双排三行采棉机液压系统设计及AMESim仿真分析

柯春鹏 丁问司

摘要：结合目前我国采棉机的发展现状，设计一款双排三行采棉机的液压系统，并通过AMESim软件对其中采用负载敏感液压技术的采棉头仿形系统进行仿真分析。结果表明，该采棉头仿形系统在提升过程中能很好地实现速度的稳定控制;但在速度下降过程中，下降速度随液压缸承受负载的增大而增大。而通过在液压缸下腔添加平衡阀能很好地解决此问题，但须对平衡阀的设定压力和控制比这2个主要参数进行合理设置。

关键词：采棉机;液压系统;负载敏感系统;平衡阀;仿真分析;AMESim

中图分类号： TH137;S225.91+1  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）11-0170-08

收稿日期：2020-11-07

基金项目：广东省科技计划 （ 编号：2017B010136113）

作者简介：柯春鹏（1995—），男，广东湛江人，硕士研究生，主要从事液压系统设计及控制相关研究。E-mail：1127148686@qq.com。

通信作者：丁问司，博士，教授，主要从事流体传动与控制科学研究。E-mail：wsding@scut.edu.cn。

棉花是我国重要的经济作物之一，而近年来用工难问题日益显著，我国采棉的机械化发展迫在眉睫[1]。我国采棉机的研发始于20世纪50年代，曾研发了几种垂直摘锭式采棉机，但由于采棉效果不好，采棉机的机械化发展被搁置。直到20世纪90年代，我国开始真正重视采棉机自主研发，贵州平水机械有限责任公司与中国农业机械化科学研究院于2002年共同研制出首台4MZ-5大型自走式摘锭式采棉机[2]。然而，摘锭式采棉机的采棉头结构比统收式采棉机复杂很多，且制造成本昂贵。为减轻我国棉农的压力，新疆农业科学院于2009年研制出4MCS-300梳齿式棉花联合采收机，其采净率超过90%[3]。为进一步提高统收式采棉机的采净率，本研究创新地提出采用双排三行采棉机的方案，采棉作业时，前排3个采棉头同时进行采棉工作，后排采棉头则对前排遗漏的棉铃进行采摘，预估采净率达99%以上。

目前，液压技术已被广泛应用于农机行业中[4]，但关于采棉机液压系统的研究甚少。王建潭等设计了具有可拼装式采棉头的采棉机，但该液压系统适用范围较窄，不适用于中大型采棉机[5]。基于此，本研究研发了一款双排三行采棉机液压系统，并对其中较重要的采棉头仿形系统进行AMESim仿真分析。

1 采棉机系统组成及工作原理

1.1 采棉机系统组成

本研究研发的采棉机系统主要由以下7个部分组成。

（1）行走系统：由液压泵控制马达来完成作业，一般采用液压驱动方式，以实现大功率传动及无级调速，传动结构简单[6]。

（2）转向系统：采用前桥驱动，后桥转向形式，由组合阀控制左右2個液压缸实现转向。

（3）采摘系统：采用双排滚筒式软摘锭采摘方式，摘锭由滚筒及其上面按一定方式排列的数百个钢棒组成[7]。工作时，采棉头滚筒带动钢棒从棉株根部往上对棉株进行击打带出棉铃，随着钢棒的缩回，棉铃被风机吹进输棉管道内。

（4）仿形系统：采棉头仿形系统由高度感应系统的4个升降液压缸组成，其中高度感应系统把高度信号传给控制器控制采棉头升降液压缸移动，实现仿形动作。

（5）风力输送系统：采棉机风力输送系统由风机、输棉通道、操控装置等组成。从摘锭摘下的棉花受风机正压力进入输棉管道内。输棉管道内的负压使棉花进入清杂机构，也是棉花输送的主要动力。

（6）清花系统：采用气力-机械复合式清杂方法，在风力输棉过程中，重质杂质自行掉落完成初步清杂;而后带有轻质杂质的棉杂混合物经过刺钉滚筒式清杂机构与锯齿滚筒式清杂机构实现二次复合清理，可达到较好的清杂效果[8]。

（7）棉箱升降与卸棉系统：采棉机棉箱包括可升降外棉箱与内棉箱。在公路运输时，内棉箱降至最低以提高采棉机的通过性。在作业时，内棉箱升高以增加棉箱容量，减少卸棉次数。棉箱底部装有卸棉链耙，当采棉机卸棉时，棉箱门打开，启动链耙以帮助将棉箱内的棉花卸空。

1.2 采棉机工作原理

如图1所示，采棉机作业时，液压泵控制马达驱动前轮行走。行进过程中采棉头采摘系统将棉铃从棉株上摘下，再通过风力输送系统把棉花送进棉箱内。同时当采棉头离地面的高度发生变化时，仿形系统会使采棉头做出相应的升降动作。在棉箱快要装满时，由于棉箱顶部布满絮状物、树枝等，大大减弱棉花风送效果，所以启动棉箱内的绞龙压实机帮助棉花均匀分布，压实棉花。待棉箱装满后，采棉机行驶到卸棉位置，棉箱升降系统与卸棉系统开始工作，外棉箱提升到可装车位置后棉箱门打开，卸棉链耙开始工作，把棉花输送到收棉花的车内，随后采棉机再返回地里继续工作。

2 采棉机液压系统设计

2.1 液压系统的组成及原理

如图2所示，采棉机的液压系统主要包括以下8大系统：行走系统、清花系统、风力输送系统、转向系统、采棉头采摘和棉花压实系统、采棉头仿形和外棉箱升降系统、内棉箱升降系统、卸棉蛟龙和棉箱门开启系统。各系统的组成及工作原理如下。

如图3所示，采棉机行走系统采用了变量泵+定量马达的闭式容积调速回路。可以通过调节液压泵排量或者液压泵输入轴转速进而调节马达转速，改变行走速度。考虑到实际使用情况，行走液压系统中还须添加一些实用回路。

排热油措施：虽然闭式容积调速回路没有可调液阻，不会引起液压油发热，但循环过程中液压泵和马达摩擦产生的能耗会使液压油发热， 因此须要排出热油。即补油泵从油箱中吸入冷液压油，通过补油阀将其压入循环回路中低压侧。同时，冲洗梭阀使低压侧始终与背压阀相连，排出热油。

过载保护措施：为了防止受到过大正向或负向负载引起高压损坏液压元件，故在回路中加入多功能阀，包括压力限制阀与高压溢流阀。当系统压力达到压力限制阀的设定值时，压力限制阀打开，高压油通过压力限制伺服控制缸的低压侧，减少泵的排量。高压溢流阀相当于系统的二级压力限制阀，设定压力比压力限制阀高，在系统出现瞬时压力峰值时可短暂开启回油，以减少溢流发热。

故障拖车措施：采棉机发生故障后须在发动机不能启动情况下移动到维修区修理，故要在回路中设置旁通阀。当液压泵主轴不能旋转时，旁通液压马达可解决采棉机的短距离拖车问题[9]。

清花系统采用变量泵+定量马达的闭式容积调速回路，回路原理与行走系统基本一致，易于实现清花马达的无级变速。

大风机系统也是采用变量泵+定量马达的闭式容积调速回路，基本原理与行走系统、清花系统一致。

转向系统采用的是闭芯无负载反应的负载传感全液压转向系统。液压泵的液压油经过优先阀、方向控制阀，再通过转向器控制2个单杆活塞缸运动，进而驱动转向机构运动，实现车轮转向。同时在回路中设置了蓄能器及防过载溢流阀。

如图4所示，采棉头采摘、棉花压实系统系统由负载敏感变量泵、负载敏感液压阀组、采棉头马达和绞龙马达等组成。其原理参考丹佛斯（Danfoss）的PVG32 阀组[10]。

采棉头仿形、外棉箱升降系统由负载敏感变量泵、负载敏感阀组、双向液压锁和采棉头升降油缸、外棉箱升降油缸组成。工作原理与采摘系统类似。考虑到升降油缸在负载重力作用下会由于油液从液压缸内径与缸筒间隙泄露而自动伸出，故添加了双向液压锁。可以严密封闭液压缸两腔的油液，防止活塞因外力作用而产生移动。

内棉箱升降系统由变量泵、三位四通换向阀、双通道单向节流阀、液控单向阀、液压缸等组成。其中3个液压缸须同时运动，以防止升降过程中出现卡死现象。液控单向阀接于液压缸下腔的回路，可以防止液压缸在重力负载作用下引起下滑。双通道单向节流阀可以使液压缸回油腔始终与节流阀相连，属于出口节流回路，在负载波动时，使液压缸运动较平缓。

卸棉绞龙、棉箱门开启系统由变量泵、二位三通换向阀、三位四通换向阀、双向液压锁、双通道单向节流阀和液压缸等组成。其中三位四通换向阀用于液压缸与马达的各自换向，而二位三通换向阀用于同时换向。

2.2 液压系统的特点

行走系统、清花系统以及风力输送系统为变量泵控制的定量马达闭式容积回路，其余液压系统为开式回路。这样设计是考虑到闭式回路可轻易实现双向运动，对于须双向运动的马达，若依靠马达换向会经过排量为0的点，而此时马达的理论转速无穷大[11]。而对于液阻控制回路，若采用闭式回路，参与工作的液压油体积较小，热容量较小，容易升温和降温，所以对于发热较多的液阻控制回路，宜采用开式回路。

采棉头采摘和棉箱压实系统、副棉箱升降系统、卸棉绞龙、棉箱门开启系统采用同一液压源，属于单泵多执行器的简单液阻液压控制回路。其中副棉箱升降油缸在采摘作业前及卸棉后工作，而采棉头采摘马达和压实绞龙马达在采棉机作业过程中将同时工作，棉箱门油缸及卸棉绞龙马达在卸棉过程中工作，且棉箱门开启完成后卸棉绞龙才开始工作。这几个系统的工作互不干扰，采用同一液压源可减少能耗，节约运行成本[12]。

采棉頭仿形、主棉箱升降系统采用1个负载敏感泵和负载敏感阀组，属于单泵多执行器的负载敏感回路。负载敏感泵只产生液压缸动作所需流量，体现了节能的优点。且压力补偿阀可保证比例伺服阀的压差恒定，每个工作模块的流量只与比例伺服阀开度有关，可实现稳定控制。

3 液压系统仿真分析

对此液压系统中比较重要的采棉头仿形系统进行仿真分析。采棉机设计了前后2排各3个，共计6个采棉头，采棉头仿形液压系统有4个液压缸，前排与后排采棉头各用2个液压缸来实现采棉头的提升与下降。

3.1 仿真模型建立

带有负载感应功能的采棉头仿形系统主要由5个部分组成，分别为具有负载感应和压力补偿功能的可变排量泵（区域1）、局部压力补偿阀（区域2）、负载感应方向控制阀（区域3）、防震和防气蚀阀（区域4）、平衡阀（区域5）（图5），搭建该模型使用了标准液压库、信号库和平面机械库等。

3.2 仿真参数设置

本研究所有原件都直接采用系统默认子模型，仿真时长设置10 s，步长0.01 s。当图6中k信号取值为1，表示平衡阀不起作用;k信号取值为0则现稳定控制（采棉头运动速度只与液压比例伺服阀开度有关，而与负载大小、方向无关[13]）。通过批处理方法进行控制变量研究（表5），其中处理1、处理2、平衡阀起作用。相关原件参数如表1、表2、表3、表4所示，HYDCONLSPCO、HYDLPCO、HYDSVLSO均表示阀的AMESim模型名称。

3.3 仿真结果分析

为了验证该负载敏感采棉头仿形系统能够实处理3研究液压比例伺服阀开度对采棉头运动速度的影响，而处理3、处理4、处理5研究负载质量对采棉头运动速度的影响。如图6所示，仿真时长10 s，前排采棉头在0.5～5.0 s从底部提升，然后5.0～9.5 s从顶部下降。后排采棉头由于与前排采棉头有一定距离，所以比前排采棉头动作慢0.5 s。

如图7所示，随着伺服阀开度的增大，采棉头升降速度随之增大;在提升过程中（模拟的前5 s），负载质量对稳定的采棉头速度没有影响。 因此， 在举

升过程中，采棉头通过调整活塞腔中的压力维持正常工作，从而独立于负载质量以具有相同的举升速度。但在下降阶段，由于承受的是负值负载，负载决定了背压腔的压力，排出背压腔的流量决定了运动速度[14];所以随着负载质量的增加，采棉头下降速度随之增加，此时负载敏感系统没有起到稳定控制的作用。

为了使得采棉头在下降受到负值负载的情况下仍然能够保持流量的恒定，实现精确控制，本研究在液压缸的下腔添加了平衡阀。平衡阀是为了满足作业中负载保持功能、下降减速功能、溢流功能、低液阻上升等[15]功能。所以，平衡阀对于要承受负值负载的系统具有重要的意义，了解平衡阀的各项参数对系统稳定性的影响也有很大作用。

平衡阀模型及工作原理如图8所示。平衡阀把液压缸的上腔压力作为控制压力，利用这一端口压力的变化来控制节流口的开启量。因为液压缸上腔的压力取决于进入该腔的流量与活塞实际下降所需的流量之差。所以当负载下降太快时，液压缸上腔需要的流量大于进入流量，压力会降低，就会关小平衡阀节流口，从而降低液压缸下腔的流量，以通过控制输入上腔的流量来控制下降速度。

平衡阀较重要的参数是设定压力和控制比。设定压力是阀门开始打开的压力，控制比是控制压力与负载口压力的作用面积之比。这2个参数的相关方程计算公式如下：

力平衡方程式：

F+PB+SB=PASA。（1）

平衡阀开启条件：

PA+PBKC>PS。（2）

结合公式（1）、公式（2）得：

PB>（PS-PF）/（KC+KA）。（3）

式中：F表示负载力;PA 表示负载口压力;PB表示控制口壓力;PF表示负载压力，即PF=F/SA;PS表示设定压力;SA表示活塞面积;SB表示有杆腔环形面积;KA表示液压缸无杆腔与有杆腔面积比;KC表示控制比。

由公式（3）可以看出，设定压力越高，负载压力越低，控制比越小，则需要控制压力越高。由于负载压力不受平衡阀控制，所以通过调节合适的设定压力与控制比使采棉头稳定运行至关重要。

在采棉头提升过程测得无杆腔稳定压力为180 MPa，考虑到1.15的安全系数[16]，算得压力为207 MPa，取设定压力为210 MPa。设置k信号值为1，平衡阀设定压力为210 MPa，控制比设置为0.5、1.0、2.0进行批处理仿真，得到图9。该曲线表明较高控制比导致更多的振荡，当工作中负载振幅变化较大时，优先使用低控制比。

因此，本系统的平衡阀参数设置如下：压力为210 MPa，控制比为0.5。对添加了平衡阀作用的采棉头仿形系统进行表5所示的批处理仿真分析，得到图10。可以看出，平衡阀仅在采棉头下降过程中才会打开，实现了下降减速功能。使采棉头下降时独立于负载质量而具有相同的稳定下降速度。在上升过程中，液压油流经单向阀实现低液阻上升功能。

4 结论

（1）本研究设计的液压系统能很好地满足采棉机的各项功能要求，原理简单，安全可靠。且设计了双排采棉头采摘的方案，把采棉机的采净率提高到最大。

（2）该采棉机的采棉头仿形系统采用负载敏感系统，负载感应变量泵只提供液压缸需要的流量，比其他调速回路效率高，具有节能的优点。而且由于通过伺服阀的压差保持恒定，系统流量只与伺服阀开度有关，具有稳定控制的优点。

（3）用AMESim软件对采棉机采棉头仿形系统进行仿真分析，发现在采棉头下降过程中通过液压缸的流量不能实现稳定控制，通过在液压缸下腔添加平衡阀很好地解决该问题。同时对平衡阀某些重要参数对系统稳定性的影响进行了研究，发现较

高的控制比导致更多的振荡和更少的马达能量消耗，当工作中负载振幅变化较大时，优先使用低控制比。

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