麻芳蘭，林亞洲，董 超，申 科，蔡 力，高建立

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

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小型甘蔗收獲機(jī)切梢裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

麻芳蘭，林亞洲，董 超，申 科，蔡 力，高建立

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

針對(duì)蔗梢在榨糖過程中會(huì)降低甘蔗的出糖率，以及蔗梢部分進(jìn)入甘蔗收割機(jī)物流系統(tǒng)不利于物流系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、堵塞物流通道等問題，在原有物理樣機(jī)上加裝切梢裝置。通過對(duì)切梢裝置運(yùn)動(dòng)要求的分析，設(shè)計(jì)了切梢裝置的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，并用AMESim軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真分析；同時(shí),試驗(yàn)分析了切梢裝置馬達(dá)的動(dòng)態(tài)特性，并得到馬達(dá)在不同狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性變化，驗(yàn)證了方案的可行性；最后,通過田間試驗(yàn)測(cè)試了切梢裝置液壓系統(tǒng)流量及壓力的變化，并獲得了其在田間實(shí)際工作時(shí)消耗的功率。

甘蔗收獲機(jī)；切梢裝置；AMEsim；液壓系統(tǒng)

0 引言

甘蔗的蔗梢部分含糖量較低，還會(huì)在榨糖過程中吸收糖液隨蔗渣及廢物一起排出，降低出糖率[1]。含有蔗葉的蔗梢進(jìn)入物流通道，會(huì)增加物流通道的壓力，加劇物流通道的堵塞情況，同時(shí)還會(huì)影響剝?nèi)~效果，增加含雜率[2]。采用人工去頂?shù)姆椒尚?，但勞?dòng)量大，花費(fèi)時(shí)間多且成本高[3-4]。

國(guó)內(nèi)外專家通過大量試驗(yàn)和理論研究，在甘蔗收獲系統(tǒng)及機(jī)具方面取得豐碩成果[5-13]。Michel L H[14]設(shè)計(jì)了一種全新的甘蔗切梢器，包括框架、對(duì)割刀片和與框架可樞轉(zhuǎn)地連接的偏轉(zhuǎn)刀片。黎家金[15]探索了甘蔗收割機(jī)研制問題，發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)機(jī)切梢裝置不能靈活且快捷地調(diào)節(jié)到合適切割位置。羅廣詞[16]提出運(yùn)用成熟的自動(dòng)控制技術(shù)(如計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別技術(shù))來降低切梢損失率。梁偉[17]研究了甘蔗收割機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，并指出提高蔗梢識(shí)別率和控制切梢精度的趨勢(shì)是采用雙圓盤刀并且增加雙傳動(dòng)錐輥。

本文從實(shí)現(xiàn)甘蔗的切梢及提高甘蔗的物流通過率出發(fā)，以本課題組研發(fā)的小型整桿式甘蔗收獲機(jī)為研究對(duì)象，為其加裝切梢裝置。通過對(duì)切梢裝置運(yùn)動(dòng)要求的分析，進(jìn)行液壓系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)，然后利用AMESim軟件對(duì)設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。通過田間試驗(yàn)對(duì)物理樣機(jī)切梢裝置馬達(dá)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試分析，能夠進(jìn)一步證明設(shè)計(jì)是否合理，以期為小型甘蔗收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)及技術(shù)支持。

1 切梢裝置構(gòu)成分析及動(dòng)作要求

本課題組研發(fā)的小型整桿式甘蔗收割機(jī)如圖1所示。原機(jī)并沒有裝備切梢裝置，這為物流通道及剝?nèi)~程序增加了壓力，收獲機(jī)經(jīng)常會(huì)發(fā)生堵塞的情況。為原樣機(jī)加裝一套切梢裝置，要充分了解切梢裝置的構(gòu)成情況及動(dòng)作要求。

1.壓蔗桿 2.提升缸 3.切割器 4、5.喂入輥 6、7.輸送輥

本文所設(shè)計(jì)的甘蔗切梢裝置由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的圓盤切割器組成，位于駕駛室前部上方，能夠使切除的蔗梢頂端部分掉落到兩邊的壟溝里。經(jīng)過田間實(shí)地測(cè)量發(fā)現(xiàn)：甘蔗高矮不一，要得到合適的切梢長(zhǎng)度，切割臺(tái)必須可以上下垂直調(diào)節(jié)。因此，切梢裝置至少得滿足3種類型的運(yùn)動(dòng)：切割器正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、切割器轉(zhuǎn)動(dòng)且升降臺(tái)上下調(diào)節(jié)同步運(yùn)動(dòng)、切割臺(tái)上下調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)。切割器的正反轉(zhuǎn)可以由兩個(gè)液壓馬達(dá)來帶動(dòng)，切割臺(tái)的上下調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)則可通過一個(gè)一定行程的液壓缸來實(shí)現(xiàn)。液壓系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖2所示。

圖2 甘蔗切梢裝置的液壓系統(tǒng)構(gòu)成圖

cane top cutting device

2 切梢裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

切梢裝置液壓系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)切割的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，還必須考慮速度調(diào)節(jié)控制、卸荷控制、鎖緊控制及制動(dòng)控制的設(shè)計(jì)。

2.1 馬達(dá)調(diào)速方案

鑒于切梢裝置馬達(dá)并沒有大功率的要求，切梢裝置的馬達(dá)調(diào)速方案宜采用中小功率的節(jié)流調(diào)速回路。節(jié)流調(diào)速回路一般有3種：進(jìn)油口節(jié)流調(diào)速回路、出油口節(jié)流調(diào)速回路及旁路節(jié)流調(diào)速回路。其中，進(jìn)油口節(jié)流調(diào)速回路多用于速度剛性要求不高和輕載的回路；出油口節(jié)流調(diào)速回路由于節(jié)流閥安裝在出油口，對(duì)執(zhí)行元件有背壓效果，速度穩(wěn)定性好，多用于負(fù)載變化大的系統(tǒng)中；旁路節(jié)流調(diào)速回路是將節(jié)流閥安裝于旁路來調(diào)節(jié)油路的流量，速度負(fù)載特性較差，但效率較高，適用于調(diào)速范圍小的高速重載液壓系統(tǒng)。綜合考慮系統(tǒng)的速度特性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，調(diào)速方案選擇采用溢流節(jié)流閥的節(jié)流調(diào)速回路。此方案速度穩(wěn)定性高，系統(tǒng)發(fā)熱小，且在功率的運(yùn)用上較為合理，如圖3所示。

圖3 溢流節(jié)流閥的節(jié)流調(diào)速回路

2.2 馬達(dá)制動(dòng)方案

切梢裝置擁有能夠?qū)崿F(xiàn)正反裝的兩個(gè)馬達(dá)，所以制動(dòng)回路要對(duì)兩馬達(dá)實(shí)現(xiàn)雙向制動(dòng)，采用溢流閥的制動(dòng)回路可以實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。制動(dòng)回路的運(yùn)用旨在對(duì)油路中的異常高壓做出迅速反應(yīng)，達(dá)到減少?zèng)_擊和縮短制動(dòng)時(shí)間的效果。圖4中的制動(dòng)回路是在馬達(dá)的兩側(cè)回路上設(shè)置小型直動(dòng)式溢流閥，與單向閥形成并聯(lián)關(guān)系，能夠達(dá)到制動(dòng)效果。如換向閥向左換向，系統(tǒng)壓力會(huì)增加，當(dāng)壓力超過左側(cè)溢流閥壓力，溢流閥會(huì)打開，對(duì)液壓沖擊起到緩和作用，右側(cè)的單向閥則起到補(bǔ)油的作用。兩側(cè)的溢流閥的調(diào)定壓力值一般要比主油路上的溢流閥壓力值高5%～10%。

圖4 切梢裝置馬達(dá)制動(dòng)方案

2.3 切梢裝置卸荷回路

甘蔗收割機(jī)的整機(jī)液壓系統(tǒng)由多個(gè)泵同時(shí)工作來帶動(dòng)，這些泵則由發(fā)動(dòng)機(jī)通過分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)。頻繁的啟動(dòng)停止會(huì)影響泵的使用壽命，液壓泵要連續(xù)工作就必須考慮卸荷，使液壓泵輸出的流量在壓力低的情況下流回油箱，降低系統(tǒng)發(fā)熱。此裝置采用換向閥中位機(jī)能的卸荷回路，能夠滿足使用要求，如圖5所示。

圖5 換向閥中位機(jī)能卸荷回路

2.4 液壓缸鎖緊控制

要使切梢裝置液壓缸在行程內(nèi)任意位置停止且不出現(xiàn)上下竄動(dòng)的現(xiàn)象，就必須使用鎖緊回路。收割機(jī)在田間行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)大幅度的晃動(dòng)，在自身質(zhì)量以及晃動(dòng)的雙重作用下，液壓系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生液壓沖擊，為避免切梢裝置超速下滑，在液壓提升回路運(yùn)用雙向液壓鎖雙向鎖緊。升降裝置液壓系統(tǒng)如圖6所示。

1.液壓泵 2.安全閥 3.換向閥 4.雙向液壓鎖 5.切梢裝置升降液壓缸

2.5 切梢裝置液壓系統(tǒng)

切梢裝置切割器的液壓系統(tǒng)由馬達(dá)調(diào)速回路、制動(dòng)回路和卸荷回路整合而成，如圖7所示。

1.液壓泵 2.安全閥 3.換向閥 4.溢流節(jié)流閥 5.切梢裝置馬達(dá)

此方案速度剛性好，制動(dòng)靈敏，中位機(jī)能的卸荷回路能很好地降低系統(tǒng)發(fā)熱，滿足使用的要求。切梢裝置位于駕駛臺(tái)的前部上方，如圖8所示。

1.甘蔗 2.扶分蔗葉裝置 3.切梢裝置

3 切梢裝置液壓系統(tǒng)仿真分析

3.1 切梢裝置馬達(dá)液壓系統(tǒng)建模

根據(jù)前文得出的切削液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖，在AMEsim平臺(tái)對(duì)切梢裝置馬達(dá)系統(tǒng)和提升系統(tǒng)建模，如圖9、圖10所示。

圖9 切梢裝置馬達(dá)液壓系統(tǒng)仿真模型

圖10 切梢裝置提升液壓系統(tǒng)仿真模型

3.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)課題組相關(guān)文獻(xiàn)[18]，切頂時(shí)切割器轉(zhuǎn)矩為17.2N·m，工作壓力為6MPa，轉(zhuǎn)速為1 000r/min,切頂效果較好。由理論計(jì)算得到主要元件的參數(shù)，計(jì)算公式為

q=P×60/p

(1)

v=q×1000/n

(2)

(3)

其中，q為流量(L/min)；V為排量(mL/r)；T為轉(zhuǎn)矩(N·m)；p為壓力(MPa)；n為轉(zhuǎn)速(r/min)；P為功率(W)；W為角速度(rad/s)。

參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 切梢裝置技術(shù)參數(shù)

3.3 仿真結(jié)果與分析

3.3.1 切梢裝置馬達(dá)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

設(shè)置仿真時(shí)間20s，馬達(dá)先空載運(yùn)行10s，然后施加負(fù)載，可以觀察到馬達(dá)動(dòng)態(tài)特性的變化，如圖11～圖14所示。設(shè)置由空載狀態(tài)變?yōu)樨?fù)載情況下的仿真參數(shù)，應(yīng)該根據(jù)在有負(fù)載的情況下馬達(dá)實(shí)際可以輸出的轉(zhuǎn)矩，利用分段信號(hào)源參數(shù)來設(shè)置。

圖11 切梢裝置馬達(dá)無負(fù)載轉(zhuǎn)為負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速

圖12 切梢裝置馬達(dá)無負(fù)載轉(zhuǎn)為負(fù)載時(shí)流量

圖13 切梢裝置馬達(dá)無負(fù)載轉(zhuǎn)為負(fù)載時(shí)工作壓差

圖14 切梢裝置馬達(dá)無負(fù)載轉(zhuǎn)為負(fù)載時(shí)輸出扭矩

前10s為空載工況下的曲線圖，在經(jīng)過一定時(shí)間的波動(dòng)后，馬達(dá)的速度穩(wěn)定在540r/min左右，流量變化與轉(zhuǎn)速變化相關(guān)聯(lián)，最終穩(wěn)定在120L/min左右；10s時(shí)為馬達(dá)加負(fù)載，馬達(dá)轉(zhuǎn)速會(huì)經(jīng)過短暫的下降階段、上升階段和波動(dòng)階段；12s左右回重新穩(wěn)定在540r/min，流量變化與速度變化關(guān)聯(lián)，變化情況也類似，最后也穩(wěn)定在120L/min。這說明，切梢裝置的液壓系統(tǒng)速度剛性較好，調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足工作要求。由于馬達(dá)輸出扭矩與工作壓差存在的聯(lián)系，工作壓差和輸出扭矩的變化相似。在10s加入負(fù)載后，馬達(dá)扭矩與工作均瞬間提高，波動(dòng)一段時(shí)間后工作壓差穩(wěn)定在6.2MPa左右，輸出扭矩則穩(wěn)定在78N·m左右。該裝置的速度、扭矩均滿足使用要求，設(shè)計(jì)可行。

3.3.2 切梢裝置升降缸仿真分析

液壓缸的仿真時(shí)間設(shè)置為10s，結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖15 切梢裝置提升位移圖

圖16 切梢裝置上升速度圖

升降裝置啟動(dòng)后，速度會(huì)經(jīng)過短暫的波動(dòng)，最后穩(wěn)定在0.046m/s附近。5.5s后，速度瞬間降為0，與上升速度相對(duì)應(yīng)，上升運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng)；位移保持不變，說明提升裝置到達(dá)最大行程，為0.25m。下降時(shí)的過程與上升過程類似，說明升降系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)合理，滿足使用要求。

4 切梢裝置液壓系統(tǒng)試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證切梢裝置工作的穩(wěn)定性，對(duì)加裝切梢裝置的樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，在此過程中，可以驗(yàn)證仿真的正確性，同時(shí)能夠測(cè)得馬達(dá)的壓力、流量等參數(shù)，還能得到切梢裝置的功率。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

測(cè)量?jī)x器包括HM20通用型壓力變送器及CT150-V-B-B-6流量傳感器，此外還有24V直流電源、轉(zhuǎn)速表及武漢優(yōu)泰UT3004S采集器及配套力學(xué)試驗(yàn)與應(yīng)變分析軟件等相關(guān)器材，如圖17所示。廣西久隆甘蔗實(shí)驗(yàn)田為本次試驗(yàn)的地點(diǎn)，試驗(yàn)的甘蔗為粵糖159型，甘蔗密度為4～7株/m，直徑約20～30mm，壟高介于100～250mm，壟距為1 200mm。

圖17 試驗(yàn)所用設(shè)備

4.2 動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)方案

在甘蔗收割機(jī)切梢裝置馬達(dá)的進(jìn)油口安裝流量傳感器和壓力傳感器，測(cè)量馬達(dá)在啟動(dòng)、空載和停止時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，采集卡的作用是收集壓力信號(hào)并導(dǎo)出壓力變化曲線。

4.3 動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖18為在1次測(cè)量中切梢馬達(dá)的壓力變化曲線。

切割器馬達(dá)啟動(dòng)后壓力瞬間升高，再下降至工作壓力附近，2.5s左右后穩(wěn)定在6.1MPa左右。得益于M型中位機(jī)能換向閥馬達(dá)制動(dòng)后壓力瞬間降為0。馬達(dá)動(dòng)態(tài)特性曲線與仿真時(shí)得到的結(jié)果基本相當(dāng)，驗(yàn)證了仿真的正確性。

4.4 田間試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

在田間進(jìn)行甘蔗收割試驗(yàn)，每組按10m進(jìn)行收割，一共3組，通過采集卡記錄其壓力及流量的值。此處給出第1組的試驗(yàn)結(jié)果，如圖19所示。

圖19 第1壟切割器切梢裝置液壓系統(tǒng)壓力及流量變化曲線圖

由采集卡采集到的壓力及流量變化值，可以歸納出切梢裝置田間試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 切割器及切梢裝置田間試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出：切梢裝置的平均功率為6.85kW，這是由于在實(shí)際設(shè)計(jì)樣機(jī)的液壓回路時(shí)，將切割器和切梢裝置的油路集成在一起，共用一個(gè)回路所致。由課題組研究可知[19]，切割器的功率在4kW左右，因此切梢裝置的功率應(yīng)該在2.85kW左右，滿足實(shí)際工作要求。

5 結(jié)論

針對(duì)切梢裝置的運(yùn)動(dòng)要求，理論上設(shè)計(jì)了包括有速度控制、卸荷控制、鎖緊控制和制動(dòng)控制的切梢裝置液壓系統(tǒng)。在AMEsim對(duì)切梢裝置液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)可行。實(shí)地測(cè)量了切梢裝置馬達(dá)的動(dòng)態(tài)特性，與仿真所得結(jié)果基本相當(dāng)，驗(yàn)證了仿真的正確性，獲得切梢裝置功率為2.85kW。

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Design and Test of the Hydraulic System of the Top Cutting Device for Small Sugarcane Harvester

Ma Fanglan， Lin Yazhou， Dong Chao， Sheng Ke， Cai Li, Gao Jianli

(College of Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Cane top will reduce the rate of sugar in the process of sugar refining, and cane top part in the logistics system of sugarcane harvester is not conducive to the normal operation of the logistics system, for these problems, assemble a cane top cutting device on the original physical prototype. By analyzing the motion requirement of the top cutting device, design the the hydraulic transmission system, and use AMEsim software to simulate the system. Test and analysis the dynamic characteristics of the motor of the top cutting device and get the changes of the dynamic characteristics of the motor under different work conditions, and the feasibility of the scheme is verified. At last, the flow and pressure of the hydraulic system of the cutting device are tested by field experiments, and obtain the power consumption of the system is.

sugarcane harvester; cane top cutting device; AMEsim; hydraulic system

2016-03-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465004)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014GXNSFAA118381)；廣西理工科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心項(xiàng)目(YXKT2014011)

麻芳蘭(1976-)，女，廣西橫縣人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)1214293297@qq.com。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)04-0055-07