高冬冬，木合塔爾·克力木

(新疆大學 機械工程學院，新疆 烏魯木齊830047)

0 引言

新疆是我國重要的棉花種植基地[1,2].每到采棉季節(jié)需要投入大量的勞動力，人工采棉速度緩慢且成本較高.為了降低勞動力成本、提高棉花采摘的效率和質量，設計和優(yōu)化采棉機具有重要意義.前人已應用AMESim進行了相關機械的設計與仿真分析，如：劉昕暉[3]等應用AMESim對液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計、液壓元件系列開發(fā)、聯(lián)合仿真等；劉祚時[4]等利用AMESim 對磨機換襯板機械手液壓系統(tǒng)進行模型搭建，并分析和優(yōu)化了系統(tǒng)控制精度；成夢圓[5]等利用AMESim對盤型制動器液壓系統(tǒng)進行了仿真研究；秦娟娟[6]等應用AMESim對雙向液壓鎖進行了模型建立，并對其動靜特性進行了分析；鄭永光[7]等應用AMESim建立了太陽能跟蹤液壓控制系統(tǒng)，并進行了仿真分析；陶勝壬[8]等利用AMESim對開煉機液壓系統(tǒng)進行了建模與仿真分析；楊易[9]應用AMESim對飛機武器艙門液壓系統(tǒng)進行了設計與仿真分析.但應用AMESim對采棉機進行設計與仿真的研究還未見報道，因此，本文設計了采棉機液壓系統(tǒng).此系統(tǒng)分為采棉頭液壓驅動系統(tǒng)、采棉頭升降液壓系統(tǒng)和棉箱翻轉液壓系統(tǒng).

1 采棉機液壓系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成

采棉機液壓系統(tǒng)包括：采棉頭液壓驅動系統(tǒng)、采棉頭升降系統(tǒng)和棉箱翻轉系統(tǒng).采棉頭液壓驅動系統(tǒng)是通過液壓馬達驅動采棉頭滾筒旋轉，從而完成采棉作業(yè).采棉頭升降液壓控制系統(tǒng)通過液壓缸驅動四連桿機構帶動垂直懸掛的采棉頭完成升降.棉箱翻轉液壓系統(tǒng)通過連接在棉箱兩側的液壓缸驅動四桿機構運動，帶動棉箱翻轉來實現(xiàn)棉花的卸載.

1.2 系統(tǒng)設計

采棉頭液壓系統(tǒng)主要功能是平穩(wěn)、高效地采集棉花.如圖1a所示，該系統(tǒng)執(zhí)行元件為6個液壓馬達，位于采棉頭上部.因其是采棉作業(yè)的關鍵環(huán)節(jié)，消耗功率較大，單獨由一個液壓泵供油.

圖1 采棉機液壓系統(tǒng)設計圖Fig 1 Cotton picker hydraulic system design

采棉頭升降液壓系統(tǒng)主要功能是對采棉頭的高度進行調節(jié).如圖1b所示，執(zhí)行元件為3個液壓缸，位于機架的上方.由于升降需要穩(wěn)定的速度和位置控制，設置了單向節(jié)流閥從而保證系統(tǒng)安全運行.

棉箱翻轉液壓系統(tǒng)主要功能是對棉箱進行翻轉，使收集滿的棉花在適宜的位置卸載.如圖1c所示，執(zhí)行元件為2個液壓缸，位于棉箱的兩側，通過焊接在棉箱上的連桿機構來傳遞動力，設計了單向節(jié)流閥和雙向液控單向閥來確保棉箱運行平穩(wěn)，避免出現(xiàn)重大事故.

2 系統(tǒng)建模與仿真

2.1 仿真模型的建立

采棉頭液壓系統(tǒng)包括三對獨立的采棉頭液壓子系統(tǒng)，考慮到該系統(tǒng)的復雜程度，在利用AMESim建立模型時，只對其中一對采棉頭進行建模.由于分流閥和減壓閥在AMESim中沒有模型，需要利用HCD液壓元件設計庫進行設計.已有學者對其做過研究[10]，這里僅給出模型，其模型如圖2、3所示.

在AMESim中建立采棉頭、采棉頭升降和棉箱翻轉液壓系統(tǒng)建模如圖4所示.

圖2 分流閥模型Fig 2 Diverter valve model

圖3 減壓閥模型Fig 3 Pressure reducing valve model

圖4 采棉機液壓系統(tǒng)仿真模型Fig 4 Cotton picker hydraulic system simulation model

2.2 仿真結果分析

2.2.1 采棉頭液壓系統(tǒng)仿真

在建立該系統(tǒng)模型時設計了分流閥模型，其仿真的參數(shù)如表1所示.仿真模型建立后，模擬系統(tǒng)需要挑選子模型，本文所有仿真均采用系統(tǒng)默認子模型.仿真時間20 s，步長0.1 s.該系統(tǒng)主要元件有液壓馬達、液壓泵、減壓閥和電磁換向閥等組成，其參數(shù)如表2所示.

表1 分流閥參數(shù)Tab 1 Shunt valve parameters

表2 主要元件參數(shù)Tab 2 Main component parameters

參數(shù)設置完成之后，對所建立的模型進行仿真，仿真后可以得到兩個馬達的轉速曲線，著重分析一對采棉頭液壓馬達轉速的同步性，對采棉頭的采摘作業(yè)有重要的意義.因此在對采棉頭施加負載時，在保證其他情況不變條件下，采用同一負載、負載相差5 N· m、負載相差10 N·m、負載相差20 N· m來研究負載變化對馬達同步性能的影響.

圖5 采棉頭轉速曲線Fig 5 Cotton picking speed curve

圖5 為一對采棉頭左右液壓馬達轉速變化曲線.從圖5a中可以看出，左液壓馬達在4.7 s后轉速達到90.06 r/min趨于穩(wěn)定，右液壓馬達在4.9 s后，轉速達到穩(wěn)定狀態(tài)為89.18 r/min.兩個液壓馬達轉速變化的趨勢大致相同.從圖5b中發(fā)現(xiàn)，轉速誤差很小，在前2 s內快速達到最大值5.3 r/min，在4.5 s后趨于穩(wěn)定.由于油管的沿程壓力損失、液壓閥及馬達的液壓油泄露等，致使兩個馬達的響應速度略有不同.

圖6為液壓馬達在負載相差一定值時，一對采棉頭轉速誤差的變化曲線.圖中曲線1～4分別表示負載相差20 N· m、負載相差10 N· m、負載相差5 N· m和同一負載時兩液壓馬達轉速誤差變化情況.可以看出，隨著負載誤差的不斷增加，兩個馬達的轉速誤差也在不斷的增大，轉速誤差的變化趨勢大致相同，因此在棉花采摘時不宜使兩個采棉頭所承受的負載偏差較大.

圖6 不同負載下馬達轉速誤差曲線Fig 6 Motor speed error curve under different loads

圖7 升降缸活塞桿位移曲線Fig 7 Lifting cylinder piston rod displacement curve

2.2.2 采棉頭升降液壓系統(tǒng)仿真

該系統(tǒng)主要元件有3個升降液壓缸、3個單向節(jié)流閥和液壓泵等組成.仿真時，液壓缸活塞桿作用力根據實際最大作用力加載為3 500 N.仿真時間20 s，步長0.1 s.仿真主要參數(shù)如表3所示，有通用參數(shù)的前文已經給出，這里不再列出.

表3 主要元件參數(shù)Tab 3 Main component parameters

圖7所示為三個液壓缸活塞桿位移變化曲線.圖中曲線1～3分別表示左、中、右三個液壓缸活塞桿位移變化曲線.由圖7可以看出，左液壓缸活塞桿在7.6 s后位移達到0.342 m趨于穩(wěn)定，中液壓缸活塞桿位移在7.8 s后趨于穩(wěn)定，位移為0.351 m，右液壓缸活塞桿位移在8 s后位移達到0.356 m.所設計液壓缸達到最大行程時間為8 s，仿真結果與實際液壓缸活塞桿試驗運行狀況比較符合.

2.2.3 棉箱翻轉液壓系統(tǒng)仿真

該系統(tǒng)主要元件有2個液壓缸、2個液控單向閥和2個電磁換向閥等元件組成.仿真時，液壓缸活塞桿作用力根據實際作用力進行加載為30 000 N.仿真時間20 s，步長0.1 s.其主要參數(shù)如表4所示.

表4 主要元件參數(shù)Tab 4 Main component parameters

圖8為棉箱翻轉左右液壓缸活塞桿位移變化曲線.從圖8可以看出，兩個液壓缸活塞桿位移變化情況基本相同.在7.6 s時，左、右液壓缸活塞桿達到最大行程0.3 m.兩個活塞桿位移變化基本相同，位移誤差較小.

從圖9可以看出，左、右兩個液壓缸無桿腔在前7 s內液壓系統(tǒng)中的壓力脈沖，致使液壓缸無桿腔壓力不穩(wěn)定.在7.2 s時，壓力快速上升，左、右液壓缸無桿腔壓力達到穩(wěn)定值.綜合圖8、9的仿真結果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)是比較符合棉箱翻轉功能設計要求.

圖8 棉箱翻轉液壓缸活塞桿位移曲線Fig 8 Cotton box flip hydraulic cylinder piston rod displacement curve

圖9 左液壓缸無桿腔壓力曲線Fig 9 Left cylinder without rod cavity pressure curve

3 結論

液壓技術應用于采棉機上，可以提高采棉機采棉作業(yè)的機械自動化水平和采棉效率，加快生產方式的改進.本文完成了采棉機液壓系統(tǒng)的設計與仿真分析，得出的結論如下：

（1）利用AMESim軟件對設計的采棉機液壓系統(tǒng)模型工況進行仿真分析，可知所設計的液壓系統(tǒng)能夠滿足采棉機功能要求.

（2）通過對采棉頭液壓系統(tǒng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，采棉頭左、右液壓馬達在5 s后達到穩(wěn)定，轉速差0.84 r/min，能夠使采棉頭正常工作.在液壓馬達負載偏差較大時，兩個采棉頭轉速差也較大，導致采棉效率下降甚至采棉頭不能正常工作，因此采摘棉花時，不宜使馬達負載偏差過大.

（3）通過對棉箱翻轉液壓系統(tǒng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，棉箱兩側液壓缸活塞缸在7.6 s后，位移達到最大行程，液壓缸無桿腔壓力在7.2 s后達到穩(wěn)定，滿足棉箱翻轉功能要求.對舉升液壓系統(tǒng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，三個液壓缸活塞桿在8 s后，位移達到穩(wěn)定，這與試驗運行狀況較為符合.