水稻直播機(jī)升降折疊液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

水稻直播機(jī)升降、折疊液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真水稻是我國(guó)第一大糧食作物，常年栽種面積超過3000萬hm2，約占糧食播種面積的30%。水稻栽種方式分為直播和移栽兩大技術(shù)體系，與機(jī)插秧相比，水稻直播技術(shù)省去了工廠化育秧環(huán)節(jié)，是一種省工、省力、節(jié)本、節(jié)能和節(jié)水的高效栽培方式[2-3]。近年來，隨著化學(xué)除草技術(shù)的成熟以及勞動(dòng)力本錢的提高，水稻直播也越來越受到人們的青睞。本研究中的水稻直播機(jī)采用“集中排種+氣流平均分派〞技術(shù)方案，技術(shù)指標(biāo)如下：〔1〕1次播種33行，作業(yè)幅寬可達(dá)8m;〔2〕播種均勻，不傷種，播量可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)播種施肥一體化作業(yè);〔3〕作業(yè)效率高，作業(yè)速度可達(dá)10km/h，作業(yè)效率5～20hm2/h。由于直播機(jī)作業(yè)的水田路面不平整，故須要對(duì)其進(jìn)行升降調(diào)節(jié)，使得播種管出口距離地面始終保持在固定的高度上，同時(shí)該直播機(jī)作業(yè)幅寬大，不方便運(yùn)輸，所以須要設(shè)計(jì)折疊液壓系統(tǒng)，在運(yùn)輸過程中將左右兩側(cè)播種架進(jìn)行折疊，折疊后的寬度約為3.5m。本研究對(duì)該直播機(jī)的升降、折疊液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，利用AMESim軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真剖析，旨在提高所設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的可靠性。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1液壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算由于直播機(jī)作業(yè)幅寬大，故對(duì)它的升降系統(tǒng)使用2個(gè)液壓缸，以防備單個(gè)液壓缸在提升過程中兩側(cè)臂下垂，關(guān)于折疊系統(tǒng)那么在左右兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)液壓缸進(jìn)行折疊。水稻直播機(jī)的升降、折疊液壓系統(tǒng)，均為液壓缸無桿腔為主工作腔，液壓缸壓力負(fù)載關(guān)系知足式〔1〕：式中：p1表示主工作腔壓力，MPa;p2表示回油腔背壓，MPa;D表示液壓缸缸筒直徑，cm;d表示活塞缸直徑，cm;A1表示無桿腔活塞有效面積，cm2;A2表示有桿腔活塞有效面積，cm2;Fmax表示單個(gè)液壓缸最大負(fù)載，取14kN;ncm表示液壓缸機(jī)械效率，一般取0.90～0.95。設(shè)計(jì)壓力〔p1〕和回油腔背壓〔p2〕可分別按照表1、表2選擇[4-5]。升降系統(tǒng)最大負(fù)載為28kN，折疊系統(tǒng)最大負(fù)載為22kN，且安裝尺寸較小，故設(shè)計(jì)壓力選擇4.0MPa，在保證系統(tǒng)壓力前提下，能夠在一定程度上減小液壓元器件的尺寸和質(zhì)量。升降系統(tǒng)和折疊系統(tǒng)的回油腔背壓均選擇0.3MPa。經(jīng)計(jì)算可知，液壓缸缸筒直徑〔D〕可按照公式〔4〕計(jì)算：式中：表示液壓缸的桿徑比，桿徑比能夠按照表3選擇。升降液壓缸和折疊液壓缸設(shè)計(jì)壓力均為4.0MPa，桿徑比選擇0.5。經(jīng)計(jì)算，升降液壓系統(tǒng)的液壓缸缸筒直徑〔D〕為7.0cm，活塞缸直徑〔d〕為3.5cm，折疊液壓系統(tǒng)的液壓缸缸筒直徑〔D〕為5.6cm，活塞缸直徑〔d〕為2.8cm。液壓缸最大流量可按照式〔5〕計(jì)算：式中：A1表示無桿腔活塞有效面積;vmax表示液壓缸最大速度，2個(gè)系統(tǒng)均取0.1m/s。經(jīng)計(jì)算可知，關(guān)于升降液壓系統(tǒng)，單個(gè)液壓缸最大流量為23.1L/min，系統(tǒng)需要提供的最大流量為46.2L/min;關(guān)于折疊液壓系統(tǒng)，單個(gè)液壓缸最大流量為14.8L/min，系統(tǒng)需要提供的最大流量為29.6L/min。升降液壓系統(tǒng)和折疊液壓系統(tǒng)使用同一個(gè)液壓泵進(jìn)行供油，原動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，液壓泵最大排量為50.5mL/r。升降液壓系統(tǒng)和折疊液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。1.2液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)升降液壓系統(tǒng)和折疊液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如表5所示。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。由圖1可知，原動(dòng)機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，齒輪泵是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件，平安閥設(shè)置系統(tǒng)的平安壓力，防備壓力過高而破壞液壓元器件，分流集流閥用于把流入升降系統(tǒng)液壓缸的流量按照1∶1的比率一分為二，使得2個(gè)升降液壓缸抵達(dá)較高的同步精度。液控單向閥用于鎖緊液壓缸，當(dāng)三位四通換向閥6處于左位時(shí)，液壓缸無桿腔進(jìn)油，液壓缸上漲，假定此時(shí)突然停止供油，液控單向閥實(shí)現(xiàn)單向鎖緊，使得液壓缸固定在某一高度;當(dāng)該三位四通換向閥6處于右位時(shí)，液壓缸無桿腔進(jìn)油，高壓油經(jīng)過液控單向閥的液控油口使它處于接通狀態(tài)，液壓缸下降。單向節(jié)流閥用于控制系統(tǒng)流量，防備在液壓缸下降過程中系統(tǒng)流量過大而超速。三位四通換向閥7用于改變折疊液壓系統(tǒng)的流量方向，當(dāng)該閥處于左位時(shí)，無桿腔進(jìn)油;當(dāng)它處于右位時(shí)，有桿腔進(jìn)油;當(dāng)處于中位時(shí)，系統(tǒng)卸荷，防備發(fā)熱。液壓系統(tǒng)仿真本研究使用AMESim軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真剖析。AMESim為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模擬真平臺(tái)，用戶能夠在這個(gè)單調(diào)平臺(tái)上成立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此根基上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入剖析，也能夠在這個(gè)平臺(tái)上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)向性能[7-9]。在水稻直播機(jī)的工作過程中，升降系統(tǒng)和折疊系統(tǒng)不會(huì)同時(shí)工作，所以將2個(gè)液壓系統(tǒng)按照各自模型分別進(jìn)行仿真，在仿真過程中，對(duì)局部液壓元件進(jìn)行簡(jiǎn)化。升降液壓系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖2所示，仿真參數(shù)設(shè)置如表6所示。由圖2可知，三位四通換向閥用于改變系統(tǒng)的流量，額定電流為mA，當(dāng)它處于右位時(shí)，液壓缸伸出，戰(zhàn)勝負(fù)載工作，三位四通換向閥在系統(tǒng)中的子模型如圖3所示，該閥共有5個(gè)接口，每個(gè)接口擁有不同的外部變量。常數(shù)信號(hào)經(jīng)過力變換器作用于液壓缸有桿腔，信號(hào)值代表負(fù)載的大小，升降系統(tǒng)的最大負(fù)載為28000N，故單個(gè)液壓缸的最大負(fù)載為14000N。按照表6中的參數(shù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間為3s，計(jì)算步長(zhǎng)為0.01s。升降液壓缸的位移-速度變化曲線、進(jìn)油口壓力變化曲線及進(jìn)油口流量變化曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。由圖4可知，虛線表示位移-時(shí)間曲線，實(shí)線表示速度-時(shí)間曲線，在3s內(nèi)，液壓缸位移變化近似于一條直線，最大位移為0.296m，平均速度0.1m/s，這和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)根本一致。液壓缸速度在剛開始的0.1s內(nèi)有一定的波動(dòng)，波動(dòng)范圍為0.05～0.15m/s，在0.1s后，液壓缸速度根本穩(wěn)定在0.10m/s。由圖5可知，液壓缸進(jìn)油口的壓力最終穩(wěn)定在3.65MPa，略小于設(shè)計(jì)壓力的4.00MPa，在0.1s內(nèi)，系統(tǒng)壓力出現(xiàn)小幅波動(dòng)，最大壓力為3.76MPa，小于平安閥設(shè)定的壓力5MPa，切合設(shè)計(jì)要求。由圖6可知，液壓缸進(jìn)油口流量曲線的變化趨勢(shì)與壓力變化趨勢(shì)近似，在0.12s內(nèi)，流量曲線出現(xiàn)較大波動(dòng)，最大流量為35.94L/min，0.12s后，系統(tǒng)流量穩(wěn)定在23.07L/min，與設(shè)計(jì)參數(shù)根本一致。同時(shí)，對(duì)直播機(jī)折疊進(jìn)行建模擬真，折疊液壓系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖7所示，仿真參數(shù)設(shè)置如表7所示。按照表7中的參數(shù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間為8s，計(jì)算步長(zhǎng)為0.01s。折疊液壓缸的位移-速度變化曲線、進(jìn)油口壓力變化曲線及進(jìn)油口流量變化曲線分別如圖8、圖9、圖10所示。由圖8可知，虛線表示位移-時(shí)間曲線，實(shí)線表示速度-時(shí)間曲線，在8s仿真時(shí)間內(nèi)，液壓缸位移變化近似于1條直線，最大位移為0.797m，平均速度約為0.1m/s，這表示液壓缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，波動(dòng)較小。圖9表示折疊液壓缸進(jìn)油口壓力曲線，系統(tǒng)壓力波動(dòng)較小，抵達(dá)穩(wěn)態(tài)后，壓力值為3.987MPa。圖10表示折疊液壓缸進(jìn)油口流量曲線圖，在0.1s時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)流量有一定的波動(dòng)，系統(tǒng)流量最終穩(wěn)定在14.78L/min。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)根本一致，知足設(shè)計(jì)要求。3結(jié)論本研究按照水稻直播機(jī)升降、折疊系統(tǒng)的工作要求，對(duì)它的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算有關(guān)液壓元器件的參數(shù)，同時(shí)將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用AMESim軟件進(jìn)行建模擬真。由仿真結(jié)果