加工番茄果秧分离装置液压系统的设计与仿真分析.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 l 5期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAULI CS Au g ． 2 01 4 Vo l _ 4 2 No ． 1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 5 ． 0 2 4 加工番茄果秧分离装置液压系统的设计与仿真分析 李成松 ，梁荣庆 一，丛锦玲 ，坎杂 ，冯玉磊 一，陈端凤 ’ 1 ．石河子大学机械 电气工程学院，新疆石河子 8 3 2 0 0 3 ； 2 ．新疆生产建设兵团农业机械重点 实验室，新疆石河子 8 3 2 0 0 3 摘要根据加工番茄收获机果秧分离装置的工作原理及工况要求，设计了该装置的液压系统，通过参数计算对该液压 系统主要元件进行了选型。利用 A ME S i m液压系统仿真软件建立了系统仿真模型，并进行了仿真分析 ，仿真分析结果与该 系统试验运行情况吻合较好 ，能够保证加工番茄收获机果秧分离装置的可靠性。 关键词 加工番茄 ；果秧分离装置 ；液压 系统 中图分 类号 2 2 5 ． 9 2 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 41 5 0 9 7 4 S i mul a t i o n Ana l y z e a n d De s i g n o f Hy dr a u l i c S y s t e m o f Pr o c e s s i ng To ma t o Fr ui t ． s e e dl i n g Se p a r a t i o n De v i c e U C h e n g s o n g ， L I ANG Ro n g q i n g 。 ，C O NG J i n l i n g ，K AN Z a ，F E NG Y u l e i 一，C HE N D u a n f e n g 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，S h i h e z i U n i v e r s i t y ， S h i h e z i X i n j i a n g 8 3 2 0 0 3 ，C h i n a ； 2 ． A g r i c u l t u r a l Ma c h i n e r y K e y L a b o r a t o r i e s ， X i i a n g P r o d u c t i o n a n d C o n s t r u c t i o n C o r p s ， S h i h e z i X i n j i a n g 8 3 2 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e w o r k i n g p r i n c i p l e a n d t h e c o n d i t i o n s r e q u i r e me n t o f t h e f r u i t s e e d l i n g s e p a r a t i o n d e v i c e o f p r o c e s s i n g t o ma t o h a r v e s t e r ，t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e a p p a r a t u s w a s d e s i g n e d ． T h e ma i n c o mp o n e n t s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m we r e s e l e c t e d t h r o u g h t h e p a r a me t e r c a l c u l a t i o n ．A s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d t h r o u g h u s i n g AME S i m h y d r a u l i c s y s t e m s i mu l a t i o n s o f t wa r e，a nd t he n s i mul a t i o n an a l y s i s wa s c o nd u c t e d．The s i mul a t i o n a n a l y s i s r e s u l t s a r e i n g o o d a g r e e me n t wi t h t ha t f r o m t he t e s t nl n o f t h e s y s t e m，a n d i t c a n e n s u r e t h e r e l i a b l e o p e r a t i o n o f t h e f r u i t s e e d l i n g s e p a r a t i o n d e v i c e o f p r o c e s s i n g t o ma t o h a r v e s t e r ． Ke y wo r d s P r o c e s s i n g t o ma t o ；F r u i t s e e d l i n g s e p a r a t i o n d e v i c e ；Hy d r a u l i c s y s t e m 在等功率下 ，液压传动与机械传动相比体积、质 量较小 ，结构紧凑⋯，适合远距离动力传输 ，并具有 易实现无级变速 、自动控制与过载保护等优势 。 ， 非 常适合应用于结构形态多变 ，工作条件恶劣 的农业 机械 ，已成 为收获机 的一 个不可 缺少 的组成 部分 ， 提高了收获机的整体可靠性 、操纵性 、舒适性 、方便 性 和智能化水平 。 果秧 分离装 置作 为加 工番 茄 收获 机关 键部 件 之 一 ，主 要用于番 茄收获 机 进行 机械 化采 收 时完 成 加工 番茄 果秧一 次性分 离 ，对 加 工番 茄 的机 械化 采 收起 着至 关重要 的作用 。本 文作 者设 计 的果秧 分 离 装置液压系统具有控制精度高、响应速度快、可靠 性 高 、工作 性能好 等特 点 ，能够 很好 地 驱动 与控 制 加 工番茄 果秧分离 装置 ，可 实现 加工 番茄 果 秧 的高 效 可靠分 离 。 1 番茄果秧分离装置结构与工作原理 番茄果秧分离装置主要 由分离滚筒机构 执行 机构4和偏 心驱动机构 6两部分组合 而成 ，通过法 兰盘 联轴器 2 联 接 ，如 图 1 所示 。 0 1 一 偏心 块 ．2 一法 兰盘 联 轴器 4 3 一 中 间轴 公 转轴 4 _ _ 分离弹齿 滚 筒机 构 2 5 -- - 自转 轴 6 一 偏心 块驱 1 动机构 图1 加工番茄果秧分离装置 果秧分离装置是采用惯性力对加工番茄果实与茎 秧进行分离 。液压马达通过同步带 驱动偏 心块机 构 收稿 日期 2 0 1 3 0 62 0 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 2 6 5 0 4 6 作者简介李成松 1 9 7 6 一 ，男，副教授，硕士生导师 ，主要从事农业机械化 工程 方面研究。Ema i l l c s s h z 1 63 ．c o rn。 9 8 机床与液压 第 4 2卷 6绕 中间轴 公 转轴 3进 行公转 ，同时该机 构 中的 两个对置的偏心块 1 绕 自转轴 5进行 自转 ，产生激振 力偶 ，驱动分离弹齿滚筒 4绕中问轴 公转轴 3进行周期性单向变速回转运动，固定在分离弹齿滚 筒 4上的胶棒对加工番茄果秧进行击打与抛甩 ，实现 加工番茄果秧 的可靠分离 。 2 果秧分离装置液压 系统设计 2 ． 1 液 压 系统机 构与 工作 原理 如 图 2所示 ，果秧分离装 置液压系统主要 由液压 马达 、三通调速阀 、溢流阀 、单 向阀 、散热器 总成 及 检测元件等组成 。液压泵 2输出的部分液压油经压力 补偿 比例流量 阀 4进入果秧分离装 置液 压马达 5 ，驱 动液压马达 5做匀速 回转运动 ；另一部 分液压油则 通 过压力补偿 比例流量 阀 4的 P 阀 口进 入到压 力 补偿 比例流量阀8 ；液压马达 5的出油口与抛秧皮带液压 马达 7进油 口串联 ，液压马达 5的回油 与压力 补偿 比 例流量 阀 4的 P 阀 口输 出 的部 分液 压油经 压力 补偿 比例流量 阀 8 ，此时 ，部分液 压油直接 进入液 压马达 7 ，使其做匀速 回转 ，驱动抛 秧皮 带旋 转 ，把分 离后 的番茄秧抛出机外 ，流经该 阀的另 一部分 液压 油则通 过油 口 P 流 回液压油箱。 l 一 液 压油 箱 2 一 液 压泵 3 一 过 滤器 4 -换向阀 5 一 溢 流 阀 6 一 比例流 量 阀 7 一单向阀 8 一 分 离装 置 液 压马达 9 一抛 秧 皮带 液压 马达 图2 分离装置与抛秧装置液压系统原理图 2 ． 2 液压 系统元件计算与选型 2 ． 2 ． 1 液压 马达选 型 液压马达有定量马达和变量马达两种 ，该液压 系 统使用 的是定 量马达 。 1 分离装置液压 马达所需 的排量为 V 2 r T m 1 P 式中 为液压马达最大排量 ，m L ／ m i n ； 为液压马达输出扭矩 ，N m； 7 7 为液压马达工作效率 ，取 0 ． 9 5 ； P 为液压马达最大工作 压力 ，取 1 2 MP a 。 通过加工番茄收获机的前期 田间试验及分离装置 试验台直接测得，其最大扭矩为 5 0 N 1 13 。液压马达 最大工作压 力为 1 2 MP a ，机械效 率 为 0 ． 9 5 ，分 离装 置最大转速为 6 0 0 r ／ ra i n 。 代人数据 ，求得分离装置液压马达最大排量为 2 7 ． 5 mI ／r P 2 分离装置马达需要的最大流量为 Q n 2 式 中 Q 为液压 马达最大 流量 ，m L ／ r ； n 为液压马达最大转速 ，r ／ ra i n ； 为液压 马达最大排量 ，m L ／ m i n 。 代 入数据 ，求得分离装置液压 马达最 大流量为 Q n m V 1 6 5 2 6 mL ／ mi n1 6 ． 5 2 6 L ／ rai n 经综合考 虑 ，分离装置液 压马达选用 B MR 1 6 0 2 一 B - M s型摆线 马 达 ，最 高转 速 为 6 0 0 r ／ ra i n ，最 大 输 出扭 矩为 2 0 0 N m，额定流 量都 为 3 4 L ／ ra i n ，额 定 压力为 1 4 MP a 。 试 验测得抛秧装 置最大扭矩为 6 5 N m，抛秧 装 置最大转速为 3 0 0 r ／ m i n ，由公式 1 、 2 可知抛 秧皮带液压马 达 的最大 排量 及最 大流量 分 别为 3 5 ． 8 mL ／ r和 1 0 ． 7 4 L ／ mi n ，则 抛 秧 皮 带 马 达 可 选 用 B M R 2 0 0 ． 2 ． E M S型摆线 马达 ，其 参数 类 似 ，排 量 比 分离装置驱动马达略大 。 2 ． 2 ． 2 液压 泵的选 型 1 液压泵工作压力的确定 P ≥P ∑A p 3 式 中 P 为液压泵最大工作压力 ，MP a ； P 为液压马达最大工作压力 ，M P a ； ∑△ p 为管路压力总损失， M P a 。 在 系统 中 ，有两个并联 的三通调速 阀 、一个溢 流 阀和 一个过滤器， 取 ∑△ p 0 ． 5 M P a 。 故， 液压泵 工作压力 为 P 1 20 ． 5 MP a1 2 ． 5 MP a 2 液压泵流量 的确定 液 压泵 的流 量应 该大 于 或等 于所 有 马达 流 量 的 和 ，即 q ≥K ∑q ． ,ax 4 取液压马达的泄漏系数 K为 1 ． 2 ，则两液 压马 达所需流量 的总和 即为该 泵所 需 流量 ，用 Q ．． 表 示 ， 则有 QbK Q 1Q m 2 3 2 ． 6 L ／ mi n 综合 考 虑 ，选 用 了镇 江 液 压 齿 轮 泵 ，型 号 为 G P C 4 - 5 0 ，最大 流量 为 5 0 L ／ m i n ，转 速 可 达 3 0 0 0～ 4 0 0 0 r ／ m i n ，理 论扭 矩 为 1 7～6 4 N 13 3 ，压力 可达 2 O～ 2 5 MP a 。该 系统 中选用 的液压元件 如表 1 所示 。 8 7 6 5 4 3 2 l 第 1 5期 李成松 等 加工番茄果秧分离装置液压系统的设计与仿真分析 ‘ 9 9 表 1 果秧 分离装置液压 系统元件型号 元件名称 型 号 齿轮泵 单向阀 过滤器 电磁溢流阀 比例调速阀 分离装置马达 抛秧带马达 GPC 4． 5 0 CXBN XAN ZU I H1 6 02 0 P ZDB1 0VP1 - 4X／2 00 X Q P 5 C 3 F S F ．c l o 1C E P S R S Y 0 3 O O 1 BMRD一 1 6 0． AAMS B MR． 2 0 0 一 AAMS 2 ． 3 回路压力损失的计算 液压油在流动过程 中存在层 流 和紊流 两种状 态 ， 各状态流动阻力产生的原因不同，导致压力损失规律 也不 相 同，主 要 分 为 沿 程 压 力 损 失 与 局 部 压 力 损 失 。流经各种阀类的压力损失 以局部压力损失 为主 ，在全部压力损失 中占有较大 的比重 。在额定流 量 Q下 ，流经各 种 阀类 的压力 损失 可 由产 品的样 本 查得 。 2 ． 3 ． 1 沿 程压力损失计 算 根据实 际安装情况 ，系统选用 内径 为 0 ． 0 3 2 m 的 胶管 ，管路长为 8 m，压力损失较 大 ；根据液压 泵对 液压 油的要求 ，并 参考 同类 机械 ，系统选用 4 6号抗 磨液 压 油 ，正 常运 转 后 油 的运 动黏 度 4 61 0 i n ／ s ，油 的密度 P 9 1 8 k g ／ m 。 。 1 管路 中油液 的平均流速 5 d一 式 中 V 为管路 中油液平均流速 ，m ／ s ； q为管路 中的平均流量 ，L ／ s ； d为胶管 内径 ，m。 其 中 ， q Q b _ 2． 7 1 0- 3 L ／s 代人数 据得 3 ． 3 6 m／ ,r r d 0 ． 0 3 2 2 雷诺数 m 堕 6 式 中 胁 为雷诺数 ； 为管路中油液平均流速，m ／ s ； d为胶管 内径 ，m； y为液压 油运动 黏度 ，m ／ s 。 代人数据得 R v d 3 9 8 1 2 3 0 0e 4 6 1 0 ■ j 6 l 1 ， - D 液压油在管路中呈紊流流动状态，其沿程阻力系 数为 A 7 A ， 求得沿程压力损失为 a p A 8 代人数据得 ap． 0． 0 3 MP a 而 2 ． 3 ． 2 局部压力损失计算 局部压力损失指液体流经如阀口、弯管 、通流截 面变化等局部阻力引起的压力损失 引。该系统的局 部压力损失主要包括管路中折管和管接头等处的局部 压力损失 △ p ，以及通过控制 阀类的局部压力损失 卸， 。其 中管 路 中折 管 和接 头处 的 卸 可忽 略 不计 ， 则系统中各 液压元 件产生的压力 损失 为 △ p △ p f 旦 9 、 q s 式中△ p为局部压力损失，MP a ； q为实 际流量 ，m L ／ s ； q 为额定流量，m L ／ s ； △ p 为额定流量下的压力损失 ，MP a 。 在该 系统中 ，产生局部压力损失 的液压元件 主要 有比例调速阀和过滤器。比例调速阀的额定流量为 8 0 L ／ m i n ，额定压力损失 0 ． 3 MP a 。过滤 器 的额定流 量为 1 5 0 l Mm i n ，额定 压力 损失 0 ． 2 MP a 。则通 过各 阀的局部压力损失之和为 卸 卸 - 。 △ p f 0 ． 4 x o - 2 M P a - o ． 5 4 由以上计算结果可知果秧振动分离装置液压系统 总压力损失为 ∑P o ． 0 3 0 ． 8 4 M P a 0 ． 8 7 M P a 抛秧液压系统总压力损失为 ∑P 2 o ． 0 3 0 ． 6 M P a 0 ． 6 3 M P a 则系统最大工作压力为 1 2 ． 5 MP a 较为适合 。 3 分离装置液压系统仿真分析 3 ． 1 系统模型的建立 在加工番茄收获中，对该系统平稳性要求较高， 参照实际工况条件，利用 A M E S i m液压仿真软件建立 液压 系统 的模型如 图 3所示 。 1 0 0 机床与液压 第 4 2卷 图 3 果秧分离装置液压系统仿真模型 3 ． 2 系统仿真 分析 系统中两个液压马达所受阻力全部 由外部信号加 以模拟 ，仿真模型中的参数根据液压系统实际的数值 进行设置 ，主要参数如表 2 。 表 2 分离装置 液压 系统仿真 参数 的设 置 参 数 数 值 液压 泵排 量／ mL r 分离装置马达排量／ m L r 分离装置凋速阀最大节流 口直径／ m m 抛秧皮带马达排量／ m I r 抛秧皮带调速 阀最大节流 口直径／ m m 液压油黏度／ m s 5 0 1 6 0 2 00 4 6 l 0“ 液压油油温／ ℃4 0 分 析仿真结果如 图 4与 图 5所示 ，当改变节流 阀 开 口度 ，使三通调速阀阀 口从 0到 8 0 ％变化时，由 图 4可看 出分离装置液压马达 的转速是增加趋势 ，由 最初 的 0 r ／ m i n变化到 6 0 0 r ／ ra i n 。此时 ，节流阀两端 的压力 变化曲线 如图 5所示 ，随着 阀开 口增大 ，液压 马达转速提高 ，比例 调速阀的压力 差逐渐 减小 ，从 而 减小 节流损失 ，因此 ，该 系统符合设计要求 ，可满足 加工番茄果秧分离装置工况要求。 t ／ s 图 4 分离装置马达 转速 与节 流阀 口开度的关系 t } s 图 5 分离装置马达 液压 回路节 流 阀阀 口压力 5 4结论 对加工番茄果秧分离装置液压系统进行 丁结构 没 计及液压元件选型 ，并对系统进行了仿 真分析 ，该系 统存在以下优点 1 加工 番 茄果秧 分离 装置 液 压系统 主 要 由液 压泵 、液压马达 、压力补 偿 比例 流量阀 、单 向阀 、溢 流阀及过滤器等液压元件组成 ，结构简单可靠 、 2 在 该 系统 中，果 秧分 离装 置 与抛 秧皮 带 液 压马 达 分 别选 用 B MR 1 6 0 2 一 B 。 M S型 、B MR 2 0 0 ． 2 一 B M S型摆线 液 压 马达 ，液压 泵选 用 G P C 4 5 0 齿轮 泵 ，满足设 计要求 ；并且 在 系统 通 X Q P 5 C 3 F S F 0 0 1 C E P S R S Y 0 3 0 0 1 型压力 补偿 比例 流量阀按给定 电流成 比例 的调节进入果秧分离装置与抛秧皮带液压 码达的 流量 ，使外负载与功率较好 匹配 ，达到节能 降耗 的 日 的。 3 该 系统 利用 A M E S i m液 压仿 真软 件 建立 了 仿真模型 ，通 过 分析 得 出 系统转 速 和压 力 的仿 真 曲 线 ，仿真结果表 明，该系统设计合理 ，呵满足 I 作 要 求 。 参考文献 [ 1 ]姜继海． 液压传动[ M] ． 4版． 哈尔滨 哈尔滨1 一 、 大学 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ]贾铭新． 液压传动与控制[ M] ． 2版． 北京 国防工、 出 版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ]江英兰， 梁荣庆 ， 坎杂， 等． 番茄收获机果秧分离装置液 压系统能耗分析[ J ] ． 农机化研究， 2 0 1 0 6 5 1 5 4 ． [ 4 ]曹玉宝 ． 液压技术在现代农业机械 中的应用 现状 趋势 [ J ] ． 农机化研究 ， 2 0 0 8 1 9 41 9 6 ． [ 5 ]卢勇涛， 李成松 ， 陈永成 ， 等． 番茄收获机果实分离机卡 勾 的工作原理及结构特点[ J ] ． 新疆农机化， 2 0 0 8 ， 4 1 1 一 l 3． [ 6 ]李成松， 坎杂， 谭洪洋， 等． 4 F Z 一 3 0型 自走式番茄收获机 的研制 [ J ] ． 农业工程学报 ， 2 0 1 2 5 2 02 6 ． [ 7 ]谭洪洋， 李成松 ， 坎杂， 等． 加工番茄果秧分离装置的设 计及仿真 [ J ] ． 农机化研究 ， 2 0 1 2 1 8 4 8 7 ． [ 8 ]李成松， 坎杂， 谭洪洋， 等． 加工番茄果秧分离装置运动 过程分析[ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 1 2 4 6 6 6 9 ． [ 9 ]张利平． 液压气动技术速查手册[ M] ． 北京 化学丁、 I 出 版社 ， 2 0 0 7 ． [ 1 0 ]李壮云． 液压元件与系统[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 00 5． [ 1 1 ]蔡文彦． 液压传动系统[ M] ． 上海 上海交通大学 版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 1 2 ]马宪亭， 张福来． 液压系统 中压力损失的分析与汁算 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 9 9 2 6 2 8 ． [ 1 3 ]张也影． 流体力学[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 9 ． 0 O 0 O O O 0 O O 瑚㈣姗 枷姗枷m o a哪／ 阻 ‘ 1 _ u 目 I J 一 、 寄 毒