梳夹式红花收获机液压传动系统的设计与仿真

来源:用户上传      作者:安亮亮 曹卫彬 李树峰

　　摘要 针对目前红花采摘的机械化水平低下、主要依靠人工采摘的问题，设计了一种梳夹式红花收获机，采用梳夹式的夹拔原理对红花丝进行采收。结合红花株高的不同，设计了一种可调整采摘高度的装置，并可调节采摘头转速，采摘头转速的调节范围为70～120 r/min，可根据植株生长的高度适时调节高度。通过综合计算，对梳夹式红花收获机液压传功系统的主要元件进行选择，液压元件有液压马达、液压缸、比例电磁换向阀、电磁换向阀、叠加平衡阀、液控单向阀等。通过对液压系统的性能验算和仿真分析可知，该液压传动系统能满足动力要求，验证了理论分析的合理性;通过仿真分析可知，该系统能够满足采摘工作要求，为梳夹式红花收获机提供了新的发展方向。
　　关键词 红花;梳夹式;采摘;液压;仿真
　　中图分类号 S22 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2020）03-0203-04
　　Abstract In view of the current low level of mechanization of safflower picking， mainly relying on the manual picking， a combtype safflower harvester was designed， and the saffron was harvested by the combclamping principle. Combined with the height difference of safflower plants， a device for adjusting the height of picking was designed. The speed of the picking head can be adjusted， and the speed of the picking head can be adjusted from 70 to 120 r/min， and the height can be adjusted according to the height of the plant growth. Through comprehensive calculation， the main components of the hydraulic transmission system of the combtype safflower harvester were selected. The hydraulic components include hydraulic motor， hydraulic cylinder， proportional electromagnetic reversing valve， electromagnetic reversing valve， superimposed balancing valve and hydraulic control oneway valve. By checking and simulating the performance of the hydraulic system， the hydraulic transmission system satisfied the power requirements and verified the rationality of the theoretical analysis. According to the simulation analysis， the system could meet the requirements of the picking work and it was a combclip type， which provided a new development direction for safflower harvester
　　Key words Safflower;Combtype;Picking;Hydraulic;Simulation
　　紅花又名草红花，是新疆的一种重要经济作物，可用作中草药材以及制造染料等用途，还可以用来生产制造红花油[1]，治疗伤筋动骨等外伤。红花在我国种植历史悠久，尤其在北部已经种植多年，据2018年统计红花在新疆的种植面积已达到10.5×104 hm2，随着种植面积的蓬勃发展，红花的采摘技术却十分滞后，主要还依靠人工采摘，迫切需要实现红花丝的机械化采摘。
　　红花采摘成为红花发展的制约因素，由于红花的生长周期短，红花花蕾容易扎手，对红花的采摘要求较高。另外，红花的收获季节和番茄、棉花的收获期重合，需要大量的人工成本。针对红花的机械采摘，国内外学者做了相应的研究，研究主要集中在气吸-切割式、手持和背负的气吸-气吹式等。李景彬等[2]研发了一种气吸梳夹式红花收获机，在一定程度上降低了劳动力，只适用于小面积采摘，未应用液压传动系统。现有的机械化采摘严重跟不上红花加工的步伐。国外学者的研究主要针对干红花采收问题，但干红花的成分已经发生变化，失去原有的价值，不适合国内红花产业发展。
　　笔者研发出一种梳夹式红花收获机，适用于红花的大面积采摘，并设计了一套液压传动系统，该收获机悬挂在拖拉机前部，集花箱、风机等安装在拖拉机后面机架上，机架与拖拉机采用3点悬挂牵引式连接方式。通过拖拉机自身液压油源提供液压动力，并能实现对采摘头转速的调节，使梳夹式红花收获机有效地完成采收工作，提高了梳夹式红花收获机的采收性能。
　　1 梳夹式红花收获机的采摘装置
　　1.1 采摘装置结构的设计
　　梳夹式红花收获机的采摘装置结构如图1所示。
　　1.2 整机主要技术参数
　　在拖拉机前部，通过连接机构将梳夹式红花收获机的采摘装置连接在一起，集花箱、风机等安装在后面机架上，机架与拖拉机采用3点悬挂连接。 　　为确保采摘装置的采收率，通过悬挂在拖拉机前部的升降机构在垂直方向上进行升降，以提高红花丝的有效采收面积，提高红花的采净率。在采收作业过程中，整机以一定的速度前进，通过拖拉机自身液压系统提供液压动力，液压马达转速的调节范围为70～120 r/min，根据红花的采摘要求对采摘头转速进行调节，采摘装置在前进过程中通过扶禾器的作用，红花丝顺利进入有效采摘区域，在动定梳齿和端面凸轮的作用下，动定梳齿做出夹紧动作[3]，在轴的旋转带动下将红花丝采摘下来，最后通过风机的气吸作用，将采摘下来的红花丝收集到拖拉机后端机架上的集花箱里，完成对红花丝的采收作业。
　　1.3 液压系统的组成及工作原理
　　梳夹式红花收获机液压传动系统原理图如图2所示，由拖拉机自身液压系统提供动力，油源为拖拉机自身液压油源。可以通过拖拉机驾驶室内的手动换向阀使油路形成进油和回油，为采摘装置提供液压动力[4]。液压传动系统由2个部分组成，首先是控制采摘头主轴旋转的液压马达，其次是控制采摘装置升降的液压缸。液压马达由比例电磁阀换向阀控制，当电磁换向阀位于左位时，齿轮泵为液压马达正常供油，液压马达开始转动;2个马达的转速由分流阀控制，以达到对采摘头转速的同步控制;当电磁换向阀位于中位时，液压回路不能供油，采摘装置上的液压马达不工作;通过拖拉机自身蓄电池提供直流电流，为操控面板提供电流来控制比例电磁换向阀[5]，从而控制液压马达的启停和转速。比例电磁换向阀与液压马达之间分别连接着平衡阀和叠加节流阀。分流阀起分流作用，使得2个液压马达达到同步转速。平衡阀可使液压马达平稳运转。
　　液压缸的升降是由电磁阀控制，通过操控面板电信号[6]控制电磁阀来实现对液压缸的换向操作，采用平衡阀使液压缸能够平稳升降。在液压传动系统中加入液控单向阀，对液压缸回路形成自锁。
　　2 选择液压系统元件
　　2.1 液压缸的选择
　　根据梳夹式红花收获机采摘装置的总质量，确定升降过程中的负载，则液压缸的推力：
　　2.2 液压马达的选择
　　根据驱动采摘头所需的最大扭矩[8]和液压系统的工作压力（P），确定采摘装置的液压马达参数，进而确定液压马达的排量（q）;根据采摘工作要求，確定液压马达的转速（n）;根据马达的排量和转速，确定马达的最大工作流量（Q）。
　　3 液压系统性能验算
　　为验证梳夹式红花收获机液压系统的工作压力能否满足工作要求，液压马达扭矩是否符合设计标准，需要对液压系统压力[10]进行性能验算。
　　液压系统压力损失由系统管路[11]的局部压力损失（Δpα）、系统中各类阀件的局部损失组成（Δpχ）、系统管路的沿程损失（Δpβ）。
　　根据整机结构设计[12]以及液压传动系统综合因素考虑，选用YB-N46抗磨液压油，吸油管长度取3.5 m;将所有支路油管均等效到总的压油管上，压油管长度取5.5 m;将所有支路回油管均等效到总的回油管路上，回油管长度取5.5 m;将所有数值代入公式（5）～（8）计算可得系统管路的局部压力损失Δpα=0.15 MPa;系统管路的沿程损失Δpβ=0.09 MPa;系统中各类阀件的局部压力损失Δpγ=013 MPa;故液压系统压力损失Δp=0.37 MPa。
　　4 液压系统仿真分析
　　4.1 液压系统在AMEsim中的建模
　　AMEsim是目前主流的一个仿真平台软件，集成液压元件、机械元件、控制元件等多种元器件[13]。仿真过程可分为4步：首先，根据梳夹式红花收获机液压传动系统的物理模型，在模型库中选取所需的液压元件，按照功能分为负责采摘装置升降的液压回路和负责采摘头旋转的液压回路2类，将其连接起来。第二，在同一模型下包含多个子模型，需要确定子模型类型来保证仿真的可行性。第三，对所建立的液压传动系统模型进行合理的参数设定，生成液压系统仿真所需的可执行文件，这是仿真的关键。最后，通过设定仿真时间、间隔和精度等参数，来保证仿真的正确性。
　　通过在仿真软件中建立模型对梳夹式红花收获机液压传动系统进行仿真，由于工作过程中有2个液压元件配合工作，所以需要对2个液压元件进行建模仿真，如图3所示。
　　4.2 液压传动系统参数与仿真分析
　　采摘装置液压系统在建模仿真中，马达排量为194.5 mL/r，液压泵转速选取1 300 r/min、排量为40 mL/r，进行模拟仿真，仿真结果如图4～6所示。
　　由仿真分析可知，当整机工作时，液压马达转速瞬间增大，在1.15 s后转速稳定在121 r/min，马达速度跟踪效果较好，在采摘过程中的运转速度没有明显的滞后感，液压马达能满足工作要求所需的转速;液压马达的输出扭矩在采摘装置工作时同样瞬间增大，克服主轴在旋转时推杆生成段产生的阻力[14]，在1.15 s后扭矩稳定在516 N·m，根据理论计算可知液压马达扭矩为510 N·m，与仿真结果基本相符，满足了设计要求。液压马达的流量在采收工作开始时瞬间增加到59.8 L/min，此后一直处于平稳状态，仿真结果与理论计算值基本相符[12]，能满足液压系统的工作要求。
　　根据以上结果分析可知，在正常工作状态下，梳夹式红花采摘装置液压系统的流量、扭矩、转速均能满足设计要求。
　　5 结论
　　（1）通过对梳夹式红花收获机负载的受力分析，确定了液压缸所需压力，并选取了符合工作要求的液压缸。通过测量采摘头工作过程中所需扭矩大小，结合液压系统的工作压力，确定了满足采摘工作的液压马达。
　　（2）将该液压传动系统在AMESim软件设定相应的参数进行仿真试验，结果表明该液压传动系统可以达到预期效果，满足工作要求。
　　参考文献
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