甘蔗收割机行驶液压系统仿真分析

赖　晓，秦志文，张　彪，高建立，郭文峰

（1.广西大学机械工程学院，广西南宁530004；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

甘蔗收割机行驶液压系统仿真分析

赖晓1，秦志文2，张彪1，高建立1，郭文峰1

（1.广西大学机械工程学院，广西南宁530004；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

针对目前整杆式甘蔗收获机行驶液压系统存在的问题，重新进行了改进设计，并利用AMESim仿真软件对改进后的设计进行了模拟仿真。通过虚拟建模和仿真分析，检验了该系统在工作和转场状态下的速度、扭矩等参数方面都满足功能设计要求，从而验证了本行驶液压系统设计的可行性，为推动整杆式甘蔗收获机更快地完善和推广提供有力的支持。

甘蔗收割机；行驶液压系统；仿真

甘蔗收割机的执行机构采用液压驱动，具有变量控制方便、结构紧凑、效率高、能耗低、符合人机工程要求等特点，特别是行驶系统采用液压系统，能很好地满足农业机械作业时牵引力和车速变化急剧、频繁、变化范围大等苛刻条件。但目前整杆式甘蔗收获机液压行驶系统还不完善，在坡度较大的路面行驶时，容易出现行驶马达锁死失效现象，在下坡时车子甚至出现超速溜车，构成严重安全问题，所以必须对其进行设计改进。

1　行驶系统的改进设计

1.1原行驶系统

原有整杆式甘蔗收获机液压行驶系统采用的是开式液压系统，如图1所示。正常工作时，油液克服平衡阀开启压力，马达实现转动。但马达负载减小时，工作压力太低则无法使平衡阀开启，油路就会被锁死，马达制动。如果平衡阀压力调节过低或是平衡阀失效，车子下坡行驶时，工作压力高于平衡阀开启压力，油路仍处于流通状态，甘蔗收获机就会在重力作用下超速下滑，出现溜车现象。而且，双侧平衡阀调整困难，常常一侧马达可以锁死，但另一侧马达则无法锁死，这样收割机行驶中就会出现侧移。

图1　原行驶系统液压原理图

其次，开式的液压油路中，液压泵由油箱中吸油，输出的压力经过换向阀控制流向后供给液压马达，马达回油仍经换向阀流回油箱。此油路系统中，泵进出口已经确定即不能互换，系统中的油液每循环一周都要回到油箱并与空气接触。油液冷却性能好，但油箱所需尺寸大，空气和脏物容易进入回路，造成污染，操控性差，系统效率较低。

1.2改进设计

改进后的整杆式甘蔗收获机行驶系统为闭式液压系统，具体设计如图2所示。

图2　行驶系统改进后液压系统图

改进后的整杆式甘蔗收获机行驶系统采用闭式油路系统，其主液压泵为变量泵，与变量行走马达的油口之间成对相连并构成一个对称的封闭回路，另由一个补油泵经过单向阀和溢流阀使这个回路始终维持一个基础压力（补油压力）。此系统中主泵两个油口的油液方向根据变量机构的调节随时可能变化，而且当泵的实际出油口的压力低于进油口时，它将转变成吸收液压能的“马达”工况因而起到制动作用。

与原设计开式油路相比，改进后设计采用变量泵，其本身即兼有调节流量和改变方向的双重作用，一般无须在主油路中再设置会引起附加阻力和泄漏的换向阀即可控制马达无极变速和换向，系统效率高，响应快，操作更人性化。同时此系统跟随负荷的变化无须切换油路即可从驱动工况转为制动工况，具有良好系统刚性。主系统中始终存在着补油压力，可避免气蚀对液压元件的危害。另外，此系统共所需的液压油箱容量可仅仅为开式油路时的30%左右，更便于安装在位置有限、结构紧凑的整杆式甘蔗收获机的行走装置中。

2　改进后行驶液压系统仿真分析

2.1建模与参数设置

为了在快速低成本的在样机研制之前验证改进后的行驶液压系统方案的可行性，可利用AMESim仿真软件进行液压系统的虚拟仿真分析。为此，先在AMESim里构建了闭式行驶系统液压系统模型，如图3所示。

图3　改进后的行走系统仿真模型

在AMESim参数模式中设置行走变量泵泵、补油泵、转场及工况行走马达、冲洗阀、补油溢流阀等主要的的仿真参数设置如图4～图5所示。

图4　行走变量泵参数设置

图5　补油泵参数设置

2.2液压行驶系统仿真结果与分析

（1）工作时行驶系统分析

根据前述闭式行走系统的设计方案对液压系统模型进行参数设置，并利用阶跃信号设置工况下马达负载，整杆式甘蔗收获机工作时马达排设置为大排量，变量泵设置为最大排量，进行10 s的仿真。得到工况下行走系统驱动马达的转速曲线图，如图6所示。

图6　行驶系统工作时马达转速

从图6可知，马达开始转动，经过0.7 s，驱动马达即将速度增加到990 r/min，通过换算可得机器行驶速度为2.07 m/s.当行驶系统负载增加，马达转速会经过数秒的波动然后稳定在900 r/min附近，即行驶速度为1.88 m/s，与无负载启动时相比行速度下降。这是因为负载增加导致系统容积效率下降，驱动马达转速出现波动后下降并稳定在一定速度值。该速度值符合整杆式甘蔗收获机所需要的最小0.6 m/s的行驶速度要求，验证了理论分析设计的可行性。

在仿真结果中导出驱动马达工作时的扭矩如图7所示。分析驱动马达工况下的扭矩可知，工况下驱动马达的输出扭矩经过波动最后维持在162 N·m附近，符合设计性能。

图7　驱动马达工况下扭矩

（2）转场时行驶系统分析

利用阶跃信号设置转场情况下马达负载，甘蔗收获机转场时马达排设置为小排量，变量泵设置为最大排量，进行10 s的仿真。得到转场情况下行走系统驱动马达的转速曲线图，如图8所示。

图8　转场时行走系统驱动马达转速

分析行驶系统工况时马达转速曲线图可知，马达开始转动，经过3.5 s，驱动马达即将速度增加到2 300 r/min，通过换算可得机器行驶速度为17.3 km/ h.当行驶系统负载增加，马达转速会经过数秒的波动然后稳定在2 250 r/min附近，即行驶速度为16.9 km/h，与无负载启动时相比行速度下降。这是因为负载增加导致系统容积效率下降，驱动马达转速出现波动后下降并稳定在一定速度值。该速度值符合整杆式甘蔗收获机所需要的15 km/h的行驶速度，验证了理论分析设计行性。

在仿真结果中得到的驱动马达工况下的扭矩如图9所示。分析驱动马达工况下的扭矩可知，工况下驱动马达的输出扭矩经过波动最后维持在10 Nm附近，符合设计性能。

图9　转场情况下行走系统驱动马达扭矩

综合仿真分析整杆式甘蔗收获机闭式行走系统在工作时及转场时的最高行驶速度与扭矩等参数情况，可以判断本设计的闭式行走液压系统方案满足收获机功能需求，可以按此设计投入制造样机。

3　结束语

本文针对目前整杆式甘蔗收获机行驶液压系统存在的问题，重新进行了改进设计，并利用AMESim仿真软件对改进后的设计进行了模拟仿真，通过虚拟建模和仿真分析，检验了该系统在工作和转场状态下的速度、扭矩等参数方面都满足功能设计要求，从而

验证了本行驶液压系统设计的可行性，为推动整杆式甘蔗收获机更快地完善和推广提供有力的支持。

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Simulation Anlysis on the Walking Hydraulic System of the Sugarcane Harvester

LAIXiao1，QIN Zhi-wen2，ZHANG Biao1，GAO Jian-li1，GUOWen-feng1
（1.Guangxi University，Nanning 530004，China；2.SGMW，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Aiming at the problems of the sugarcane harvester walking hydraulic system nowadays，this papermakes a design improvement to solve the problems and testifies the improved design quickly and efficiently by making a simulation in AMESim software.Through virtualmodeling and simulation analysis，various of the system parameters speed，torque，etc.in both work and transition state are testified and they all turn out to meet the functional requirements.Therefore，the simulation verifies the feasibility of the design of the walking hydraulic system efficiently.This design improvementmethod will provide strong support to the promotion of the sugarcane harvester.

sugarcane harvester；walking hydraulic system；simulation

TP273

A

1672-545X（2016）04-0008-03

2016-01-03

广西制造系统与先进制造技术重点试验室2014年项目（编号：14-045-15S01）；广西高校临海机械装备设计制造及控制重点实验室项目（编号：GXLH2014KF-04）；广西大学实验室建设与实验教学改革项目（编号：20140111）；2016年广西教育厅中青年教师基础能力提升项目。

赖晓（1979-），女，广西北流人，讲师，博士，研究方向：先进制造技术和CAD/CAE。