王申瑩，胡志超，吳惠昌，彭寶良，謝煥雄，顧峰瑋

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京　210014)

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甜菜收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王申瑩，胡志超，吳惠昌，彭寶良，謝煥雄，顧峰瑋

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京210014)

摘要：隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電液一體化程度以及設(shè)備性能的不斷提高，甜菜收獲機(jī)也逐漸向自動(dòng)化智能化方向發(fā)展。為此，設(shè)計(jì)了甜菜收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)總體機(jī)構(gòu)，確定了系統(tǒng)工作原理。通過(guò)設(shè)計(jì)、計(jì)算分析，確定了液壓元器件的主要結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)。同時(shí)，應(yīng)用AMESim軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析，確定了液壓流量和壓力的取值范圍。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了物理樣機(jī)設(shè)計(jì)和臺(tái)架試驗(yàn)，得出了液壓流量和壓力對(duì)性能指標(biāo)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的影響規(guī)律和趨勢(shì)，以及液壓流量和壓力的最佳取值，即當(dāng)液壓流量為25L/min，供油壓力為18MPa時(shí)，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間最小。

關(guān)鍵詞：甜菜；收獲機(jī)械；自動(dòng)對(duì)行；液壓仿真；AMESim

0引言

甜菜是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，而其生產(chǎn)機(jī)械化卻嚴(yán)重滯后，尤其是收獲作業(yè)主要依靠人工和半機(jī)械化完成。隨著勞動(dòng)力成本的增加及甜菜生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)化、智能化和現(xiàn)代化要求的提高，甜菜收獲機(jī)需要采用自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲技術(shù)，來(lái)解決以前甜菜挖掘收獲中存在的漏挖率高、損失大、需人工再次挖掘、作業(yè)效率低、駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度大及作業(yè)成本高等問(wèn)題[1-3]。其中，液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)是甜菜機(jī)械化收獲自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)的 “手臂”， 液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)選定的合理與否,決定了系統(tǒng)能否及時(shí)地根據(jù)控制信號(hào)將收獲機(jī)挖掘鏟糾偏到位。

本文主要借鑒其他農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械及各行業(yè)領(lǐng)域液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)分析甜菜機(jī)械化收獲自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)的液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)及工作參數(shù)等，應(yīng)用工程系統(tǒng)仿真高級(jí)建模環(huán)境軟件AMESim系統(tǒng)進(jìn)行建模、運(yùn)行仿真和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架試驗(yàn)，以期為甜菜收獲機(jī)械自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1結(jié)構(gòu)與工作原理

甜菜收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)主要由偏離信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)和信號(hào)處理控制系統(tǒng)組成。其中液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由前轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、前轉(zhuǎn)向角度反饋轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、后輪轉(zhuǎn)向角度反饋轉(zhuǎn)換觀察機(jī)構(gòu)、后輪轉(zhuǎn)向角度反饋轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、軟軸及車(chē)架等組成[4-5]。

1.輪胎　2.車(chē)架　3.前轉(zhuǎn)向角度反饋轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)　4.牽引架

收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)偏離信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到甜菜塊根的偏離位移并將信息傳送給控制器后，控制器判斷發(fā)出控制信號(hào)給液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)，前轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)帶動(dòng)車(chē)架做相應(yīng)的左右擺動(dòng)，后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)帶動(dòng)后輪偏轉(zhuǎn)，配合前轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)糾偏。為了防止糾偏過(guò)量，通過(guò)前、后角度角度反饋轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將前、后轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角量由角度傳感器實(shí)時(shí)反饋給控制器。同時(shí)，為了減小收獲機(jī)在地頭掉頭轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑，方便駕駛員觀察后輪的轉(zhuǎn)向及其大小，本文采用了軟軸將后輪轉(zhuǎn)向角度反饋轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)與后輪轉(zhuǎn)向角度反饋轉(zhuǎn)換觀察機(jī)構(gòu)連接起來(lái)，并在觀察機(jī)構(gòu)上標(biāo)示了對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角刻度。

糾偏執(zhí)行系統(tǒng)液壓工作原理圖如圖2所示。其中，三位四通電磁閥為主要控制閥，前轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)液壓缸和后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)液壓缸為動(dòng)作執(zhí)行者。當(dāng)控制器接收到偏離信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的甜菜塊根偏移信號(hào)后，首先判斷并發(fā)出二位三通電磁閥的控制信號(hào)，使高壓油進(jìn)入油路；再判斷甜菜塊根偏移的方向并發(fā)出三位四通電磁閥的控制信號(hào)，動(dòng)作前轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)液壓缸對(duì)挖掘位置進(jìn)行糾偏調(diào)整；同時(shí)控制器判斷發(fā)出三位四通電磁閥的控制信號(hào)，動(dòng)作后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)液壓缸使后輪作相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整糾偏。甜菜收獲機(jī)前進(jìn)的速度及塊根偏移量的不同，轉(zhuǎn)向液壓缸的調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)量也不盡相同，所以增加了二位三通電磁閥和節(jié)流閥。當(dāng)需要放慢調(diào)整速度或精確調(diào)整時(shí)，控制器發(fā)出二位三通電磁閥的控制信號(hào)，使高壓油通過(guò)節(jié)流閥輸送給三位四通電磁閥，使前后轉(zhuǎn)向液壓缸動(dòng)作平穩(wěn)、精確；加入溢流閥是為了保證液壓油路的安全以及油壓的穩(wěn)定。

1.油箱　2.過(guò)濾器　3.液壓泵　4、6.二位三通電磁閥

2液壓元器件的設(shè)計(jì)與選型

由甜菜主產(chǎn)區(qū)調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果可知：液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要糾偏的范圍不大，但需要的力比較大；系統(tǒng)要求響應(yīng)快、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，而對(duì)效率和發(fā)熱量要求不高；系統(tǒng)屬于中小功率，所以本文采用的是閥控液壓缸控制方式。

2.1供油壓力Ps的選擇

適當(dāng)選擇較高的供油壓力，在相同輸出功率條件下，可以減小液壓動(dòng)力元件、液壓能源裝置和連接管道等部件的質(zhì)量和尺寸，以及減小壓縮性容積和油液中所含空氣對(duì)體積彈性模量的影響，有利于提高液壓固有頻率，即系統(tǒng)的響應(yīng)速度；但液壓執(zhí)行器主要規(guī)格尺寸(如液壓缸的活塞面積)減小，不利于液壓固有頻率的提高。選擇較低的供油壓力，可以降低成本，減小泄露、能量損失和溫升，降低噪聲較低，可以延長(zhǎng)使用壽命，易于維護(hù)。本文結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)靈敏性綜合考慮，參考其他土下果實(shí)收獲機(jī)械的研究成果選用農(nóng)業(yè)機(jī)械常用的中壓Ps=18MPa。

2.2液壓缸設(shè)計(jì)

本文采用工程上常用的近似計(jì)算方法確定液壓缸的主要規(guī)格尺寸，即按最大負(fù)載力FLmax確定液壓缸的規(guī)格尺寸。本系統(tǒng)的負(fù)載力由摩擦力Ff、慣性力Fa和外作用負(fù)載Fe組成，系統(tǒng)無(wú)彈性負(fù)載。參考文獻(xiàn)[6-7]，同時(shí)為了簡(jiǎn)化，認(rèn)為摩擦力與速度無(wú)關(guān)。則有

FLmax=Ff+Fa+Fe

(1)

Ff=fMtg

(2)

Fa=Mtamax

(3)

amax=vn2πf-3dB

(4)

式中Mt—運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量(kg)；

g—重力加速度，取g=9.8m/s2；

amax—最大糾偏加速度(m/s2)；

vn—糾偏速度，取vn=8.3×10-2m/s；

f-3dB—常數(shù)，f-3dB=3；

f—摩擦因數(shù)，取f=0.08。

(5)

(6)

式中D—液壓缸活塞直徑(mm)；

d—活塞桿直徑(mm)。

將FL=FLmax=26 996N帶入式(5)，由式(6)計(jì)算得Ap=2.25×10-3m2。則

(7)

按GB/T2348-1993《液壓缸缸內(nèi)徑和活塞桿直徑系列》圓整為d=0.032m=32mm，D=63mm，校核有效面積得

(8)

為了使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)液壓缸伸縮的速度一樣，液壓缸采用雙桿雙作用的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合前后轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸和安裝位置，前后轉(zhuǎn)向液壓缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)

Table 1Structure parameters of hydraulic cylinder

mm

名稱(chēng)結(jié)構(gòu)形式活塞桿直徑缸內(nèi)徑缸外徑行程前轉(zhuǎn)向油缸雙桿雙作用326371250后輪轉(zhuǎn)向油缸雙桿雙作用326371130

2.3電磁閥規(guī)格的確定

電液控制閥是液壓技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合發(fā)展的一類(lèi)液壓閥，是電液控制系統(tǒng)的核心，包括電液伺服閥、電液比例閥和電液數(shù)字閥。電液控制閥的特性、規(guī)格參數(shù)直接影響甚至決定著整個(gè)系統(tǒng)的特性。本文結(jié)合系統(tǒng)性能要求和經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇開(kāi)關(guān)換向閥。

電磁閥的負(fù)載流量按最大速度確定，即

qL=vmaxAP=11.52L/min

(9)

此時(shí)電磁閥壓降pv為

(10)

考慮到泄露等影響，將負(fù)載流量qL放大20%，取qL=13.82L/min。

根據(jù)qL和pv，由電磁閥壓降-流量關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3)，查得額定流量qn為20L/min的電磁閥可以滿足要求?？紤]額定流量、抗污染能力及使用要求等因素，本文采用德國(guó)Comatrol公司的插裝式電磁閥，內(nèi)部原理如圖4所示。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、液阻小、通流能力大、動(dòng)作快及泄漏少等一系列優(yōu)點(diǎn)，具體性能參數(shù)如表2所示。

3AMESim建模與仿真分析

3.1建模與仿真

AMESim(Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems)工程系統(tǒng)仿真高級(jí)建模環(huán)境，是一種基于鍵合圖的高級(jí)系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)態(tài)性能分析軟件。AMESim擁有一套標(biāo)準(zhǔn)且優(yōu)化的應(yīng)用庫(kù)，擁有4 500個(gè)多領(lǐng)域的模型，使工程師可以從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來(lái)，專(zhuān)注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)[8-11]。工程師通過(guò)AMESim從研發(fā)階段開(kāi)始就能對(duì)機(jī)電液一體化智能系統(tǒng)的功能、性能進(jìn)行分析，通過(guò)修改模型和仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真計(jì)算、繪制曲線并進(jìn)行仿真結(jié)果分析，迅速達(dá)到建模仿真的最終目標(biāo)—分析和優(yōu)化工程師的設(shè)計(jì)，從而幫助用戶降低開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期。

由上述分析可知：液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)閥控液壓缸的位置控制系統(tǒng)，通過(guò)甜菜塊根偏離行中心的左右位置控制收獲機(jī)挖掘鏟的左右挖掘位置。因?yàn)榍稗D(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)液壓原理相同，為了簡(jiǎn)化模型，將甜菜收獲機(jī)簡(jiǎn)化為一質(zhì)量塊；液壓缸轉(zhuǎn)向所受的阻力由信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)-力轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生；用電機(jī)模擬變速裝置為液壓泵提供動(dòng)力；用信號(hào)發(fā)生器模擬產(chǎn)生甜菜塊根偏離距離對(duì)應(yīng)的信號(hào)。在AMESim的草圖模式(Sketch mode)中，從機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)和信號(hào)控制庫(kù)中選擇元器件，建立液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)的前轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行分析[12-15]，如圖5所示。

圖3　閥壓降—流量關(guān)系曲線

圖4　插裝閥原理圖

型號(hào)參數(shù)名稱(chēng)閥型式名稱(chēng)額定空載流量Qn/L·min-1額定供油壓力ps/MPa額定驅(qū)動(dòng)電壓Un/VSV10-34-02三位四通換向閥20188SV10-23-01二位三通換向閥40188SV10-21-01可調(diào)溢流閥18(可調(diào))SV10-19-01可調(diào)節(jié)流閥可調(diào)18

圖5　液壓系統(tǒng)仿真模型

在子模型模式(Submodels mode)中根據(jù)實(shí)際情況選擇最簡(jiǎn)子模型作為每個(gè)元件的數(shù)學(xué)子模型；在參數(shù)模式(Parameters mode)中根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)值對(duì)各個(gè)元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。將泵的排量設(shè)置為19cc/rev，轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 000r/min；電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 000r/min；溢流閥壓力設(shè)置為180bar；電磁換向閥固有頻率50Hz，流量20L/min，阻尼率2，額定電流200mA；液壓缸活塞直徑設(shè)置為63mm，活塞桿直徑設(shè)置為32mm，行程設(shè)置為250mm，所連質(zhì)量塊設(shè)置為7 200kg(按裝滿甜菜時(shí)的最大質(zhì)量設(shè)置)；分段信號(hào)源1設(shè)置為常量26 996，則經(jīng)過(guò)信號(hào)到力的轉(zhuǎn)換，液壓缸活塞桿就能得到一個(gè)恒為26 996N的阻力；結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果將給定的期望位移信號(hào)設(shè)置在0～0.1m之間，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸的位移在0～0.25之間。為了提高測(cè)量精度，使給定的期望位移與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際輸出在相同的范圍內(nèi)變化，故將增益3設(shè)置為2.5；分段線性信號(hào)源2設(shè)置為在0～4s內(nèi)由0變化到0.05，在4～8s內(nèi)由0.05變化到0.09，在8～12s內(nèi)由0.09變化到0.06，在12～16s內(nèi)由0.06變化到0并保持不變；其他參數(shù)取默認(rèn)值。

3.2動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

為了保證甜菜收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行收獲的效果，液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的性能指標(biāo)：在運(yùn)行時(shí)間20s內(nèi)，動(dòng)態(tài)跟蹤誤差不超過(guò)0.012 5m，穩(wěn)態(tài)誤差不超過(guò)0.002 5m，即收獲機(jī)挖掘鏟動(dòng)態(tài)位置偏差不超過(guò)0.005m，穩(wěn)態(tài)位置偏差不超過(guò)0.001m。

3.2.1供油壓力的影響

由液壓控制原理可知，系統(tǒng)供油壓力對(duì)系統(tǒng)性能，特別是動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有很大的影響。在液壓系統(tǒng)仿真模型中，通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥開(kāi)啟壓力來(lái)改變系統(tǒng)的供油壓力的大小，觀察液壓缸活塞桿的實(shí)際輸出位移與所給定的期望值之差，找到滿足性能要求的供油壓力范圍。

當(dāng)供油壓力Ps=150bar時(shí)，液壓缸活塞桿實(shí)際位移和期望位移曲線,如圖6所示；實(shí)際位移和期望位移之差曲線，如圖7所示。由此可知，此時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是滿足要求的；但動(dòng)態(tài)誤跟蹤誤差超過(guò)了0.012 5m，不滿足性能指標(biāo)要求。

圖6　實(shí)際位移與期望位移曲線(Ps=150bar)

圖7　實(shí)際位移與期望位移之差曲線(Ps=150bar)

當(dāng)供油壓力Ps=170bar時(shí)，液壓缸活塞桿實(shí)際位移和期望位移曲線如圖8所示，實(shí)際位移和期望位移之差曲線如圖9所示。此時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤跟蹤誤差都滿足性能指標(biāo)要求。

圖8　實(shí)際位移與期望位移曲線(Ps=170bar)

圖9　實(shí)際位移與期望位移之差曲線(Ps=170bar)

調(diào)節(jié)供油壓力PS的值，得到滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的供油壓力在180bar左右。在這個(gè)值附近，位置跟蹤系統(tǒng)具有較好的閉環(huán)跟蹤效果。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試分析得出：PS值越大，響應(yīng)速度越快，動(dòng)態(tài)跟蹤誤差越??；但當(dāng)PS值過(guò)大，其值大于620bar時(shí)，運(yùn)行12s后，跟隨曲線出現(xiàn)超調(diào)，系統(tǒng)存在明顯的振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3.2.2液壓流量的影響

在液壓系統(tǒng)仿真模型中，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)和泵的轉(zhuǎn)速、泵的排量或液壓閥的流量來(lái)改變供給液壓缸的液壓流量的大小，觀察液壓缸活塞桿的實(shí)際輸出位移與所給定的期望值之差，找到滿足性能要求的液壓流量范圍。

當(dāng)液壓流量q=8.55L/min時(shí)，液壓缸活塞桿實(shí)際位移和期望位移曲線如圖10所示，實(shí)際位移和期望位移之差曲線如圖11所示。由此可知，此時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是滿足要求的；但動(dòng)態(tài)誤跟蹤差超過(guò)了0.012 5m，不滿足性能指標(biāo)要求。

當(dāng)液壓流量q=9.50L/min時(shí)，液壓缸活塞桿實(shí)際位移和期望位移曲線如圖12所示，實(shí)際位移和期望位移之差曲線如圖13所示。此時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤跟蹤誤差都滿足性能指標(biāo)要求。

圖10　實(shí)際位移與期望位移曲線(q=8.55L/min)

圖11　實(shí)際位移與期望位移之差曲線(q=8.55L/min)

圖12　實(shí)際位移與期望位移曲線(q=9.50L/min)

圖13　實(shí)際位移與期望位移之差曲線(q=9.50L/min)

調(diào)節(jié)液壓流量q的值，得到滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的供油壓力在12.50L/min左右。在這個(gè)值附近，位置跟蹤系統(tǒng)具有較好的閉環(huán)跟蹤效果。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試分析得出：q值越大，響應(yīng)速度越快，動(dòng)態(tài)跟蹤誤差越??；但當(dāng)q值過(guò)大，其值大于60.00L/min時(shí)，運(yùn)行12s后，跟隨曲線出現(xiàn)超調(diào)，系統(tǒng)存在明顯的振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

4臺(tái)架試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)指標(biāo)

由分析可知，甜菜收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤誤差和穩(wěn)態(tài)誤差越小，系統(tǒng)的靈敏性和穩(wěn)定性就越好，而此時(shí)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間也越小。所以，本文采用系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間作為衡量系統(tǒng)性能的指標(biāo)。

反應(yīng)時(shí)間指甜菜機(jī)械化收獲自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)從檢測(cè)到甜菜塊根偏離到完成糾偏所需要的時(shí)間，計(jì)算公式為

T=T1+T2+T3

(11)

式中T—自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間(s)；

T1—偏離信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)提取時(shí)間(s)；

T2—信號(hào)處理控制系統(tǒng)處理時(shí)間(s)；

T3—液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間(s)。

反應(yīng)時(shí)間體現(xiàn)了系統(tǒng)的靈敏性，在T1和T2相對(duì)固定的情況下，通過(guò)減小液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間T3來(lái)減小系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)靈敏性。

4.2試驗(yàn)設(shè)備和儀器

試驗(yàn)所用設(shè)備主要有4LT-A型甜菜聯(lián)合收獲機(jī)、4LTSYT-A型甜菜機(jī)械化收獲自動(dòng)對(duì)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)和約翰迪爾1054型拖拉機(jī)。

主要器材有：卷尺(量程5m，精度1mm)、福祿克931型轉(zhuǎn)速計(jì)(量程1～19 999r/min，精度±0.02%讀數(shù)+1個(gè)字)、科學(xué)計(jì)算器、福祿克190-102型示波器(2通道，帶寬100MHz，垂直分辨率8bit，最大實(shí)時(shí)采樣速率1.25GS/s，每通道27 500點(diǎn)的記錄長(zhǎng)度)、BM902型萬(wàn)用表。試驗(yàn)時(shí)用蘿卜代替甜菜塊根。

4.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，4LTSYT-A型甜菜機(jī)械化收獲自動(dòng)對(duì)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)放置在4LT-A型甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的挖掘機(jī)構(gòu)和偏離信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的下方，動(dòng)力由控制箱控制變頻電機(jī)提供。4LT-A型甜菜聯(lián)合收獲機(jī)由約翰迪爾1054型拖拉機(jī)牽引并提供動(dòng)力給液壓站，具體位置關(guān)系如圖14所示。

為了測(cè)量系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，將偏離信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器和前轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)反饋傳感器分別接入到示波器的藍(lán)、紅兩通道，如圖15所示。通過(guò)抓取分析兩傳感器的波形，測(cè)量出自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。

圖14　收獲機(jī)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)位置關(guān)系圖

(a)　　　　　　　　　　　　(b)

通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)油門(mén)的大小和液壓電磁閥的溢流閥泄油壓力來(lái)改變液壓流量和供油壓力，如圖16所示。

圖16　供油壓力、流量調(diào)節(jié)

試驗(yàn)時(shí)待其他控制因素各參數(shù)值穩(wěn)定時(shí)，再進(jìn)行測(cè)量及數(shù)據(jù)采集；每個(gè)因素水平重復(fù)試驗(yàn)3次，分別測(cè)定每次反應(yīng)時(shí)間。

4.4試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4和圖17、圖18所示。

由圖17可知：反應(yīng)時(shí)間隨液壓流量的增加而先減少后增加。液壓流量在一定的范圍內(nèi)增加，液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)同樣距離的時(shí)間減小，自動(dòng)對(duì)行速度快，所以反應(yīng)時(shí)間減小；但當(dāng)液壓流量增加到一定程度，超過(guò)了系統(tǒng)所需要的流量后，由于液壓缸的運(yùn)動(dòng)過(guò)快，液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，導(dǎo)致往復(fù)振動(dòng)，所以系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間會(huì)先減小后增加。在流量為25L/min時(shí)，反應(yīng)時(shí)間最小。

由圖18可知：反應(yīng)時(shí)間隨供油壓力的增加也呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)。供油壓力在小于最佳值的范圍內(nèi)增加時(shí)，液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)克服運(yùn)動(dòng)阻力的能力增強(qiáng)，達(dá)到最大阻力值的時(shí)間減小，所以反應(yīng)時(shí)間減?。坏?dāng)供油壓力增加到一定程度，超過(guò)了最佳的供油壓力后，由于壓力過(guò)大，液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，所以系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間會(huì)先減小后增加。在壓力為18MPa時(shí)，反應(yīng)時(shí)間最小。

表3　液壓流量試驗(yàn)結(jié)果

表4　供油壓力試驗(yàn)結(jié)果

圖17　液壓流量對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響

圖18　供油壓力對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響

5結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了自動(dòng)對(duì)行液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，確定了系統(tǒng)的工作原理，并確定了液壓元器件的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)。

2)應(yīng)用AMESim軟件對(duì)自動(dòng)對(duì)行液壓糾偏執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真，并從液壓流量和供油壓力兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析，確定了壓力和流量的取值范圍。在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，得出了壓力和流量對(duì)性能指標(biāo)的影響趨勢(shì)和最佳值。

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Design and Test of Hydraulic Correction Execution System in Automated Row-followed for Beet Harvester

Wang Shenying, Hu Zhichao, Wu Huichang, Peng Baoliang, Xie Huanxiong, Gu Fengwei

(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014,China)

Abstract：As the degree of integration of electro-hydraulic in agricultural machinery and equipment performance continues to improve, Beet harvester has gradually developed to automate intelligent direction.This paper designed the overall structure of hydraulic correction execution system in automated row-followed for beet harvester, and established the system works principle. It also determined the main structure and operating parameters of hydraulic components by designing, calculating and analysising.The paper did system modeling and simulation and dynamic response analysis on the application of software AMESim,determined the range of hydraulic flow and pressure. It designed physical prototype of the system and did bench test,and concluded the rules and trends of the influence of hydraulic flow and pressure on the system response time.And draw out the best value of hydraulic flow and pressure, that is when the hydraulic flow is 25L/min,oil pressure is 18MPa,the system response time is minimum.

Key words：beet； harvesting machinery； automated row-followed； hydraulic simulation； AMESim

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0155-08

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.7+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王申瑩(1986-)，男，安徽蒙城人，碩士，(E-mail)wangshenying365@163.com。通訊作者：胡志超(1963-)，男，陜西藍(lán)田人，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)nfzhongzi@163.com。

基金項(xiàng)目：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(CMS-ASTIP-201X-NRIAM)

收稿日期：2015-02-10