蓖麻收获机液压提升系统设计及特性分析

赵华洋，高晓辉，李 理，刘 罡

（1. 内蒙古民族大学 机械工程学院，通辽 028043；2.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191；3.内蒙古自治区高校蓖麻产业工程技术研究中心，通辽 028043；4.内蒙古自治区蓖麻育种重点实验室，通辽 028043；5.内蒙古自治区蓖麻产业协同创新培育中心，通辽 028043）

0 引言

蓖麻作为一种常见的一年生草本植物，其蓖麻籽含油量一般在50%左右，蓖麻油在-18℃低温状态下不凝固，在500℃～600℃高温条件下不变质、不燃烧，因此可用于加工高级润滑油，在化工、冶金、机电、纺织、印刷、染料等行业得到广泛应用，同时还具有消肿拔毒，泻下通滞的药用价值，因此蓖麻已经被作为一种投资小、见效快、效益高的经济作物而得到了大规模种植[1～3]。蓖麻的果实比较密集的分布在植株的中上部，且植株之间高度相差较大，在收割植株的同时需要将果实进行分离，而蓖麻果实密集、坚硬且表面带硬刺[4,5]，采用人工收割难度较大、效率低且易造成受伤。尽管现在已经研制出了蓖麻收获机械，但是当植株高度差较大时，果实损失量较大且效率较低[6～8]。因此，本文本着结构合理、能耗低、果实采净率高的原则，对传统的蓖麻收获机构进行了改进，提出采用液压提升装置可动态的适应植株高度，在此基础上了设计了基于负载敏感的液压回路, 并对液压系统中关键元器件参数对其性能影响规律展开研究，得出适宜负载的高性能系统，大大提高了蓖麻收获机的性能。

1 蓖麻收获机工作原理

蓖麻收获机（如图1所示）主要包括车身及驾驶室、收割机构、传输装置和筛选装置四大部分。车身及驾驶室主要是为蓖麻收获机提供支撑及操纵机构，是整台设备的控制中心；收割机构主要用来收割蓖麻植株，并将收获的果实通过传输装置送往筛选机构进行筛选分离；采用多级筛选机构能够使蓖麻果实粒与蓖麻茎叶、细小残渣有效分离，提高果实的采净率。收割机构作为蓖麻收获机的直接采摘机构，其性能的好坏直接关系到整台设备收获果实的采净率。收割机构主要是由割秧刀、电机、减速器、梳齿收割杆、支撑机构及压秧板组成。在收割机构的后下方安装有多个割秧刀，主要用来收割蓖麻植株。电机通过减速器带动梳齿收割杆旋转收割蓖麻植株。梳齿收割杆和割秧刀的设置使得在收获蓖麻果实时，蓖麻秧并不被带入到收割箱中，当梳齿收获果实时蓖麻秧与土地产生拉力，这种拉力能够使果实更加有效的被采摘，同时蓖麻秧被割秧刀从根部割断，有效提高了果实和蓖麻秧的分离率，即提高了果实采摘率。

由于蓖麻植株的高度差距较大，采用传统的收割机构会造成较低的植株漏采、较高植株被撞断等现象，因此本文提出了收割高度可动态调节的液压提升机构，根据植株高度进行动态调节，从而提高果实的采净率。液压提升机构采用液压缸通过链轮提升机构带动收割机构在槽钢导轨内实现上下平移。液压提升机构作为一个长时间工作的动力执行机构，需根据植株的高度动态对其调整，是一个重要的能源消耗装置，其动态特性及能耗特性与整台设备性能息息相关。因此，针对蓖麻收获机的液压提升机构进行设计并对其特性展开研究。

图1 蓖麻收获机

2 基于负载敏感的液压提升机构

2.1 液压机构工作原理

蓖麻收获机的提升机构采用具有负载敏感功能的液压系统，主要由变量泵、变量油缸、溢流阀、负载敏感阀（Load Sensing valve简称LS阀）、三位四通阀、液压缸及阻尼阀组成（如图2所示），该系统能够根据负载需求动态调整变量泵的输出排量，从而有效降低功率损耗，提高液压系统的工作效率。

在液压提升机构中，液压缸的有杆腔通高压油克服负载重力提升收割机构向上运动，因此选择有杆腔压力作为负载反馈。油泵的出口压力为ps，负载压力为pL，LS阀弹簧力为Fs，LS阀通流面积为A。当△pA=（pspL）A＞Fs，泵出口压力高于负载压力时，LS阀右移通流孔变大，变量油缸无杆腔压力增大，推动变量泵斜盘倾角减小，从而减小泵的输出压力，达到平衡；当△pA=（ps-pL）A＜Fs，泵出口压力低于负载压力时，LS阀左移通流孔变小，变量油缸无杆腔压力减小，变量泵斜盘倾角增大，从而增大泵的输出压力，达到平衡。溢流阀保证整个系统的安全工作压力。

2.2 基于AMESim建模

图2 液压提升系统

AMESim（Advanced Modeling Environment for Simulations of Engineering Systems）是一种覆盖多学科领域的复杂系统建模与仿真平台，涵盖了机械、液压、气动、热、电磁、控制等多个领域[9,10]。蓖麻收获机的液压提升机构作为一个涵盖机械、液压、控制等多个领域的复杂系统，根据系统中各个部件的工作特性，采用AMESim中的液压库（Hydraulic）、液压元器件库（Hydraulic Component Design）、机械库（Mechanical）和信号控制库（Signal、Control）搭建提升机构数学模型（如图3所示）。变量泵、溢流阀、三位四通阀、阻尼孔、液压缸直接在液压库调取模型。变量油缸采用液压元器件库中的Piston with spring（BAP016）模拟变量缸中带弹簧的有杆腔，采用Piston（BAP12）模拟变量缸中的无杆腔，采用机械库中的Mass with friction and ideal end stops（MAS005）模拟活塞杆的质量、行程及其摩擦力。LS阀采用液压元器件库中的Piston with spring（BAP016）模拟阀中带弹簧的有杆腔；采用Piston（BAP12）模拟阀中的无杆腔；采用Spool with hole section orifice（BAO041）模拟阀的开度；采用机械库中的Mass with friction and ideal end stops（MAS005）模型模拟阀芯的质量、行程及其摩擦力。提升负载中采用1 Port mass capable of onedimensional motion（MAS001）模拟负载质量；采用Rope end（REND001）、Rope with stiffness and viscous friction（ROP0001）、Ideal sheave（RSHE001）和Rotary load with two shafts without friction（RL02）模拟链轮提升机构。控制信号采用Interpolate 1D or XY table with respect to time（SIGUDA01）模型，信号曲线来源于外部文件。

3 关键元器件特性研究

基于变量泵和LS阀的负载敏感系统可以有效的提高系统的工作效率，节约能耗。因此，本文在搭建蓖麻收获机液压提升系统AMESim模型的基础上，研究变量油缸和阻尼阀对液压提升系统性能的影响规律，从而得出适应本液压系统的最佳参数。

图3 液压提升系统AMESim模型

3.1 变量油缸特性分析

变量油缸根据负载端特性和弹簧调节变量油缸的输出位移从而改变变量泵的输出特性，弹簧刚度K直接影响到整个液压系统的输出特性[12]。变量油缸中弹簧在选择不同刚度时，研究提升机构由最底端上升至最高处的过程中液压系统输出压力（p）、流量（Q）和功率（P）如图4所示。由图4可以看出，当弹簧刚度较小时，负载上升速度较慢，液压系统流量和压力发生波动导致负载上升不平稳；而当弹簧刚度较大时，负载上升速度较快，但在上升任务完成后液压系统输出压力变大，功耗增强。这是因为当变量油缸中的弹簧刚度较小时，系统受负载的影响易产生波动，从而导致负载上升不平稳；而当弹簧刚度较大时，变量油缸的移动较为平稳，但是推动油缸动作需要较大的液压动力，从而增大了液压系统的能耗。综上所述，变量油缸弹簧刚度必须适中，过大或者过小的弹簧刚度都会都影响液压系统的输出特性。

图4 变量缸弹簧刚度特性

3.2 阻尼阀特性分析

阻尼阀作为负载敏感系统中的关键元器件，其特性直接关系到整个液压系统性能[13]。阻尼阀的工作实质是小孔节流，通过调节节流孔面积来改变其输出特性。阻尼孔两侧的压差△p和流量之间的关系如式(1)所示。

式中Q为流量；Cq为流量系数；d为阻尼孔直；△p为阻尼阀两侧的压力差； 为液压介质密度。

1）阻尼阀1特性分析

阻尼阀1不同直径（d1）时，研究提升机构由最底端上升至最高处的过程中液压系统输出压力（p）、流量（Q）和功率（P）如图5所示。由图5可以看出，当阻尼孔直径较小时，液压系统流量和压力会发生较大的波动从而导致负载上升不平稳，且功率损耗增大。这是因为当阻尼阀1直径较小时，由LS阀到变量油缸之间的阻力变大，LS阀对变量油缸的控制力降低，从而导致液压系统性能降低。因此，阻尼阀1的直径不易太小。

图5 阻尼阀1特性

2）阻尼阀2特性分析

阻尼阀2不同直径（d2）时，研究提升机构由最底端上升至最高处的过程中液压系统输出压力（p）、流量（Q）和功率（P）如图6所示。由图6可以看出，当阻尼孔直径较小时，液压系统在初始时刻波动较大，在完成提升任务后压力和流量较大，功率损耗较大；当阻尼孔直径较大时，液压系统输出压力会发生较大的波动，从而导致负载上升产生振荡。这是因为当阻尼阀2的直径较小时，LS阀与变量油缸之间的压力增大，液压系统功耗增大；当阻尼阀2直径较大时，LS阀对变量油缸的控制能力较弱，直接通过阻尼孔达到油箱，波动较大。综上所述，阻尼阀2的直径必须适中，过大或者过小都会都影响液压系统的输出特性。

图6 阻尼阀2特性

4 系统仿真分析

通过研究蓖麻收获机液压提升系统中变量油缸弹簧刚度和阻尼孔直径对液压系统性能的影响规律，根据其影响规律选择合适参数搭建液压提升系统。在负载提升过程中，LS负载敏感液压系统与定量泵溢流液压系统（图7）的输出功率（P）如图8所示，LS负载敏感液压系统输出特性平稳且功耗较低，尤其当负载提升至最高位后不再运动时，定量泵溢流液压系统溢流耗费大量的能量而负载敏感系统的耗能量几乎为0，大大降低了系统的功耗。

图7 定量泵溢流液压系统

图8 液压提升系统特性

5 结论

通过对蓖麻收获机液压负载敏感提升系统设计及研究，可以得知负载敏感液压系统中变量油缸弹簧刚度和阻尼阀直径对于提高系统的输出稳定性和降低功耗至关重要。