新型采棉机液压系统能量回收仿真研究

边鑫磊，买买提明·艾尼，尼加提·玉素甫

(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)

0 前言

在实际采棉过程中，为防止采棉机采摘头中滚筒、脱棉刷以及相关工作部件出现卡死不转等故障，设计了采棉头间距控制液压系统，将两组对用的采棉头分离，拉开距离以防止采摘头摘锭刮擦棉株、破坏棉田[1]。在棉箱集棉完成时，双液压缸驱动焊接在棉箱上的四连杆机构驱动棉箱翻转。与此同时，利用蓄能器将采棉箱翻转下降时的重力势能回收[2]，用于驱动采棉头防卡系统中的液压缸运动，调节一对采棉头之间的间距，达到保护采棉装置的目的，提升采棉机安全采棉时间，降低采棉头卡死的故障率。通过MATLAB和AMESim对采棉头防卡液压系统进行仿真，仿真结果表明系统压力和流量均满足要求。

1 牵引式新型采棉机总体结构

牵引式新型采棉机整体结构如图1所示。

其牵引动力由东方红LX-1304大功率拖拉机提供，并且在采棉的实际工况中，为提高采棉机性能对拖拉机结构进行一些改进。此新型采棉机基本结构由车架、采棉头、风机、采棉箱、液压系统等基本部件组成。棉箱由2个同步运动的液压缸驱动，在棉箱翻转卸棉过程中,将棉箱的重力势能收集进蓄能器[3]，为采棉头防卡油缸提供动力。采棉头由2个相同的垂直摘锭组成，安装在导轨式升降架上，当采棉过程摘锭中滚筒、脱棉刷等发生故障时，蓄能器中高压油通过单个独立工作的液压缸控制3组采棉头间距，进而达到节约能源的目的[4]。新型采棉机主要技术参数如表1所示。

表1 新型采棉机主要技术参数

2 液压系统

根据采棉机采棉工作要求，采棉机液压驱动原理如图2所示。

图2 采棉机液压驱动原理

2.1 液压缸的选择

棉箱翻转液压系统由2个液压缸同步工作，在极限工况下液压缸的推力：

(1)

式中：F为液压缸推力；m为棉箱箱体质量；m1为棉箱满载时棉花质量。

液压缸缸筒直径：

(2)

式中：ηm为液压缸效率；p1为进油路初选压力，取16 MPa；p2为回油路背压，取0.5 MPa；φ为杆径比，取0.7。

求得采棉箱翻转液压缸直径D为79.78 mm,按GB/T 2348—1993,经计算圆整后的采棉箱翻转液压缸缸筒直径D为80 mm、活塞杆直径d为55 mm。液压缸活塞行程为50 mm。采棉头防卡液压缸计算选型过程同棉箱翻转液压缸[5]，表2所示为棉箱翻转液压缸和防卡液压缸参数。

表2 新型采棉机主要技术参数

2.2 蓄能器的选择

对防卡液压系统中蓄能器进行选型，选取供油平均压力为4 MPa[6]。设计要求为蓄能器最小供油量大于液压缸活塞完成一个行程循环的液压油容积:

(3)

式中：D为转向液压缸活塞直径；d为液压缸活塞杆直径；L为液压缸活塞杆行程。

要求采棉头防卡液压系统的蓄能器在正常工况下具备大于防卡油缸一个循环动作所需求的能量。采棉头防卡液压缸活塞直径为32 mm，活塞杆直径为18 mm，行程取300 mm。计算得蓄能器能提供3个防卡油缸正常工作的最小有效容积ΔV=0.813×3=2.44 L，选取最小有效容积的3倍作为转向蓄能器的有效体积，即7 L。

(4)

式中：V0为蓄能器体积(L)；p0为蓄能器充气压力，取3.5 MPa;p1为蓄能器最低工作压力,取4 MPa；p2为蓄能器最高工作压力,取7 MPa；n为气体多变指数，绝热时为1.4。

选取蓄能器供油压力最大值为7 MPa,由式(4)得出蓄能器体积为23.33 L[7]。

2.3 液压泵的选择

液压泵的工作压力pB应满足：

pmax≥pg+∑Δp

(5)

液压泵的工作流量：

QB>K(∑Q)max

(6)

其中:pg为系统工作压力;∑Δp为压力损失; ∑ΔQ为节能系统各执行元件最大流量;pmax为系统最大工作压力,为16 MPa。棉箱翻转液压缸流量为18.1 L/min、采棉头防卡液压缸流量为4.35 L/min、棉花压实液压系统流量为2.9 L/min，因此液压泵最大输出流量大于等于25.35 L/min。

3 液压系统建模与仿真分析

3.1 棉箱翻转2DMechanical杆组仿真模型

棉箱结构如图3所示。应用AMESim中2DMechanical搭建杆组仿真模型如图4所示，为使棉箱质量参数更贴近实际工况，将用等效力矩法求得的棉箱质量输入到2DMechanical仿真模型三节点刚体模型中。

图3 棉箱结构 图4 集棉箱平面连杆结构

液压缸作为棉箱翻转机构的动力源，通过带动图3中平面转动机构完成卸棉动作。刘念等人[8]利用等效力矩法，将液压缸驱动平面连杆机构所承载的全部负载转换为等效质量和等效阻尼系数：

(7)

(8)

根据式(7)，平面转动负载折算后的棉箱等效质量为5 400 kg。棉箱卸棉过程中的位置变化如图5—图6所示。图7所示为棉箱2D机械库模型。图8所示为棉箱翻转受力曲线，可知：在0.5～5.5 s内，棉箱翻转液压缸活塞杆伸出，棉箱侧翻时液压缸受力为3.82～9.67 kN；5～15 s内，换向阀处于中位，采棉箱处于卸棉状态，液压缸锁死不动；20～24.5 s内，液压缸活塞杆缩回，棉箱复位时翻转液压缸受力为4.92～11.24 kN。

图5 棉箱卸棉起始位置 图6 棉箱卸棉终止位置

图7 棉箱2D机械库模型 图8 棉箱翻转受力曲线

3.2 液压系统建模

使用AMESim对节能液压系统进行建模[9]，如图9所示，执行元件模型参数如表3所示。

图9 采棉机节能液压系统模型

表3 仿真模型主要参数

3.3 系统仿真结果分析

以棉箱翻转一个循环工况为例进行分析，在卸载棉花时，收集采棉箱下降一次过程中蓄能器的重力势能。如图10—图15所示，分别为棉箱翻转液压缸活塞位移曲线、活塞速度、蓄能器压力、蓄能器体积、采棉头防卡液压缸活塞位移、采棉头防卡液压缸活塞速度的变化曲线。

图10 棉箱翻转液压缸活塞位移曲线 图11 棉箱翻转液压缸活塞速度曲线

图12 蓄能器压力曲线 图13 蓄能器体积曲线

图14 采棉头防卡液压缸活塞位移曲线 图15 采棉头防卡液压缸活塞速度曲线

由图10和图11可知：在0～5 s内，棉箱翻转液压缸活塞杆以0.099 m/s的速度伸出，棉箱下降；在5～15 s内，换向阀处于中位，采棉箱处于卸棉状态，液压缸锁死不动；在15～24.5 s内，液压缸活塞杆以0.053 m/s的速度缩回，棉箱复位。可见，引入了能量回收系统的棉箱翻转卸棉运动状态平稳无异常。

由图12和图13可知：棉箱下降时蓄能器压力5 MPa逐渐增加到5.58 MPa，体积由23 L逐渐减小到21.9 L；当防卡系统位置不变时，蓄能器的压力和体积分别稳定在5.58 MPa和21.9 L；当采棉头防卡油缸两次往返工作后，蓄能器处于释放状态，压力逐渐减小，体积逐渐增大。可见，蓄能器有效地完成了棉箱卸棉时势能的回收存储以及防卡油缸工作时回收能量的释放。

由图14和图15可知：在0～30 s内，采棉头防卡油缸稳定不动，此时蓄能器收集能量，采棉箱处于一个卸棉循环状态；在30～34 s内，采棉头液压缸活塞杆以0.082 m/s的速度伸出，采棉头摘锭分离；在39.5～43 s内，液压缸活塞杆以0.088 m/s的速度缩回，摘锭间距减小；在43.5～46 s内，采棉头液压缸活塞杆以0.078 m/s的速度第二次伸出，活塞行程达到0.2 m，蓄能器能量不足以支持3个液压缸活塞运动至端点；53.5～57.5 s内，液压缸活塞杆以0.049 m/s的速度缩回，摘锭复位。

当蓄能器压力在5～5.58 MPa内变化时，由图16可知：防卡油缸在工作时两腔最大的压力为5.3 MPa，没有超过系统最大工作压力7 MPa的要求；在液压缸执行快进动作的前0.2 s，液压缸两腔压差有一定的波动，0.2 s后两腔压差稳定在0.8 MPa，压力损失较小。图17所示为防卡液压缸有杆腔和无杆腔的流量变化曲线，可知：液压缸执行快进动作时前0.2 s，无杆腔流量有一定的波动，0.2 s后无杆腔入口流量稳定在3.96 L/min、有杆腔出口流量稳定在2.73 L/min。

图16 防卡液压缸无杆腔和有杆腔压力曲线 图17 防卡液压缸无杆腔和有杆腔流量曲线

4 结论

针对采棉箱卸棉过程中大量能量消耗在单向节流阀等回路中的问题，本文作者设计了能量回收方案，并且将回收的能量用于驱动采棉头防卡液压机构。由于防卡机构在实际工况中工作次数少并且所需能量低，通过仿真与试验研究得到该方案可保证采棉箱在翻转卸棉过程中减小油缸活塞速度波动并且具有可控性。

采棉箱翻转一个循环过程中可供3个防卡液压缸同时进行2次有效工作循环、供单个防卡油缸往返4次以上。在动作转换时，液压系统的流量和压力波动较小，满足设计要求。所设计的棉箱能量回收利用方案在节能性上具有可行性。对能量回收利用采棉头动力系统中的液压马达、液压泵和采棉机行进速度的参数匹配及优化可开展进一步的研究。