发成本、缩短开发周期。

由上述分析可知：液压纠偏执行系统实质上是一个阀控液压缸的位置控制系统，通过甜菜块根偏离行中心的左右位置控制收获机挖掘铲的左右挖掘位置。因为前转向机构和后轮转向机构液压原理相同，为了简化模型，将甜菜收获机简化为一质量块；液压缸转向所受的阻力由信号发生器和信号-力转换元件产生；用电机模拟变速装置为液压泵提供动力；用信号发生器模拟产生甜菜块根偏离距离对应的信号。在AMESim的草图模式(Sketch mode)中，从机械库、液压库和信号控制库中选择元器件，建立液压纠偏执行系统的前转向机构模型进行分析[12-15]，如图5所示。

图3　阀压降—流量关系曲线

图4　插装阀原理图

型号参数名称阀型式名称额定空载流量Qn/L·min-1额定供油压力ps/MPa额定驱动电压Un/VSV10-34-02三位四通换向阀20188SV10-23-01二位三通换向阀40188SV10-21-01可调溢流阀18(可调)SV10-19-01可调节流阀可调18

图5　液压系统仿真模型

在子模型模式(Submodels mode)中根据实际情况选择最简子模型作为每个元件的数学子模型；在参数模式(Parameters mode)中根据系统设计参数值对各个元器件进行参数设置。将泵的排量设置为19cc/rev，转速设置为2 000r/min；电机转速设置为2 000r/min；溢流阀压力设置为180bar；电磁换向阀固有频率50Hz，流量20L/min，阻尼率2，额定电流200mA；液压缸活塞直径设置为63mm，活塞杆直径设置为32mm，行程设置为250mm，所连质量块设置为7 200kg(按装满甜菜时的最大质量设置)；分段信号源1设置为常量26 996，则经过信号到力的转换，液压缸活塞杆就能得到一个恒为26 996N的阻力；结合调研数据统计分析结果将给定的期望位移信号设置在0～0.1m之间，而执行机构液压缸的位移在0～0.25之间。为了提高测量精度，使给定的期望位移与执行机构的实际输出在相同的范围内变化，故将增益3设置为2.5；分段线性信号源2设置为在0～4s内由0变化到0.05，在4～8s内由0.05变化到0.09，在8～12s内由0.09变化到0.06，在12～16s内由0.06变化到0并保持不变；其他参数取默认值。

3.2动态响应特性分析

为了保证甜菜收获机自动对行收获的效果，液压纠偏执行系统应具有良好的动态响应特性。根据调研统计分析结果，系统应达到的性能指标：在运行时间20s内，动态跟踪误差不超过0.012 5m，稳态误差不超过0.002 5m，即收获机挖掘铲动态位置偏差不超过0.005m，稳态位置偏差不超过0.001m。

3.2.1供油压力的影响

由液压控制原理可知，系统供油压力对系统性能，特别是动态响应特性有很大的影响。在液压系统仿真模型中，通过调节溢流阀开启压力来改变系统的供油压力的大小，观察液压缸活塞杆的实际输出位移与所给定的期望值之差，找到满足性能要求的供油压力范围。

当供油压力Ps=150bar时，液压缸活塞杆实际位移和期望位移曲线,如图6所示；实际位移和期望位移之差曲线，如图7所示。由此可知，此时系统的稳态误差是满足要求的；但动态误跟踪误差超过了0.012 5m，不满足性能指标要求。

图6　实际位移与期望位移曲线(Ps=150bar)

图7　实际位移与期望位移之差曲线(Ps=150bar)

当供油压力Ps=170bar时，液压缸活塞杆实际位移和期望位移曲线如图8所示，实际位移和期望位移之差曲线如图9所示。此时系统的稳态误差和动态误跟踪误差都满足性能指标要求。

图8　实际位移与期望位移曲线(Ps=170bar)

图9　实际位移与期望位移之差曲线(Ps=170bar)

调节供油压力PS的值，得到满足系统性能指标的供油压力在180bar左右。在这个值附近，位置跟踪系统具有较好的闭环跟踪效果。经过反复调试分析得出：PS值越大，响应速度越快，动态跟踪误差越小；但当PS值过大，其值大于620bar时，运行12s后，跟随曲线出现超调，系统存在明显的振荡，系统不稳定。

3.2.2液压流量的影响

在液压系统仿真模型中，通过调节电机和泵的转速、泵的排量或液压阀的流量来改变供给液压缸的液压流量的大小，观察液压缸活塞杆的实际输出位移与所给定的期望值之差，找到满足性能要求的液压流量范围。

当液压流量q=8.55L/min时，液压缸活塞杆实际位移和期望位移曲线如图10所示，实际位移和期望位移之差曲线如图11所示。由此可知，此时系统的稳态误差是满足要求的；但动态误跟踪差超过了0.012 5m，不满足性能指标要求。

当液压流量q=9.50L/min时，液压缸活塞杆实际位移和期望位移曲线如图12所示，实际位移和期望位移之差曲线如图13所示。此时系统的稳态误差和动态误跟踪误差都满足性能指标要求。

图10　实际位移与期望位移曲线(q=8.55L/min)

图11　实际位移与期望位移之差曲线(q=8.55L/min)

图12　实际位移与期望位移曲线(q=9.50L/min)

图13　实际位移与期望位移之差曲线(q=9.50L/min)

调节液压流量q的值，得到满足系统性能指标的供油压力在12.50L/min左右。在这个值附近，位置跟踪系统具有较好的闭环跟踪效果。经过反复调试分析得出：q值越大，响应速度越快，动态跟踪误差越小；但当q值过大，其值大于60.00L/min时，运行12s后，跟随曲线出现超调，系统存在明显的振荡，系统不稳定。

4台架试验

4.1试验指标

由分析可知，甜菜收获机自动对行系统的动态跟踪误差和稳态误差越小，系统的灵敏性和稳定性就越好，而此时系统的反应时间也越小。所以，本文采用系统反应时间作为衡量系统性能的指标。

反应时间指甜菜机械化收获自动对行系统从检测到甜菜块根偏离到完成纠偏所需要的时间，计算公式为

T=T1+T2+T3

(11)

式中T—自动对行系统反应时间(s)；

T1—偏离信号检测系统信号提取时间(s)；

T2—信号处理控制系统处理时间(s)；

T3—液压纠偏执行系统动作时间(s)。

反应时间体现了系统的灵敏性，在T1和T2相对固定的情况下，通过减小液压纠偏执行系统动作时间T3来减小系统反应时间，提高系统灵敏性。

4.2试验设备和仪器

试验所用设备主要有4LT-A型甜菜联合收获机、4LTSYT-A型甜菜机械化收获自动对行实验台和约翰迪尔1054型拖拉机。

主要器材有：卷尺(量程5m，精度1mm)、福禄克931型转速计(量程1～19 999r/min，精度±0.02%读数+1个字)、科学计算器、福禄克190-102型示波器(2通道，带宽100MHz，垂直分辨率8bit，最大实时采样速率1.25GS/s，每通道27 500点的记录长度)、BM902型万用表。试验时用萝卜代替甜菜块根。

4.3试验方法

试验时，4LTSYT-A型甜菜机械化收获自动对行实验台放置在4LT-A型甜菜联合收获机的挖掘机构和偏离信号检测机构的下方，动力由控制箱控制变频电机提供。4LT-A型甜菜联合收获机由约翰迪尔1054型拖拉机牵引并提供动力给液压站，具体位置关系如图14所示。

为了测量系统反应时间，将偏离信号检测系统的传感器和前转向机构反馈传感器分别接入到示波器的蓝、红两通道，如图15所示。通过抓取分析两传感器的波形，测量出自动对行系统的反应时间。

图14　收获机和实验台位置关系图

(a)　　　　　　　　　　　　(b)

通过调节拖拉机油门的大小和液压电磁阀的溢流阀泄油压力来改变液压流量和供油压力，如图16所示。

图16　供油压力、流量调节

试验时待其他控制因素各参数值稳定时，再进行测量及数据采集；每个因素水平重复试验3次，分别测定每次反应时间。

4.4试验结果与分析

试验结果如表3、表4和图17、图18所示。

由图17可知：反应时间随液压流量的增加而先减少后增加。液压流量在一定的范围内增加，液压纠偏执行机构运动同样距离的时间减小，自动对行速度快，所以反应时间减小；但当液压流量增加到一定程度，超过了系统所需要的流量后，由于液压缸的运动过快，液压纠偏执行机构就会出现超调，导致往复振动，所以系统反应时间会先减小后增加。在流量为25L/min时，反应时间最小。

由图18可知：反应时间随供油压力的增加也呈现先减少后增加的趋势。供油压力在小于最佳值的范围内增加时，液压纠偏执行机构克服运动阻力的能力增强，达到最大阻力值的时间减小，所以反应时间减小；但当供油压力增加到一定程度，超过了最佳的供油压力后，由于压力过大，液压纠偏执行机构就会出现振动，所以系统反应时间会先减小后增加。在压力为18MPa时，反应时间最小。

表3　液压流量试验结果

表4　供油压力试验结果

图17　液压流量对反应时间的影响

图18　供油压力对反应时间的影响

5结论

1)设计了自动对行液压纠偏执行系统的结构，确定了系统的工作原理，并确定了液压元器件的结构和工作参数。

2)应用AMESim软件对自动对行液压纠偏执行系统进行了建模与仿真，并从液压流量和供油压力两个方面对系统进行了动态响应特性分析，确定了压力和流量的取值范围。在仿真的基础上进行了台架试验，得出了压力和流量对性能指标的影响趋势和最佳值。

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Design and Test of Hydraulic Correction Execution System in Automated Row-followed for Beet Harvester

Wang Shenying, Hu Zhichao, Wu Huichang, Peng Baoliang, Xie Huanxiong, Gu Fengwei

(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014,China)

Abstract：As the degree of integration of electro-hydraulic in agricultural machinery and equipment performance continues to improve, Beet harvester has gradually developed to automate intelligent direction.This paper designed the overall structure of hydraulic correction execution system in automated row-followed for beet harvester, and established the system works principle. It also determined the main structure and operating parameters of hydraulic components by designing, calculating and analysising.The paper did system modeling and simulation and dynamic response analysis on the application of software AMESim,determined the range of hydraulic flow and pressure. It designed physical prototype of the system and did bench test,and concluded the rules and trends of the influence of hydraulic flow and pressure on the system response time.And draw out the best value of hydraulic flow and pressure, that is when the hydraulic flow is 25L/min,oil pressure is 18MPa,the system response time is minimum.

Key words：beet； harvesting machinery； automated row-followed； hydraulic simulation； AMESim

文章编号：1003-188X(2016)03-0155-08

中图分类号：S225.7+2

文献标识码：A

作者简介：王申莹(1986-)，男，安徽蒙城人，硕士，(E-mail)wangshenying365@163.com。通讯作者：胡志超(1963-)，男，陕西蓝田人，研究员，博士生导师，博士，(E-mail)nfzhongzi@163.com。

基金项目：中国农业科学院科技创新工程项目(CMS-ASTIP-201X-NRIAM)

收稿日期：2015-02-10