水稻直播機升降折疊液壓系統(tǒng)設計與仿真

水稻直播機升降、折疊液壓系統(tǒng)設計與仿真水稻是我國第一大糧食作物，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體系，與機插秧相比，水稻直播技術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，隨著化學除草技術的成熟以及勞動力本錢的提高，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采用“集中排種+氣流平均分派〞技術方案，技術指標如下：〔1〕1次播種33行，作業(yè)幅寬可達8m;〔2〕播種均勻，不傷種，播量可調，可實現播種施肥一體化作業(yè);〔3〕作業(yè)效率高，作業(yè)速度可達10km/h，作業(yè)效率5～20hm2/h。由于直播機作業(yè)的水田路面不平整，故須要對其進行升降調節(jié)，使得播種管出口距離地面始終保持在固定的高度上，同時該直播機作業(yè)幅寬大，不方便運輸，所以須要設計折疊液壓系統(tǒng)，在運輸過程中將左右兩側播種架進行折疊，折疊后的寬度約為3.5m。本研究對該直播機的升降、折疊液壓系統(tǒng)進行設計計算，利用AMESim軟件進行系統(tǒng)仿真剖析，旨在提高所設計液壓系統(tǒng)的可靠性。液壓系統(tǒng)設計1.1液壓系統(tǒng)參數計算由于直播機作業(yè)幅寬大，故對它的升降系統(tǒng)使用2個液壓缸，以防備單個液壓缸在提升過程中兩側臂下垂，關于折疊系統(tǒng)那么在左右兩側各設置1個液壓缸進行折疊。水稻直播機的升降、折疊液壓系統(tǒng)，均為液壓缸無桿腔為主工作腔，液壓缸壓力負載關系知足式〔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表示單個液壓缸最大負載，取14kN;ncm表示液壓缸機械效率，一般取0.90～0.95。設計壓力〔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)最大負載為28kN，折疊系統(tǒng)最大負載為22kN，且安裝尺寸較小，故設計壓力選擇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量。升降系統(tǒng)和折疊系統(tǒng)的回油腔背壓均選擇0.3MPa。經計算可知，液壓缸缸筒直徑〔D〕可按照公式〔4〕計算：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計壓力均為4.0MPa，桿徑比選擇0.5。經計算，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個系統(tǒng)均取0.1m/s。經計算可知，關于升降液壓系統(tǒng)，單個液壓缸最大流量為23.1L/min，系統(tǒng)需要提供的最大流量為46.2L/min;關于折疊液壓系統(tǒng)，單個液壓缸最大流量為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)使用同一個液壓泵進行供油，原動機額定轉速為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)的設計參數如表4所示。1.2液壓系統(tǒng)設計升降液壓系統(tǒng)和折疊液壓系統(tǒng)的設計要求如表5所示。按照系統(tǒng)設計要求，所設計的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。由圖1可知，原動機為整個系統(tǒng)提供動力，齒輪泵是液壓系統(tǒng)的動力元件，平安閥設置系統(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個升降液壓缸抵達較高的同步精度。液控單向閥用于鎖緊液壓缸，當三位四通換向閥6處于左位時，液壓缸無桿腔進油，液壓缸上漲，假定此時突然停止供油，液控單向閥實現單向鎖緊，使得液壓缸固定在某一高度;當該三位四通換向閥6處于右位時，液壓缸無桿腔進油，高壓油經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，當該閥處于左位時，無桿腔進油;當它處于右位時，有桿腔進油;當處于中位時，系統(tǒng)卸荷，防備發(fā)熱。液壓系統(tǒng)仿真本研究使用AMESim軟件對所設計的液壓系統(tǒng)進行仿真剖析。AMESim為多學科領域復雜系統(tǒng)建模擬真平臺，用戶能夠在這個單調平臺上成立復雜的多學科領域的系統(tǒng)模型，并在此根基上進行仿真計算和深入剖析，也能夠在這個平臺上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動向性能[7-9]。在水稻直播機的工作過程中，升降系統(tǒng)和折疊系統(tǒng)不會同時工作，所以將2個液壓系統(tǒng)按照各自模型分別進行仿真，在仿真過程中，對局部液壓元件進行簡化。升降液壓系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖2所示，仿真參數設置如表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，當它處于右位時，液壓缸伸出，戰(zhàn)勝負載工作，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個接口，每個接口擁有不同的外部變量。常數信號經過力變換器作用于液壓缸有桿腔，信號值代表負載的大小，升降系統(tǒng)的最大負載為28000N，故單個液壓缸的最大負載為14000N。按照表6中的參數對該系統(tǒng)進行仿真，仿真時間為3s，計算步長為0.01s。升降液壓缸的位移-速度變化曲線、進油口壓力變化曲線及進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-時間曲線，實線表示速度-時間曲線，在3s內，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)的設計參數根本一致。液壓缸速度在剛開始的0.1s內有一定的波動，波動范圍為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，液壓缸進油口的壓力最終穩(wěn)定在3.65MPa，略小于設計壓力的4.00MPa，在0.1s內，系統(tǒng)壓力出現小幅波動，最大壓力為3.76MPa，小于平安閥設定的壓力5MPa，切合設計要求。由圖6可知，液壓缸進油口流量曲線的變化趨勢與壓力變化趨勢近似，在0.12s內，流量曲線出現較大波動，最大流量為35.94L/min，0.12s后，系統(tǒng)流量穩(wěn)定在23.07L/min，與設計參數根本一致。同時，對直播機折疊進行建模擬真，折疊液壓系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖7所示，仿真參數設置如表7所示。按照表7中的參數對該系統(tǒng)進行仿真，仿真時間為8s，計算步長為0.01s。折疊液壓缸的位移-速度變化曲線、進油口壓力變化曲線及進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-時間曲線，實線表示速度-時間曲線，在8s仿真時間內，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，這表示液壓缸運動平穩(wěn)，波動較小。圖9表示折疊液壓缸進油口壓力曲線，系統(tǒng)壓力波動較小，抵達穩(wěn)態(tài)后，壓力值為3.987MPa。圖10表示折疊液壓缸進油口流量曲線圖，在0.1s時間內，系統(tǒng)流量有一定的波動，系統(tǒng)流量最終穩(wěn)定在14.78L/min。仿真結果與設計參數根本一致，知足設計要求。3結論本研究按照水稻直播機升降、折疊系統(tǒng)的工作要求，對它的液壓系統(tǒng)進行設計，計算有關液壓元器件的參數，同時將所設計的系統(tǒng)使用AMESim軟件進行建模擬真。由仿真結果