水稻直播机升降折叠液压系统设计与仿真

水稻直播机升降、折叠液压系统设计与仿真水稻是我国第一大粮食作物，常年栽种面积超过3000万hm2，约占粮食播种面积的30%。水稻栽种方式分为直播和移栽两大技术体系，与机插秧相比，水稻直播技术省去了工厂化育秧环节，是一种省工、省力、节本、节能和节水的高效栽培方式[2-3]。近年来，随着化学除草技术的成熟以及劳动力本钱的提高，水稻直播也越来越受到人们的青睐。本研究中的水稻直播机采用“集中排种+气流平均分派〞技术方案，技术指标如下：〔1〕1次播种33行，作业幅宽可达8m;〔2〕播种均匀，不伤种，播量可调，可实现播种施肥一体化作业;〔3〕作业效率高，作业速度可达10km/h，作业效率5～20hm2/h。由于直播机作业的水田路面不平整，故须要对其进行升降调节，使得播种管出口距离地面始终保持在固定的高度上，同时该直播机作业幅宽大，不方便运输，所以须要设计折叠液压系统，在运输过程中将左右两侧播种架进行折叠，折叠后的宽度约为3.5m。本研究对该直播机的升降、折叠液压系统进行设计计算，利用AMESim软件进行系统仿真剖析，旨在提高所设计液压系统的可靠性。液压系统设计1.1液压系统参数计算由于直播机作业幅宽大，故对它的升降系统使用2个液压缸，以防备单个液压缸在提升过程中两侧臂下垂，关于折叠系统那么在左右两侧各设置1个液压缸进行折叠。水稻直播机的升降、折叠液压系统，均为液压缸无杆腔为主工作腔，液压缸压力负载关系知足式〔1〕：式中：p1表示主工作腔压力，MPa;p2表示回油腔背压，MPa;D表示液压缸缸筒直径，cm;d表示活塞缸直径，cm;A1表示无杆腔活塞有效面积，cm2;A2表示有杆腔活塞有效面积，cm2;Fmax表示单个液压缸最大负载，取14kN;ncm表示液压缸机械效率，一般取0.90～0.95。设计压力〔p1〕和回油腔背压〔p2〕可分别按照表1、表2选择[4-5]。升降系统最大负载为28kN，折叠系统最大负载为22kN，且安装尺寸较小，故设计压力选择4.0MPa，在保证系统压力前提下，能够在一定程度上减小液压元器件的尺寸和质量。升降系统和折叠系统的回油腔背压均选择0.3MPa。经计算可知，液压缸缸筒直径〔D〕可按照公式〔4〕计算：式中：表示液压缸的杆径比，杆径比能够按照表3选择。升降液压缸和折叠液压缸设计压力均为4.0MPa，杆径比选择0.5。经计算，升降液压系统的液压缸缸筒直径〔D〕为7.0cm，活塞缸直径〔d〕为3.5cm，折叠液压系统的液压缸缸筒直径〔D〕为5.6cm，活塞缸直径〔d〕为2.8cm。液压缸最大流量可按照式〔5〕计算：式中：A1表示无杆腔活塞有效面积;vmax表示液压缸最大速度，2个系统均取0.1m/s。经计算可知，关于升降液压系统，单个液压缸最大流量为23.1L/min，系统需要提供的最大流量为46.2L/min;关于折叠液压系统，单个液压缸最大流量为14.8L/min，系统需要提供的最大流量为29.6L/min。升降液压系统和折叠液压系统使用同一个液压泵进行供油，原动机额定转速为1500r/min，液压泵最大排量为50.5mL/r。升降液压系统和折叠液压系统的设计参数如表4所示。1.2液压系统设计升降液压系统和折叠液压系统的设计要求如表5所示。按照系统设计要求，所设计的液压系统原理图如图1所示。由图1可知，原动机为整个系统提供动力，齿轮泵是液压系统的动力元件，平安阀设置系统的平安压力，防备压力过高而破坏液压元器件，分流集流阀用于把流入升降系统液压缸的流量按照1∶1的比率一分为二，使得2个升降液压缸抵达较高的同步精度。液控單向阀用于锁紧液压缸，当三位四通换向阀6处于左位时，液压缸无杆腔进油，液压缸上涨，假定此时突然停止供油，液控单向阀实现单向锁紧，使得液压缸固定在某一高度;当该三位四通换向阀6处于右位时，液压缸无杆腔进油，高压油经过液控单向阀的液控油口使它处于接通状态，液压缸下降。单向节流阀用于控制系统流量，防备在液压缸下降过程中系统流量过大而超速。三位四通换向阀7用于改变折叠液压系统的流量方向，当该阀处于左位时，无杆腔进油;当它处于右位时，有杆腔进油;当处于中位时，系统卸荷，防备发热。液压系统仿真本研究使用AMESim软件对所设计的液压系统进行仿真剖析。AMESim为多学科领域复杂系统建模拟真平台，用户能够在这个单调平台上成立复杂的多学科领域的系统模型，并在此根基上进行仿真计算和深入剖析，也能够在这个平台上研究任何元件或系统的稳态和动向性能[7-9]。在水稻直播机的工作过程中，升降系统和折叠系统不会同时工作，所以将2个液压系统按照各自模型分别进行仿真，在仿真过程中，对局部液压元件进行简化。升降液压系统在AMESim中的模型如图2所示，仿真参数设置如表6所示。由图2可知，三位四通换向阀用于改变系统的流量，额定电流为mA，当它处于右位时，液压缸伸出，战胜负载工作，三位四通换向阀在系统中的子模型如图3所示，该阀共有5个接口，每个接口拥有不同的外部变量。常数信号经过力变换器作用于液压缸有杆腔，信号值代表负载的大小，升降系统的最大负载为28000N，故单个液压缸的最大负载为14000N。按照表6中的参数对该系统进行仿真，仿真时间为3s，计算步长为0.01s。升降液压缸的位移-速度变化曲线、进油口压力变化曲线及进油口流量变化曲线分别如图4、图5、图6所示。由图4可知，虚线表示位移-时间曲线，实线表示速度-时间曲线，在3s内，液压缸位移变化近似于一条直线，最大位移为0.296m，平均速度0.1m/s，这和系统的设计参数根本一致。液压缸速度在刚开始的0.1s内有一定的波动，波动范围为0.05～0.15m/s，在0.1s后，液压缸速度根本稳定在0.10m/s。由图5可知，液压缸进油口的压力最终稳定在3.65MPa，略小于设计压力的4.00MPa，在0.1s内，系统压力出现小幅波动，最大压力为3.76MPa，小于平安阀设定的压力5MPa，切合设计要求。由图6可知，液压缸进油口流量曲线的变化趋势与压力变化趋势近似，在0.12s内，流量曲线出现较大波动，最大流量为35.94L/min，0.12s后，系统流量稳定在23.07L/min，与设计参数根本一致。同时，对直播机折叠进行建模拟真，折叠液压系统在AMESim中的模型如图7所示，仿真参数设置如表7所示。按照表7中的参数对该系统进行仿真，仿真时间为8s，计算步长为0.01s。折叠液压缸的位移-速度变化曲线、进油口压力变化曲线及进油口流量变化曲线分别如图8、图9、图10所示。由图8可知，虚线表示位移-时间曲线，实线表示速度-时间曲线，在8s仿真时间内，液压缸位移变化近似于1条直线，最大位移为0.797m，平均速度约为0.1m/s，这表示液压缸运动平稳，波动较小。图9表示折叠液压缸进油口压力曲线，系统压力波动较小，抵达稳态后，压力值为3.987MPa。图10表示折叠液压缸进油口流量曲线图，在0.1s时间内，系统流量有一定的波动，系统流量最终稳定在14.78L/min。仿真结果与设计参数根本一致，知足设计要求。3结论本研究按照水稻直播机升降、折叠系统的工作要求，对它的液压系统进行设计，计算有关液压元器件的参数，同时将所设计的系统使用AMESim软件进行建模拟真。由仿真结果