基于负载敏感的山地液压收割机工作回路性能仿真分析

罗艳蕾，邓行，穆洪云，杜威

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)

0 前言

我国山地面积约占全国陆地总面积的33%，山地地区的耕地面积占我国耕地面积的比重很大，实现山地农作物机械自动化收割至关重要。收割机作为农作物收割的自动化机器，对实现我国农业机械化的目标意义重大。收割效率高的收割机往往可以降低农民劳动量和增加收益。然而现在的收割机大多都是在平原地带设计使用，山地收割机的研发和应用较为稀缺。

平原地带采用的收割机工作环境大多为平地，地形简单；而山地采用的收割机工作环境复杂多变，收割机在山地作业时耕地的坡度大且地形复杂。山地液压收割机在工作时会出现爬坡作业和下坡作业等复杂工况，这就要求收割机在多种复杂工况下确保工作回路不受行走回路的影响，持续稳定工作。山地收割机的核心是工作回路的设计，工作回路的稳定性直接影响着收割机的工作质量。

负载敏感技术因具有很好的经济性、可靠性和先进性，近年来被广泛应用于农业机械的液压控制系统。基于负载敏感技术所设计的系统能够感受系统压力流量的需求，然后控制油泵仅提供需要的流量和压力。负载敏感系统中采用的液压源通常是定量泵或变量泵，使用定量泵的负载敏感系统是通过控制系统压力来改变流量的大小，而使用变量泵则是通过控制变量泵的排量来改变流量的大小。将使用变量泵的负载敏感系统应用到山地液压收割机上，使工作回路效率提高且更加容易控制。

1 山地收割机液压系统工作原理分析

山地液压收割机的工作回路主要由收割刀机构的旋转和升降2个动作组成，收割机的设计和工作要求是在它工作过程中能确保这2个动作同时进行且互不干涉。此研究基于负载敏感技术设计出一套山地液压收割机液压系统回路，其原理如图1所示。在该回路中，液压缸14控制收割刀机构的升降，马达15控制收割刀机构的旋转，实现单独运行，互不干涉。先导泵5通过先导阀17为先导控制手柄16提供先导油液，再通过先导控制手柄控制电液多路阀10的阀芯位移，调节阀开口大小。压力补偿阀13保证执行机构和多路阀之间压力差恒定，压力补偿阀13与单向阀12并联保证工作回油。压力补偿阀13位于电液多路阀10后，采用阀后补偿。回路中通过梭阀11先比较出各回路中的最大负载压力，再通过梭阀比较出收割刀机构旋转和升降回路中的最大负载压力，然后传递给负载敏感阀9的弹簧腔。通过负载敏感阀的阀芯受力平衡控制变量泵4的输出，使变量泵提供的流量在满足两执行机构工作的同时确保压力始终比两执行机构的最大负载压力高出一个常数值。

图1 山地收割机工作回路原理

先导控制手柄通过控制电液多路阀开口大小来控制收割机的动作。当单独操控收割机某一回路的先导控制手柄时，可单独实现收割刀机构的升降或旋转动作。当同时操控收割机两回路中的先导控制手柄时，可实现收割刀机构升降和旋转的复合动作。

2 山地收割机液压系统建模

为研究所设计的收割机工作回路是否满足其设计和工作要求，根据图1在液压仿真软件AMESim中搭建出山地收割机的工作回路仿真模型，如图2所示，为后面分析不同工况下液压系统的输出特性做好准备。仿真模型的主要数据如表1所示。

图2 山地收割机工作回路仿真模型

表1 山地收割机工作回路仿真模型主要数据

3 山地收割机液压系统特性分析

3.1 变负载工况系统特性分析

由于山地液压收割机的工作地点大多为山丘以及不平坦的土地，要求收割机在变负载的工况下正常运作。在图2所示的仿真模型中，设置执行机构液压缸的外负载力在0～4 s内从0增加到26 000 N，执行机构马达的外负载转矩在0～4 s内从0增加到40 N·m，以此来模仿负载变化的工况。将多路阀的最大阀芯位移设置为0.5 mm，并且给予信号为40 mA使多路阀阀芯位移为0.5 mm，研究该液压系统的响应。系统设置仿真时间为4 s，模型仿真得到液压缸和马达回路中多路阀前、后压力与流量曲线如图3所示。

图3 多路阀开口前后压力与流量曲线

由图3可知：当升降液压缸回路外负载力逐渐增加时，多路阀前后压力初始处于波动状态，波动过后开始线性升高，并且多路阀前后压力差始终保持恒定；当回转液压马达回路外负载转矩逐渐增加时，多路阀前后压力起初处于波动状态，波动过后开始线性升高，并且多路阀前后压力差始终保持恒定。在图3中，多路阀阀芯位移不变时，两执行机构回路中流过多路阀的流量刚开始处于波动状态，波动过后流量大小基本保持不变。分析可得：各回路流过多路阀的流量与执行机构所受外负载无关。

3.2 突变负载工况特性分析

由于山地液压收割机的工作环境复杂，因此要分析执行机构受突变负载工况。设定执行机构液压缸的外负载力在0～3 s内为26 000 N，在3～4 s内增加到40 000 N；执行机构马达的外负载转矩在0～3 s内为40 N·m，在3～4 s内增加到80 N·m，模拟执行机构所受负载突增的工况。系统设置仿真时间为6 s，执行机构所受负载突增时多路阀流量曲线如图4所示。

图4 执行机构所受负载突增时多路阀流量曲线

设定执行机构液压缸的外负载力在0～3 s内为26 000 N，在3～4 s内降低到13 000 N；执行机构马达的外负载转矩在0～3 s内为40 N·m，在3～4 s内降低到20 N·m，模拟执行机构所受负载骤降的工况。系统设置仿真时间为6 s，执行机构所受负载骤降时多路阀流量曲线如图5所示。

图5 执行机构所受负载骤降时多路阀流量曲线

分析图4可知:当两执行机构外负载急剧上升时，液压缸回路多路阀流量也明显上升，液压马达回路多路阀流量下降，随后与外负载一样保持恒定；分析图5可知:当两执行机构外负载急剧下降时，多路阀流量变化不明显。

3.3 多路阀不同开口工况系统特性分析

为研究多路阀开口不同的工况，分别给予多路阀信号值为25、30、35、40 mA，使多路阀的阀芯位移为0.312 5、0.375、0.437 5、0.5 mm，进而模拟改变多路阀开口量大小。设置执行机构液压缸的外负载力在0～4 s内从0增加到26 000 N，执行机构马达的外负载转矩在0～4 s内从0增加到40 N·m，研究2个执行机构处于多路阀不同阀芯位移量下的系统特性。仿真时间设为4 s，得到多路阀不同阀芯位移量的流量曲线如图6所示。

图6 多路阀不同阀芯位移量时流量曲线

分析图6可知:各多路阀的流量大小和多路阀阀芯位移量成正比关系。

3.4 流量饱和工况系统特性分析

当山地液压收割机处于下坡状态工作时，收割机行走速度加快，导致行走马达所需的流量增大，而流向工作执行机构的流量减少，导致收割机工作执行机构所需的流量不足，出现系统流量饱和的情况。为研究文中所设计的山地收割机系统是否具有抗流量饱和功能，将上述所搭建的AMESim仿真模型改变动力源转速来模拟收割机下坡状态工作导致的流量饱和工况。设定液压缸在0～8 s内外负载力为26 000 N；液压马达在0～8 s内外负载转矩为40 N·m；两处回路多路阀信号在0～8 s内为40 mA；动力源在0～4 s内转速为1 700 r/min，在4～5 s内下降到1 300 r/min，在5～8 s内转速为1 300 r/min。仿真时间设置为8 s，得到流量饱和后多路阀前后压差如图7所示；流量饱和后各处流量曲线如图8所示；流量饱和后各处速度曲线如图9所示。

图7 流量饱和后多路阀前后压差曲线

图8 流量饱和后各处流量曲线

图9 流量饱和后各处速度曲线

分析图7—图9可知，系统在第5 s达到流量饱和状态。液压缸回路多路阀在0～4 s内前后压差为3.6 MPa，在流量饱和后压差为2.5 MPa；液压马达回路多路阀在0～4 s内前后压差为2.3 MPa，在流量饱和后压差为1.6 MPa。当液压泵供给的流量从117 L/min下降到91 L/min时，液压缸的流量从61 L/min下降到51 L/min，液压马达的流量从48 L/min下降到40 L/min;液压缸的速度从0.16 m/s下降到0.13 m/s，液压马达转速从800 r/min下降到664 r/min。分析数据可知：在发生流量饱和后，液压缸和液压马达的流量减小，其速度也相应减小到一定值之后保持稳定，且两执行机构的流量大小和多路阀前后压差大小成正比关系。因此可以得出所设计的山地收割机工作回路具有抗流量饱和能力，稳定特性优良,且各执行机构能独立运行，互不干涉。

4 结论

本文作者设计出山地液压收割机的工作回路，利用AMESim软件搭建出仿真模型。分别分析了收割机液压系统在变负载工况、突变负载工况、不同开口多路阀工况和流量饱和工况下系统的不同输出特性。仿真结果表明：该液压系统既能实现各执行机构的独立运行，互不干涉，又可以实现复合动作，能够依据收割刀机构的升降和旋转所需的不同负载等比例分配所需的流量，提升了山地收割机在工作过程中的效率。且在该系统中，收割机执行机构所需的流量大小取决于多路阀开口量的大小，与外界负载无关。收割机工作系统在发生流量饱和时，系统会根据各执行机构回路中多路阀的前后压差来按比例分配变量泵所输出的流量，保证各执行机构不受流量饱和的影响，仍可以持续正常工作，系统的稳定特性优良。所设计的变流量阀后补偿负载敏感系统能实现山地液压收割机的工作需求，为基于负载敏感技术的山地收割机工作回路设计提供了理论依据。