田延豹

（婁底職業(yè)技術學院，湖南 婁底 417000）

我國是水稻種植大國，為順應智能化、現(xiàn)代化和自動化農(nóng)業(yè)發(fā)展理念，需就現(xiàn)有傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械設備予以革新。其中，插秧機是水稻種植常用設備，使用期間受到稻田環(huán)境影響，無法保證種植效率和質(zhì)量。因此，針對傳統(tǒng)插秧機進行改良，設計新型液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，改善設備使用中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向能力弱和操作吃力等問題，保障水稻種植作業(yè)高效開展。

1 傳統(tǒng)插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的使用弊端

傳統(tǒng)插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受到稻田環(huán)境影響，在泥腳深度大、道路狹窄和田塊小的環(huán)境中作業(yè)會增大轉(zhuǎn)向力矩，通過頻繁轉(zhuǎn)向完成作業(yè)。實際使用中，存在轉(zhuǎn)彎半徑大、前輪轉(zhuǎn)向角小等問題，無法在小空間內(nèi)調(diào)頭轉(zhuǎn)向，增加操作難度[1]。除此以外，因水田泥腳大，操控人員在轉(zhuǎn)向阻力大的環(huán)境中調(diào)整方向盤方向難度較大。操控插秧機人員經(jīng)長時間持續(xù)工作，易出現(xiàn)駕駛疲勞，不利于控制作業(yè)效果。目前所使用的插秧機控制系統(tǒng)存在智能化和自動化水平低的弊病，不符合自動控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要，應當對其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)加以優(yōu)化[2]。

2 插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計方案

目前，插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究集中于底盤驅(qū)動方面，通過設計全液壓驅(qū)動方式，達到無級變速效果。但此方向研究對解決窄小空間的轉(zhuǎn)向問題作用不明顯。本文所設計的插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)插秧機增加了負載敏感結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)將節(jié)流口開度作為影響工作元件溫度的唯一要素，消除了負載影響，能夠提升自動控制水平?？稍谙到y(tǒng)流量變化時，使可變節(jié)流口處的油液兩端壓差隨之變化[3]。通過比較泵排量控制閥彈簧設計壓差和變化壓差，當有所偏差時，將自動調(diào)整泵排量，并且閥動作由泵排量控制。由此可見，泵成為控制關鍵要件，其具備功率跟隨特性，緊密匹配負載、流量和壓力，在油箱中接收最小剩余流量，以此降低能量損失，節(jié)省安裝液壓設備空間[4]。

2.1 總體設計

本文所設計的插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以洋馬VP8 高速插秧機為例，滿載質(zhì)量為1 990 N。在液壓系統(tǒng)中與底盤系統(tǒng)間的控制回路連接方式見圖1。為防止并聯(lián)液壓馬達打滑，使用單泵四馬達作為驅(qū)動系統(tǒng)；為解決窄小空間調(diào)頭困難、轉(zhuǎn)向阻力大和結(jié)構(gòu)自動化水平低的問題，使用單向穩(wěn)定轉(zhuǎn)向閥。

圖1 水稻插秧機液壓系統(tǒng)總體控制回路Fig.1 Overall control circuit of hydraulic system of rice transplanter

2.2 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回路設計

液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的動力元件為負荷敏感泵，控制元件為液壓轉(zhuǎn)向閥、優(yōu)先閥，執(zhí)行元件為雙活塞液壓缸，工作原理見圖2。

圖2 水稻插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖Fig.2 Hydraulic steering system schematic diagram of rice transplanter

圖2 中的負載敏感泵為變量泵，當執(zhí)行元件工作負載或泵轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，將帶動系統(tǒng)流量變化，進而在可變節(jié)流口處的壓差也將于泵輸出端發(fā)生變化。將變化壓差定義為p1，控制彈簧的壓力定義為p2，負載敏感泵自動比較兩值，調(diào)整泵排量，進而使兩值逐漸相等。p2和負載大小決定輸出壓力，因輸出流量具有功率跟隨性，因此，輸出流量將追隨負載。缺少負載敏感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，執(zhí)行元件工作壓力和方向盤轉(zhuǎn)矩共同影響通過轉(zhuǎn)向器閥芯閥套開口截面的流量，出現(xiàn)難以控制的問題。加入負載敏感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后，由方向盤轉(zhuǎn)矩決定通過開口截面的流量，此時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更易調(diào)控，流量波動幅度小[5]。

圖2 中的優(yōu)先閥將與轉(zhuǎn)向回路相接，保證進入油缸的液壓油能夠支撐系統(tǒng)穩(wěn)定運行。另一端EF 油口將與其他液壓回路相接，如插秧機仿形等。作為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制元件，液壓轉(zhuǎn)向器閥套發(fā)揮作用需以方向盤為介質(zhì)，由方向盤轉(zhuǎn)動，使得閥芯和閥套間位移發(fā)生變化，進而對通斷狀態(tài)和油路方向予以調(diào)整，最終達到轉(zhuǎn)向目標。雙活塞桿液壓缸作為執(zhí)行元件，設計中要注意檢查兩桿徑是否相同。當系統(tǒng)超壓時，輔助控制元件中的安全閥將發(fā)揮安全壓力保障作用，通過打開此閥，卸掉載荷。

2.3 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)計算

插秧機正常工作狀態(tài)下其最大轉(zhuǎn)向力的計算公式為：

式中：ρ——當量半徑，m，數(shù)值為第三胎的寬度；μ——附著系數(shù)；Z——方向盤垂直載荷，kN；T——最大轉(zhuǎn)向力矩，N·m。

ρ= 0.033，μ= 0.4，Z= 5880N。將以上數(shù)值代入公式，求得最大轉(zhuǎn)向力矩為78.4 N[6]。

液壓缸推力的計算公式為：

式中：r——最小力臂，m；K——系數(shù)；Fp——液壓缸所需推力，N。

K= 1.5，r= 0.1。將數(shù)值代入公式，求得液壓缸最大推力為1 960 N。

本文所設計的插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的反壓力和設計壓力的負荷和理論壓力分別為：系統(tǒng)設計壓力方面，當負荷≤1 kN時，理論壓力在[0.8，1.0]MPa；當負荷為1~2 kN 時，理論壓力在[1.5，2.0]MPa；當負荷為2~10 kN 時，理論壓力在[2.0，5.0]MPa。系統(tǒng)反壓力方面，當系統(tǒng)類型為簡單系統(tǒng)時，反壓力在[0.1，0.3]MPa；當系統(tǒng)類型為封閉單系統(tǒng)時，反壓力在[0.8，1.5]MPa。液壓系統(tǒng)桿徑比為：當理論壓力≤5 MPa 時，內(nèi)外桿徑比在[0.50，0.55]；當理論壓力為5.0~7.0 MPa時，內(nèi)外桿徑比在[0.62，0.70][7]。結(jié)合對設計參數(shù)區(qū)間和對應關系的闡釋，考慮液壓器元件的高效區(qū)范圍和系統(tǒng)負載大小，最終將反壓力、液壓壓力和內(nèi)外桿徑比分別為0.2 MPa、2.0 MPa、0.5 MPa，按照液壓缸活塞直徑的計算公式計算出相應結(jié)果：

式中：p2——反壓力，MPa；D——工作腔壓力，MPa；ncm=0.95為液壓缸工作效率；Fp——推力，N；D為活塞直徑，mm。

將ncm= 0.95代入公式中，最終求出連桿直徑d為19 mm，活塞直徑D為38 mm。

計算轉(zhuǎn)向系統(tǒng)流量最大值的公式為：

式中：v——液壓缸的運動速度，m/min；Q——系統(tǒng)最大流量，L/min。將對應數(shù)值代入公式中，求出最大流量Q為13.24 L/min。

3 基于AMESim 建模仿真的插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真分析

3.1 建模

本文借助AMESim軟件完成對插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模，由于此軟件中缺少負載敏感泵模型，因此要聯(lián)用HCD庫。建模要經(jīng)過設計草圖、選擇子模型和設置參數(shù)環(huán)境，構(gòu)建負載敏感泵模型，對此展開仿真，確定負載敏感特性，驗證模型是否正確。設計的系統(tǒng)模型圖見圖3。

圖3 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型圖Fig.3 Hydraulic steering system simulation model

仿真環(huán)節(jié)，負載壓力對應的仿真要素為比例溢流閥，負載敏感泵性能參數(shù)通過節(jié)流閥兩端壓差和流量變化水平顯示，且將兩端壓差設置為0.7 MPa。借助閥芯和彈簧腔質(zhì)量模擬塊搭建負載敏感泵的伺服活塞桿，且將計算步長和仿真時間設定為0.01 s 和10 s。經(jīng)仿真試驗，對工作負載變化與節(jié)流閥通過流量和節(jié)流閥兩端壓差變化結(jié)合圖像進行分析[8]。通過分析，在負載壓力方面，當開始仿真至8 s期間，負載壓力呈現(xiàn)出隨時間穩(wěn)定上升的規(guī)律，當進行至8 s 時，負載壓力為20 MPa；當仿真進入到8~10 s 的范圍時，負載壓力不變，始終為20 MPa。而在工作負載變化與通過節(jié)流閥的流量數(shù)值變化方面，在仿真試驗過程中，通過節(jié)流閥的流量在[33.88，34.50]波動。結(jié)合仿真過程中節(jié)流閥進出油口壓力來看，當進行0.1 s后，進油口壓力出現(xiàn)變化，而后進出油口的壓力均有所增大，二者差值小于0.7 MPa。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：在仿真試驗開始后，液壓系統(tǒng)本身具有慣量，會影響進出油口壓力。同時，節(jié)流口開度是影響節(jié)流閥通過流量的因素，負載變化無法影響流量大小變化。當負載有需要時，負載敏感泵將按照需求輸出相應流量，因此可以看出其具備功率跟隨性[9]。

3.2 仿真分析

使用AMESim 軟件和HCD 庫構(gòu)建插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型，借助滑閥模型表示轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥模型，使用負載敏感泵作為動力元件，計量馬達的加載為具備無摩擦的負載。加入兩個單向閥和安全閥，防止出現(xiàn)液壓泵吸空和系統(tǒng)壓力過高的問題。仿真分析的主要參數(shù)見表1。

表1 仿真模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of simulation model

經(jīng)仿真，方向盤轉(zhuǎn)角信號和轉(zhuǎn)向液壓缸位移曲線見圖4。

圖4 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真結(jié)果曲線Fig.4 Hydraulic steering system simulation result curve

將轉(zhuǎn)角行程設定在[-360°，360°]，當向左轉(zhuǎn)動插秧機前輪，其能夠達到最大轉(zhuǎn)向角；當向右轉(zhuǎn)動，將獲得最小轉(zhuǎn)向角。經(jīng)過仿真模擬，輸出轉(zhuǎn)角信號圖像，分析在試驗中轉(zhuǎn)角度數(shù)的變化規(guī)律。經(jīng)分析，當處于0~0.6 s 的時間段內(nèi)，方向盤轉(zhuǎn)角信號從0°變?yōu)?60°；當處于0.6~1.6 s 的時間段內(nèi)，方向盤轉(zhuǎn)角信號始終為360°；當處于1.6~2.8 s 的時間段內(nèi)，方向盤轉(zhuǎn)角信號從360°變?yōu)?360°，且為均勻變化特征；當處于2.8~3.1 s的時間段內(nèi)，方向盤轉(zhuǎn)角信號始終為-360°。

分析轉(zhuǎn)向液壓缸位移變化時，觀察對應的仿真曲線。經(jīng)分析，當處于0~0.05 s的時間段內(nèi)，轉(zhuǎn)向液壓缸的位移并未發(fā)生明顯變化。出現(xiàn)此種情況是因方向盤受到轉(zhuǎn)角虛位現(xiàn)象影響，同時，通過設置滑閥正負遮蓋量表示虛位現(xiàn)象，符合實際情況；當處于t=0.6 s 的時間點時，正向最大行程為180 mm，但此時并未超過此數(shù)值，試驗中的位移為174.5 mm。出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因是位移存在滯后量，且轉(zhuǎn)角信號的滯后量遠小于液壓缸位移；當處于t=0.7 s 的時間點時，轉(zhuǎn)向液壓缸的正向最大行程與測得的數(shù)值相等，說明此時為插秧機達到前輪轉(zhuǎn)向角正向最大值的時間；當處于0.7~1.6 s 的時間段內(nèi)，轉(zhuǎn)向液壓缸的位移保持不變；當處于1.6~2.6 s 的時間段內(nèi)，轉(zhuǎn)向信號發(fā)生變化，由360°變成-360°，且位移也由180 mm 變?yōu)?180 mm，此時反向轉(zhuǎn)向角數(shù)值最大；當處于2.6~3.1 s的時間段內(nèi)，位移保持不變，始終為-180 mm。通過分析轉(zhuǎn)向液壓缸位移和方向盤轉(zhuǎn)角信號隨時間變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，二者在變化趨勢上維持一致，均于相應時間節(jié)點發(fā)生變化，所得到的變化規(guī)律曲線基本吻合[10]。

4 結(jié)語

本文研究了一種負載敏感液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過對液壓元件設計參數(shù)進行計算，得到相應數(shù)值。并借助AMESim 軟件和HCD庫構(gòu)建插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型，仿真模擬轉(zhuǎn)向液壓缸位移、方向盤轉(zhuǎn)向信號、節(jié)流閥進出油口壓力和負載壓力。經(jīng)過仿真模擬分析，所設計的插秧機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠滿足田間作業(yè)需要，具備實踐應用可行性。具體結(jié)論如下：①在文章所設計的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，方向盤轉(zhuǎn)矩為影響轉(zhuǎn)向器閥芯閥套開口截面流量的關鍵性要素，而執(zhí)行元件壓力不影響流量變化；②所設計的系統(tǒng)具備系統(tǒng)流量波動小且容易控制的優(yōu)勢，引入的負載敏感泵具有功率跟隨性，因此可降低系統(tǒng)耗能；③經(jīng)AMESim軟件仿真，得到設計參數(shù)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作狀態(tài)基本吻合的結(jié)論，說明模型可行；④文章所使用的仿真方法和所設計的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均可為農(nóng)業(yè)機械設計工作提供支持，具備實踐應用價值。