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摘要：为合理分配甘蔗联合收割机多执行机构的流量,针对甘蔗收割机执行机构的特点,提出将基于压力补偿原理的多执行器分流技术应用到收割机上,并对这种分流技术进行了理论分析和仿真研究。结果表明,该压力补偿分流技术能够有效保证液压泵按照各阀杆的行程比例均衡分配流量而不受负载大小的影响,同时,系统具有较好的抗流量饱和能力。
关键词：甘蔗联合收割机; 多执行器; 分流
作为大型农业机械,甘蔗联合收割机在作业过程中要一次性完成扶蔗、切断、断尾、剥叶、输送等工序,且由于蔗地起伏不平,要经常对整个收割台架的高度进行调整,而用于完成这些工序的各马达(液压缸) 所驱动的负载大小不一,且负载是时变的,这就要对各执行器(并联) 的流量进行调节。现有的4GZ2250 型甘蔗联合收割机主要采用在开中心多路阀前安装调速阀的方法进行调节,这样虽能保证去各执行器的流量稳定,但开中心多路阀死区行程较大,特别是在大负载情况下,阀杆的操纵性能很差,调速性能不稳定[1 ] 。此外,当多个执行器同时动作时,容易出现流量饱和现象。这时,液压油优先供给负载较小的执行器,负荷较大的执行器由于流量减小过快而速度骤降甚至停止。基于甘蔗收割机的工作要求,各执行器速度必须相互协调才能正常作业,比如行走速度与刀盘转速的比值不大于0. 048[2 ] ,因此,必须对甘蔗收割机各执行器的流量进行合理分配。
1 多执行器分流技术的实现
多执行器系统流量分配不均衡现象的出现,是由于各执行器所驱动负载的不同而导致多路阀前后压差Δp不同,这从多路阀流量公式很容易看出:
Q = K
式中Q ———流量
K ———综合系数,取决于油液密度、流量系数及阀杆行程
要想按阀杆行程比例分配各执行器流量Q ,只有设法让各联操纵阀前后压差Δp 相等。为达到这一目的,目前工程机械通用的做法是采用压力补偿阀对低负荷支路的操纵阀阀前压力进行补偿,补偿值恰好为执行器负载的差值。如图1 所示,经过压力补偿后,各联操纵阀的流量比例只取决于各阀杆行程,即只与阀杆节流程度有关,与负载无关。当流量饱和时,油液不再是优先流向低负载执行器,而是按阀杆行程比例分配液压泵流量,即系统具有较好的抗饱和功能。 （图片）
图1 经压力补偿后阀杆行程与流量关系 2 压力补偿阀分流原理
压力补偿阀在系统中可以有3 种位置[3 ] ,即阀前补偿(安装在多路阀之前) 、阀后补偿(安装在多路阀之后)及回油补偿(安装在系统回油路上) 。篇幅所限,本文主要研究阀前补偿方式在甘蔗联合收割机上的应用。采用阀前压力补偿系统的分流原理如图2 所示。（图片）
图2 甘蔗收割机压力补偿分流系统原理 为简单起见,本文仅取扶蔗系统和砍蔗系统两个液压子系统为研究对象,图中两液压马达分别为扶蔗马达和砍蔗马达。为改善阀杆调速性能,将多路阀由原来的开中心式改为闭中心式。由图可见,在每个操纵阀之前都设置了压力补偿阀(即图中的二通阀) ,在任一子系统中,分别将泵出口压力信号和负载压力信号引到压力补偿阀的左端阀芯上,将单向阀进油口压力信号和最高负载压力信号(通过梭阀网络比较得出) 引至补偿阀的右端阀芯上。假定泵压为pP , 扶、砍蔗系统中,单向阀进油压力分别为pC1 、pC2 ,负载压力分别为pL1 、pL2 ,操纵阀流量分别为Q1 、Q2 ,操纵阀综合系数分别为K1 、K2 ,最高负载压力为pmax 。对两补偿阀阀芯(假定面积均为A ) 进行受力分析:
对扶蔗系统,由阀芯受力平衡条件:（图片） 不妨假定pmax = pL1 ,则:
pP = pC1
即油液经过压力补偿阀产生的压差为pP - pC1 =0 ,从而,操纵阀前后压差为:（图片） 对砍蔗系统,由阀芯受力平衡条件:（图片） 即油液经过压力补偿阀产生的压差为pmax -pL2 ,此差值恰好补偿了两系统的负载压力之差( pL1 -pL2 = pmax - pL2) 。
操纵阀前后压差为:（图片） 这表明,由于压力补偿阀的补偿作用,所有操纵阀前后压差Δp 相等,与负载大小无关。
从而,流过两操纵阀的流量分别为:（图片） 由此可见,流过两操纵阀的流量仅取决于两阀杆的行程,与负载大小无关。当甘蔗联合收割机的断尾马达、输送马达及割台升降油缸等液压子系统同时动作时,则液压泵将自动按各阀杆的行程比例分配去各子系统的流量,而不会出现低负载过快、高负载变慢甚至停止的现象。当流量饱和时,流过各联操纵阀的流量都会相应减少,但去各子系统的流量仍然与各阀杆的行程成比例,这样就保证了甘蔗收割机各个执行元件之间始终能够相互协调作业。
3 甘蔗收割机分流系统的建模与仿真
为验证上述理论,对基于压力补偿的甘蔗收割机分流系统在AMESim 平台上进行建模与仿真。
3. 1 系统建模
由于AMESim 软件阀类元件库中没有提供图2中所需的方向阀,因此必须通过HCD(Hydraulic Component Design) 库进行设计。本文参照广西农机研究院某多路阀的结构进行设计,阀芯的节流槽形式为L形,阀杆最大行程为7 mm ,最大直径13 mm ,最小直径8 mm ,节流槽最大过流面积38. 5 mm2 。
基于AMESim 所搭建的系统模型如图3 所示。（图片）
图3 基于压力补偿的甘蔗收割机分流系统模型 3. 2 参数设置
将主要仿真参数设置如表1 所示。（图片） 3. 3 模型仿真与分析
图3 所示的模型图中共有3 个液压子系统,其中,1为扶蔗系统,2 为砍蔗系统。首先给两阀杆输入不同的操纵力,并给系统3 中的电磁阀输入具有占空比的电流信号(见图4) 。仿真时间为10 s ,通信间隔为0. 1 s。仿真后得到两阀杆的行程和流量分别如图5、6 所示。（图片）
图4 仿真结果 由图4a 可见,电磁阀在5 s 后开始输入电流信号,因此子系统3 在5 s 之后才开始工作。由图4d 知电磁阀流量为18. 98 L/ min ,而溢流阀的溢流量在5 s 之前为21. 22 L/ min ,该流量足以补充系统3 所需流量,所以图4c 中两操纵阀的流量并没有因系统3 在5 s 后的分流而减少。另外,从图4b 可见,虽然扶蔗系统负载相对较大,但由于扶蔗系统的阀杆行程相对较大,因而其对应的流量也相对较大(见图4c) ,但如果是在没有压力补偿的液压系统中,则砍蔗系统的流量一定大于扶蔗系统。这就证明了在液压泵流量足够的情况下,带压力补偿阀的分流系统所分配给各联操纵阀的流量只取决于各该阀杆的行程比例,与各子系统的负载大小无关。
为验证压力补偿分流系统的抗流量饱和能力,在其他参数不变的情况下,把模型中溢流阀的溢流压力适当调高至无溢流输出状态,再次对模型进行仿真。
仿真后两操纵阀的流量如图4e 所示。由图可见,由于溢流阀流量始终为0 (曲线4) ,故5 s 前泵流量恰好为多路阀总流量。子系统3 在5 s 后开始分流(曲线3 ,分流量仍为18. 98 L/ min) ,这时3 个子系统的流量总需求大于泵流量,即出现了流量饱和现象,因此子系统1 、2 的操纵阀流量都将减少。尽管两子系统的负载差别较大,但由于压力补偿阀的补偿作用,两操纵阀的流量按行程成比例地减少(曲线1 、2) ,而不是把仅有的流量优先分配给负载较轻的砍蔗系统,从而保证了扶、砍蔗系统的转速能够保持原来设定的比例关系协调作业。这就充分证明了带压力补偿阀的分流系统具有较好的抗饱和功能。
4 结论
甘蔗联合收割机执行机构较多,各执行机构所驱动的负载也各不相同,在作业过程中需要多个执行机构协调动作以顺利完成各个工序,所以需要对去各执行机构的流量进行合理分配。目前,甘蔗收割机上用的多路阀多为开中心式,操纵性能较差,调速性能不稳定。理论分析与仿真实验均表明,基于压力补偿原理的多执行器分流技术能够有效保证液压泵按照各阀杆的行程比例均衡分配流量而不受负载大小的影响,同时,当系统流量饱和时,还能保证各执行机构的动作协调关系不受负载与流量的影响。因此,在甘蔗联合收割机上推广这项技术有着十分重要的现实意义。
参考文献:
[1 ] 黄宗益,等. 挖掘机开中心和闭中心液压系统[J ] . 设计研究,2004 (6) .
[2 ] 宋江. 小型甘蔗收获机液压系统设计与动态特性分析[D] . 南宁:广西大学,2005.
[3 ] 黄宗益,等. 分流比负载敏感阀系统[J ] . 试验研究,2004(5) .
[4 ] 顾临怡,谢英俊. 多执行器负载敏感系统的分流控制发展综述[J ] . 机床与液压,2001 (3) .
[5 ] 冀宏,等. 几种典型液压阀口过流面积分析及计算[J ] .机床与液压,2003 (5) .
[6 ] 付永领,祁晓野. AMESim 系统建模和仿真—从入门到精通[M] . 北京:北京航空航天出版社,2006.
4/10/2011
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