甘蔗联合收割机切段辊液压系统的节能设计

陈远玲，陈承宗，彭 卓,陈浩楠,王 肖

(广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004)

引言

甘蔗是制糖的主要原料，当前我国甘蔗种植主要分布在广西、广东等南方热带地区，受季节天气、地形及收割机性能等因素的影响，我国目前的甘蔗收获机械化不足15%，甘蔗收获效率低，成本高，导致我国蔗糖价格缺乏国际竞争力[1-2]。

甘蔗联合收割机是大功率、多泵、多执行器的复杂装备，工作过程中工况复杂多变。与工程机械和盾构等电液驱动作业机械一样，提高其工况适应性提高甘蔗联合收割机的适应性与节能降耗是亟待解决的关键问题。

负载敏感技术由于具有良好的负载适应和流量匹配能力，节能效果好，因而被广泛应用于各类机电装备中。学者们对负载敏感阀的工作特性[3-4]和结构创新[5-7]进行了深入的研究和探索，拜颖乾等[8]、罗艳蕾等[9]、柯春鹏等[10]研究了负载敏感技术在盾构以及割草机、采棉机等农机上的应用，获得了较好的速度控制性能和节能效果。

甘蔗联合收割机在节能研究方面，RAMOS C R等[11]研究甘蔗收割机前进速度和发动机转速对耗能的影响；HASSAN M等[12]研究刀具类型、倾斜角度及前进速度的组合对能耗的影响；高雪涛等[13]研究了对发动机和负载敏感系统进行全局控制的策略；陆聪玲[14]研究了将负载敏感技术应用于剥叶马达的转速对输送马达转速的跟踪控制；王海飞等[15]通过AMESim仿真研究了LUDV 负荷传感控制技术在扶蔗马达的应用。以上研究为甘蔗联合收割机液压系统的优化设计提供了参考。

图1 甘蔗收割机切段辊示意图Fig.1 Schematic diagram of cutting roller of sugarcane harvester

切段辊是切段式甘蔗联合收割机的重要工作部件，功率大，能耗高。本研究基于田间实测载荷谱，将负载敏感技术应用于甘蔗收割机切段辊液压系统，以提高系统效率，降低系统损能耗。

1 实验对象及试验设备

1.1 甘蔗收割机的切段辊

甘蔗收获机切段装置主要有滚切式和砍切式2种结构，试验所用甘蔗联合收割机切段装置为滚切式结构。

切段式收获特点是高效省工，最适合规模连片地收获作业，是机械化收获作业的主要模式。根据切段装置在切段式收获机中布局位置的不同，可分为前置切段式、中置切段式、后置切段式3种形式。本研究所用的甘蔗联合收割机为后置切段式，其中刀片刃角为23°、材质为工具钢、厚度为8 mm、切段辊筒周围布置6排刀片，刀片重叠量为2 mm[16]。

1.上切段辊 2.刀片 3.下切段辊图2 滚切式切段装置示意图Fig.2 Schematic diagram of rolling cutting device

1.2 试验平台的设备及仪器

本次试验机型为广西某研究所研制的中型切段式甘蔗联合收割机，切段辊的马达由采用节流调速技术的液压系统驱动。

图3 试验用甘蔗收割机Fig.3 Test sugarcane harvester

数据采集系统选用深圳某公司生产的加固液压测试仪(型号：STONEBOOK-1600-SR)。该测试仪集成了计算机、传感器接口以及通讯等模块、数据采集软件LER-iTest、数据处理软件LERO-HTDAD，能实时将传感器采集的压力、流量等数据显示出来并能进行数据处理，如图4所示。该系统具有良好的防干扰能力和较高的采样频率，能在复杂工况下进行数据采集，可以适应甘蔗联合收割机实际工作时的恶劣环境。

图4 STONEBOOK-1600-SR数据采集系统Fig.4 Stonebook-1600-sr data acquisition system

2 3种典型工况下切段辊驱动液压马达的田间试验

2.1 试验测试方案设计及数据采集

数据采集试验在广西武鸣区某甘蔗农场进行，表1为试验田条件参数。基于课题组前期研究成果，试验过程中将主要影响参数设置为较优值，即控制风机转速在1500 r/min、刀盘转速600 r/min左右，且试验过程中保证甘蔗的品种、试验的场地、天气状况以及土壤状况等都基本控制在同一水平内。

表1 实验田参数Tab.1 Parameters of experimental field

课题组前期研究结果表明，甘蔗收割机在行走速度为2 km/h时是较优参数设置，基于此探究甘蔗收割机在行走速度为1，2，3 km/h 3种常见工况下的切段辊液压马达的功耗情况。用数据采集系统将试验所需的载荷谱数据进行采集，依据公式功率计算式(1)可求得不同工况下切段辊液压马达的功率：

(1)

式中，P——马达功率

p——马达压力

Q——马达流量

2.2 功耗试验

试验过程中分别控制行走速度为1，2，3 km/h左右，在含杂率为6.3%左右的试验单位中，每个典型工况随机抽取15组共300个数据，在Origin软件中做数据分析。由于2个切段辊马达的压力大、流量与功率曲线走势几乎一致，两者差距非常小，故只给其中1个马达的特性曲线，不同行走速度下马达的压力、转速及功率如图5所示。

图5 不同行走速度时切段辊马达压力、转速、功率图Fig.5 Pressure,speed and power curves of cutting roller motor at different walking speeds

(2)

将3种典型工况试验所得结果汇总，见表2。

表2 试验结果汇总Tab.2 Summary of test results

从图5可见，实际切段辊马达的载荷波动大，马达压力波动范围可达6～10 MPa，马达转速波动范围可达80～200 r/min。对于节流调速系统而言，较大的载荷波动会造成较大的节流和溢流功率损失。由表2可知，甘蔗收割机切段辊马达的功率较大，对于长时间作业的甘蔗收割机而言，减少液压系统功率损耗和提高系统效率，能有效降低收获成本。

3 切段辊液压系统的设计

针对现有节流调液压系统存在的问题，将功率损耗小、调速平稳的负载敏感技术应用于切段辊液压马达系统中，以改善由于载荷波动大导致切段辊的转速不稳定、功率损耗大的缺点。

3.1 负载敏感泵的节能原理

负载敏感变量泵流量连续方程：

Q0=nχaq0-C0p0

(3)

式中，Q0——负载敏感变量泵输出量

n——泵的转速

χa——活塞位移

q0——排量梯度

C0——泄漏系数

p0——变量缸右腔初始压力

泵的动态模型为：

dχa=vbdt

(4)

(5)

式中，vb——阀芯的速度

pLS——负载敏感变量泵的输入量

Ab——阀芯作用面积

K——弹簧刚度

χb——阀芯位移

χb0——阀芯初始位移

dχb=vadt

(6)

(7)

其中：n′=p0-pLS-Kχb0

(8)

(9)

式中，va——活塞速度

r——转动半径

J——转动惯量

pa1——变量缸小流量时的容腔压力

pa2——变量缸大流量时的容腔压力

A1——变量缸活塞面积

A2——复位缸活塞面积

负载敏感泵的原理如图6所示，与马达连接的电机用于模拟外负载，泵的出口压力随负载的变化而变化。外载需求的流量增大时，阀1右腔的负载压力与弹簧力共同作用推动阀芯向左移动，油缸3右腔通油液，与复位油缸4共同作用，自动调节柱塞泵斜盘倾角，以增大泵的流量，反之泵的输出流量减小。负载敏感变量泵总是将压力补偿阀5两侧的压差保持在LS阀弹簧设定的相应压力，使泵的排量与负载需求的流量相互匹配[3-4，17]。这种自动调节的过程能有效降低泵的功率损耗。

1.LS阀 2.恒压阀 3.变量油缸 4.复位油缸 5.压力补偿阀图6 负载敏感泵原理图Fig.6 Schematic diagram of load sensing pump

3.2 液压系统的设计

基于甘蔗收割机实际载荷谱，设计了2套不同的切段辊液压系统，如图7所示。以节流调速系统为参照，在同等条件下对比负载敏感系统泵的输出功率和系统效率，主要元部件的选型如表3所示。

表3 主要元部件的型号Tab.3 Models of main components

图7 切断辊的液压控制系统Fig.7 Hydraulic control system of cutting roller

4 基于AMESim的液压系统仿真

通过实测获得的不同工况下切段辊的载荷谱，并将实际载荷数据导入机电液仿真模型AMESim进行定量分析。依据式(10)可求得液压系统的效率：

(10)

(11)

式中，η——液压系统的效率

PA——马达总功率

pP——泵的输出压力

Qvp——泵的输出流量

根据节流调速和负载敏感系统的工作原理[3-4，18]，建立了AMESim仿真模型，如图8所示，主要元件仿真参数如表4所示。

表4 主要元件仿真参数Tab.4 Simulation parameters of main components

4.1 行走速度为1 km/h液压系统的仿真

行走速度为1 km/h的仿真结果如图9所示，1 km/h的工况下，节流调速系统单个马达平均功率为3.46 kW，马达总功率为6.92 kW，实际系统的马达功率为7.12 kW，泵的平均功率为21.05 kW。负载敏感系统单个马达的平均功率为3.55 kW，马达总功率为7.1 kW，泵的功率为11.18 kW，约为节流调速系统的53.11%。节流调速系统的效率为34.6%，负载敏感系统的效率为63.5%。

图9 1 km/h 马达压力，流量、功率与泵功率对比图Fig.9 Comparison of motor pressure,flow,power and pump power at 1 km/h

4.2 行走速度为2 km/h液压系统的仿真

行走速度为2 km/h的仿真结果如图10所示，2 km/h的工况下，节流调速系统：单个马达平均功率为4.81 kW，马达总功率为9.62 kW，实际系统的马达总功率为9.34 kW，泵的功率为27.18 kW。负载敏感系统：单个马达的平均功率为4.69 kW，马达总功率为9.38 kW，泵的功率为14.43 kW，约为节流调速系统的53%。节流调速系统的效率为35.4%，负载敏感系统的效率为65%。

图10 2 km/h马达压力，流量、功率与泵功率对比图Fig.10 Comparison of motor pressure,flow,power and pump power at 2 km/h

4.3 行走速度为3 km/h液压系统的仿真

行走速度为3 km/h的仿真结果如图11所示，3 km/h的工况下，节流调速系统：单个马达平均功率为6.19 kW，马达总功率为12.38 kW，实际系统的马达功率为12.22 kW，泵的功率为34.9 kW；负载敏感系统：单个马达的平均功率为5.66 kW，马达总功率为12.12 kW，泵的功率为19.09 kW，约为普通系统的54.7%。节流调速系统的效率为35.47%，负载敏感系统的效率为63.4%。

图11 3 km/h马达压力，流量、功率与泵功率对比图Fig.11 Comparison of motor pressure,flow,power and pump power at 3 km/h

3种典型工况下的仿真结果对比如表5所示。

表5 不同工况下两液压系统泵功率与效率对比Tab.5 Comparison of pump power and efficiency of two hydraulic systems under different working conditions

由仿真结果可得：节流调速系统的效率较低。负载敏感系统的泵能依据外载的变化对泵的排量和压力进行调整，能明显提高系统的效率，大幅度降低系统的功耗。实验过程发现只给一边马达施加负载，另一边马达空载，负载敏感泵耗能与同时给两马达施加负载时相近。

两液压系统的泵功率、系统效率和价格对比如表6所示。

表6 两种系统液压泵功率对比Tab.6 Comparison of hydraulic pump power of two systems

4.4 实验验证

本节将应用实验室的行走机械液压综合实验平台及测控系统验证仿真的可靠性。

1) 实验平台简介

实验台主要由泵模块、马达模块、供油模块与冷却模块组成。基于LabVIEW开发的行走机械液压综合实验平台操作系统具有实时检测和呈现各个元部件的压力、流量等信息的功能。实验平台和测试软件操作系统如图12所示。

图12 实验平台及操作系统Fig.12 Experimental platform and operating system

实验所需的主要元件是负载敏感泵和马达，马达的负载由与之相连的电机施加反向负载实现，实验平台所用的负载敏感泵和液压马达如图13所示。

图13 负载敏感系统主要部件Fig.13 Main components of load sensing system

2) 基于载荷谱的实验验证

将田间实测的负载数据导入实验台测试系统对马达进行加载。3种不同工况下的实验结果如图14所示。实验过程发现只给一边马达施加负载，另一边马达空载，负载敏感泵耗能与同时给两马达施加负载时相近，这与仿真结果相同。

图14 不同行走速度时马达压力、流量、功率图Fig.14 Pressure,flow and power curves of motor at different walking speeds

依据试验结果：1 km/h下的泵的平均功率为10.82 kW，单个马达的平均功率为3.52 kW，马达的总功率为7.04 kW，系统的效率为65%；2 km/h下的泵的平均功率为13.38 kW，单个马达的平均功率为4.75 kW，马达的总功率为9.5 kW，系统的效率为71%；3 km/h下的泵的平均功率为17.44 kW，单个马达的平均功率为6.16 kW，马达总功率为13.32 kW，系统的效率为70.6%。

实验所得的3种典型工况下泵的功率、马达功率和系统效率对比情况如表7所示。

表7 实验结果汇总Tab.7 Summary of experimental results

由表7可知泵的功率和系统的效率与负载敏感系统仿真的结果比较接近，仿真可靠度较高。

液压马达在田间和试验台的转速对比如表8所示。

表8 田间实测与实验台实测的液压马达转速对比Tab.8 Comparison of hydraulic motor speed measured in field and experimental platform

田间试验用的甘蔗联合收割机切断辊液压马达采用节流调速系统驱动，行走机械液压综合实验台采用负载敏感驱动技术。由表8可知，负载敏感系统的速度稳定性更好。

5 结论

本研究基于实际甘蔗收割机田间实测数据，设计了切段辊的节流调速液压系统和负载敏感液压系统。用AMESim软件对2种不同系统进行仿真分析，并用实验平台进行验证，得出如下结论：

(1) 负载敏感系统耗能情况和系统效率明显优于节流调速系统。相同工况下，负载敏感系统液压泵的耗能约为普通系统液压泵的54%，负载敏感系统的效率约为节流调速液压系统效率的1.8倍；

(2) 甘蔗收割机切段辊的2个液压马达所受的外载相差不大，使用负载敏感系统能更充分利用泵的液压能，减少能量的损失，提高系统效率；

(3) 相同工况下，负载敏感系统马达转速稳定性更好；提高负载敏感阀的响应速度，可以进一步改善液压马达的速度稳定性。