联合收割机行走液压驱动系统仿真分析

 

赵姗¹，杨俊茹¹，张振华^1,4，刘延俊³

（1.山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590；3.山东大学机械工程学院，山东 济南 250000；4.日照海卓液压有限公司，山东 日照 276800)

 

摘  要：行走驱动系统是车辆整体结构中的重要部分，针对联合收割机在农业生产中的环境特性，对行走液压驱动系统的参数进行计算，并在不加载、加载以及泵排量变化这三种情况下对行走液压驱动系统进行了仿真分析，仿真结果表明，不管收割机在何种工作环境下作业时，其执行机构都会迅速调整输出压力和转速来适应工作条件的变化。利用AMEsim对液压系统进行仿真，通过仿真曲线可以看出系统工作时的动态参数变化，对液压驱动系统的优化与改进提供了数据支持，减少了产品开发周期，提高了经济效益。

关键词：行走液压驱动系统；功率匹配；AMESim仿真

 

0  引言

随着城市化的不断推进，劳动力大量涌入城市，农村劳动力极度匮乏，在农忙季节，没有充足的劳动力来完成必要的农业活动。国外发达国家一般利用各种农用机械来完成田间的作业活动，但是我国的农业机械水平发展相对落后，想要完成大规模的农业生产活动还存在一定的困难^[1,2]。联合收割机是一种集收割、脱粒、分离、清选、集粮等多种功能于一体的复式作业机械，在现代农业生产模式中发挥着重要的作用。现阶段，我国的大部分联合收割机采用纯机械皮带轮传动方式的驱动行走系统，容易出现打滑、断裂等现象，具有传动精度低、工作效率低等缺点，难以满足精细农业正产的要求^[3,4]。

现阶段，国际上比较先进的联合收割机的驱动行走系统多采用液压传动方式，液压传动具有传动平稳、承载能力大、液压元件位置布局灵活方便等优点，在联合收割机行业的应用越来越广泛^[5]。对于农业的精细化生产，液压传动更容易实现智能化控制，因此，液压传动将成为农业机械传动方式发展的主流^[6]。

1  联合收割机行走液压驱动系统

1.1 行走液压驱动形式

联合收割机的行走液压系统采用闭式液压回路、变量泵-定量马达驱动，加上各种管路控制元件构成了行走液压驱动系统。在系统的主回路中，变量泵的出油口直接与定量马达的进油口相连组成高压油路，变量泵的进油口直接与定量马达的出油口相连组成低压油路，因此构成了闭式回路。通过改变变量泵的排量来达到调节液压马达转速的目的，补油泵采用与变量泵同轴驱动的方式，向变量泵控制机构提供油液，对油液进行降温，同时为系统补充由于泄漏、冲洗、溢流而造成的流量损失，保证系统主回路有一定的背压，液压系统原理图如图1所示。

 

图1  行走液压系统原理图

Fig.1  Schematic diagram of walking hydraulic system

1.2 发动机与液压泵的匹配

发动机与液压泵既要满足功率匹配，同时也要满足扭矩匹配。因为发动机与液压泵额定转速的不同，有时达到了功率匹配的要求，但扭矩有可能不匹配。因此扭矩匹配也是一个不可忽视的问题，可能导致功率过剩或者功率不足^[7-9]。

发动机输出功率：

             （1）

式中，—发动机输出功率(kw)；—发动机转矩(Nm)；—发动机转速(r/min)

泵输出功率：

              （2）

式中，—泵输出功率(kw)；—泵出口压力(Pa)；—泵出口流量(L/min)

                  （3）

式中，—泵排量(mL/r)；—泵转速(r/min)

由于泵直接与发动机相连，再考虑到其中的传动关系，则：

                  （4）

式中 —泵自身效率

为了使发动机保持在最佳工作点工作，发动机的输出转矩应该是一常数，则：

            （5）

式中，—泵吸收转矩(Nm)；—常数

因为由负载决定，当外部工作环境引起负载变化时，相应的也会导致与的变化。当不在最佳工作点工作时，泵与发动机不匹配，因此通过调节来改变，保证泵的输出转矩不变，达到泵与发动机功率匹配的目的。

2  行走液压驱动系统数学模型建立

由于联合收割机的质量较大，而且其工作环境也不尽相同，因此采用变量泵-定量马达的闭式控制回路，利用改变变量泵的排量来调节液压马达的转速。根据联合收割机的工作状况，建立牵引力数学模型：

           （6）

式中，—滚动阻力(N)；—坡度阻力（在平地上行驶时忽略不计）；—工作阻力(N)

                  （7）

式中，—空气阻力(N)；—加速阻力(N)

将上述公式中的各个阻力拆分计算：

                 （8）

式中，G—整车总质量；f—滚动阻力系数，取f=0.02

               （9）

—坡度角，取

         （10）

式中，C_w—空气阻力系数，C_w=0.5；—空气密度，=1.29kg/m³；—车辆迎风面积(m²)；—车辆运动速度（km/h）

         （11）

式中，e—质量系数，取e=1.3；m₀—空载车重(kg)；m₁—粮重(kg)；—水平加速度（m/s²）

由此得到：

N

车轮滚动所需的力矩，式中，d—车轮直径（m），得：M=2653.7Nm。

马达排量为： ，式中，P—工作压差，P=25MPa；—马达容积效率，取，得出V=931.68mL/r。

           （12）

—最高行驶速度（km/h）；—马达最高转速（r/min）；—车轮半径（m）；得到r/min。

所以液压马达最大流量为：

L/min

3  行走液压驱动系统仿真分析

3.1 液压行走系统仿真模型的建立

本文利用AMEsim软件来进行仿真分析^[10-12]，建立仿真模型，首先在草图模式下将所需要的液压元件模型找出，将其连接在一起搭建成为液压系统。然后进入子模型模式，若在草图模式下搭建的系统存在错误，软件会自动提示进行修改，如果对元件没有特殊要求设置的话，一般点击首选子模型即可。之后进入参数模式，对液压系统各元件进行参数设置。最后进入仿真模式，设置仿真时间与采样周期，进行仿真，结果曲线可通过拖拽显示。按照上述步骤，建立液压行走系统，行走系统仿真模型如图2所示。

 

图2 行走系统模型

Fig.2  Walking system model

3.2 仿真结果分析

利用AMEsim进行仿真可以模拟设备实际的工作状态，减少了设计时的人力物力投入，提升了生产效率。

根据上面的分析得到联合收割机行走液压驱动系统的主要参数，由此设定仿真参数进行仿真。

1、行驶驱动系统对外界负荷的响应特性分析

（1）不加载荷时系统阶跃响应特性

使变量泵的排量处于最大值状态，因此将其控制信号设为1；为了模拟系统在无加载的情况下系统的阶跃响应，将阶跃信号设为0，设定仿真时间5s，采样周期0.01s，得到系统在不加载荷时的马达转速响应如图4所示。

 

图3 泵输入信号

Fig 3  Pump input signal

 

图4 马达转速变化

Fig 4  Change in motor speed

由图可以看出，在没有加载的情况下，马达的响应速度很快，经过1.2s后转速趋于稳定。

（2）加载时系统阶跃响应特性

将负载阶跃信号设置为100来模拟系统在有加载时的情况，设置仿真时间2s，采样周期为0.01s，得到外载荷为100N时的速度响应特性曲线。

 

图5 加载时马达转速

Fig 5  Motor speed at the time of loading

从图5可以看出，负载对系统的影响比较大，在1s时加入负载，此时马达转速的波动减小，达到稳定状态的时间变短，在达到稳定状态后马达转速有所下降。

（3）改变泵的排量时系统响应特性

在建立的仿真系统中利用分段信号来控制变量泵的排量变化情况，设定仿真时间60s，采样周期0.01s，输入信号及系统的压力和流量等参数仿真如图6、图7、图8、图9、图10所示。

 

图6 泵输入信号

Fig 6  Pump input signal

 

图7 马达转速变化

Fig 7  Change in motor speed

 

图8 马达入口流量变化

Fig 8  change of inlet flow of motor

 

图9 马达扭矩变化

Fig 9  torque change of motor

 

图10 变量泵两端压差变化

Fig 10  Pressure difference across the variable pump

由上图可以看出马达输出转速是与其入口流量成正比的，马达输出扭矩和变量泵两端的压差也是成正比的。当输入信号发生变化时，系统会产生液压冲击。当输入信号变到反向最大值时，系统压力急速增加，扭矩也急剧变化。

2、在不同加载情况下的系统仿真分析

在不同的地区联合收割机的工作环境是不相同的，在不同的工作地形中，所受到的工作阻力也是不尽相同的。因此，针对联合收割机在工作过程中所受到的工作载荷不同，对两种不同载荷下的系统进行了仿真分析。

（1）由上述的计算可知，当收割机在较平坦的地形中作业时，可忽略坡度阻力，得到联合收割机的牵引力，从而得出其驱动力矩为227.85Nm，因此将负载阶跃信号设置为227.85，输入上述参数，设定仿真时间与采样周期，开始进行仿真。

 

图11 行走马达转速

Fig.11  Walking motor speed

 

图12 行走系统压力

Fig.12  Walking system pressure

从仿真曲线可以看出，当给驱动系统加载227.85Nm的干扰力矩时，刚开始有一定的压力波动，但是经过0.2s左右，系统趋于稳定状态，稳定压力为82bar。由马达转速曲线观察到，在稳定工作状态时，马达输出转速103.6r/min。

（2）设置加载2653.7来模拟收割机在最大阻力下工作的状态。将负载阶跃信号设置为2653.7Nm来模拟设备在最大阻力下的工作情况，得到其转速、扭矩、压力输出曲线如图所示。从曲线可以看出，在最大加载2653.7Nm的情况下，系统压力经过0.3s的波动后逐渐趋于稳定，保持在185bar，没有超过系统的设定压力。

 

图13 最大阻力下行走马达扭矩

Fig 13  torque of a walking motor under maximum resistance

 图14 最大阻力下行走马达转速

Fig 14  speed of walking motor at maximum resistance

 

图15 最大阻力下行走系统压力

Fig 15  pressure of the walking system under maximum resistance

4  结论

通过建立收割机静液压传动的AMEsim仿真模型，对其液压系统在不加载、加载以及泵排量变化这三种情况下进行分析，观察系统各参数的变化情况，仿真结果表明静液压传动系统无论是联合收割机在何种工作环境下作业时，都不会超过系统的设定压力。随着工作阻力的变化，其执行机构都会在很短的时间内做出响应，调整输出压力和转速来适应工作条件的变化。利用AMEsim软件对液压系统进行仿真，极大的还原了设备实际的工作运行状态，通过观察仿真曲线的变化情况，可以看出系统工作时的动态参数变化，对不符合规律的动态参数加以分析，对系统进行优化改进，减少研发成本。

参考文献：

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[2] 凌健．液压系统在工程机械传动中的应用和优势[J]．时代农机，2015(1):134－135．

[3] 张立杉．静液压驱动系统在农业机械领域的应用[J]．液压气动与密封，2014(10):78－80．

[4] 余国明，江晓琳.轮式联合收割机静液压行走驱动系统[J].农业机械，2017(10):112-113.

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[7] 彭天好，杨华勇，傅新．工程机械中的泵与发动机匹配[J]．工程机械，2008，1：37-41．

[8] 牛利田．某收割机液压行走驱动系统匹配与性能仿真[D]．青岛理工大学，2015．

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[10] 张久林. 工程机械液压行走系统的设计及理论研究[D].同济大学,2007.

[11] 周士璐．联合收割机行走动力传动系统建模与仿真[D]．青岛理工大学，2013．

[12] 付永领，齐海涛．LMS Imagine. Lab AMESim 系统建模和仿真实例教程 [M]．北京：北京航空航天大学出版社，2011．

Simulation analysis of hydraulic driving system of combine harvester

Yang Junru¹，Zhao Shan¹，Li Ruichuan²，Zhang Zhenhua^1,4，Liu Yanjun³

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China；2. Shandong Wuzheng Group Co., Ltd., Rizhao 276800；3. College of Mechanical Engineering，Shandong University，Ji'nan 250000，China；4. Rizhao Haizhuo Hydraulic Co. Ltd., Rizhao 276800, China)

Abstract: The driving system is an important part of the overall structure of the vehicle. According to the environmental characteristics of the combined harvester in the agricultural production, the parameters of the walking hydraulic drive system are calculated, and the hydraulic driving system is simulated and analyzed in three cases without loading, loading and displacement of the pump. The simulation result table is carried out. No matter what working environment the harvester works, its executing agencies will quickly adjust the output pressure and speed to adapt to the change of working conditions. Using AMEsim to simulate the hydraulic system, the dynamic parameters of the system can be seen through the simulation curve, and the data support is provided for the optimization and improvement of the hydraulic drive system, and the development cycle of the product is reduced and the economic benefit is improved.

keywords: Walking hydraulic drive system; Power matching; AMESim simulation