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《液壓與氣動雜志》2015年第十一期

摘要:

基于UG建立了水稻插秧機插植臺液壓升降和水平調整裝置的三維模型，并導入動力學仿真軟件ADAMS中進行動力學分析，得到不同傳動方案液壓缸的負載變化規律;然后將動態負載導入到AMESim中建立的液壓系統仿真模型，研究插植臺姿態調整過程中液壓傳動系統的動態特性。仿真結果表明:液壓缸所受負載隨插植臺位置的變化呈非線性變化，在升降和擺動的極限位置處出現峰值;升降系統采用方案一、水平調整系統采用方案二時，液壓缸的工作壓力較小，速度穩定較好，且換向沖擊小。研究結果可為插秧機液壓系統的設計提供理論依據。

關鍵詞:

插秧機;升降;水平擺動;液壓系統;動態特性

在高速乘坐式水稻插秧機種植技術中，秧苗的入土深度控制直接決定著秧苗的成活率及分蘗效果［1］。插秧深度以“不漂不倒，越淺越好”為原則［2］，因此插秧機在工作過程中必須根據水田硬底層縱向及橫向起伏情況對插植臺進行實時調整，通過升降、水平調整等協調動作來保證插秧深度一致從而確保插秧質量。插植臺的升降及水平調整一般采用液壓驅動方式［3－5］。在插植臺姿態調整的過程中，液壓缸所受負載將隨著插植臺位置的變化而變化，因此按恒負載進行參數計算和元件的選擇并不合適。對于復雜的機械系統，采用求解微分方程組計算出某時刻的相關系統變量的狀態，其過程過于復雜。如果利用ADAMS進行仿真計算，只需要搭建好模型并定義相應的運動約束、作用力以及初始狀態后就可以很方便的得到仿真結果［6］。與其他仿真軟件相比，AMESim在機電液一體化系統的建模仿真中優勢更為明顯，而且提供了豐富的與其他軟件的接口［7，8］。結合以上兩種軟件在各自領域的優勢，對插秧機液壓升降及水平擺動系統的動態特性進行仿真研究，為傳動方案的確定和液壓元件的合理選擇提供理論依據。

1升降控制系統及水平調整系統的介紹

1．1升降控制系統插秧機的升降控制系統為主要由液壓泵、升降缸、液壓控制閥、操縱機構和四桿機構組成，通過液壓油缸的伸縮控制插植臺的升降，圖1為兩種升降缸的安裝方案。方案一中升降缸整體設置在四桿機構內部，其中缸筒鉸接在一個頂角上，活塞桿鉸接在一根桿件上。而方案二中升降缸整體設置在四桿機構的外部，其中缸筒鉸接在車架上，活塞桿鉸接在一根桿件的端部。

1．2水平調整系統插秧機的水平調整系統主要由液壓泵、擺動缸、液壓控制閥、操縱機構和彈簧組成，通過液壓油缸的伸縮帶動插植臺的擺動，結構簡圖如圖2所示。方案一中擺動缸通過支撐盒設置在連接支架上，與插植臺異面，本設計中偏距Δ=67mm，作業時會產生一定轉矩，而方案二中擺動缸直接安裝在連接支架上，與插植臺共面。

2基于ADAMS的動力學仿真分析

2．1參數設置將在UG中建立的三維模型導入ADAMS并添加約束。在機構間鉸接處設置旋轉副，往復運動處設置移動副，彈簧處設置拉壓彈簧阻尼，忽略鉸接處的摩擦力，缸筒與活塞桿之間的密封摩擦力以機械效率折算到液壓缸的負載中。仿真的參數以企業委托開發的高速乘坐式插秧機為依據，其整機功率為7kW，整機重量500kg，插植臺重量300kg。水平擺動補償彈簧剛度為530．4N/m，升降缸活塞運動速度為0．018m/s，行程為180mm，擺動缸活塞的運動速度為0．008m/s，行程為80mm，據此可得液壓缸位移驅動函數如下。式(1)為升降缸的位移函數，0～5s為升降缸由中間位置向上提升過程，5～15s由最高點下降至中間位置最終至最低點，15～20s由最低點上升至中間位置，20～45s保持于中間位置。式(2)為水平調整缸的位移函數，0～20s擺動缸保持在中間位置，20～25s由中間位置往右運動進行橫向調平，25～35s由右端位置往左運動進行橫向調平，35～40s由左端位置回到中間位置，40～45s保持在中間位置。

2．2仿真結果及分析從圖3a可見，升降控制液壓缸所受負載隨插植臺升降位置的變化呈非線性變化，在插植臺升降的最高點和最低點出現峰值。方案一升降缸承受的負載小于方案二。從圖3b可見，水平調整液壓缸所受負載隨插植臺擺動位置的變化呈非線性變化，在左右兩端即最大擺角處出現峰值。表1給出了兩種方案的極限值對比。水平調整方案一中液壓缸承受的負載要比方案二的大，且在左調平和右調平時負載相差較大，這是因為方案一中液壓缸與插植臺異面，作業時產生了較大的轉矩，導致了其所受負載增大。從以上仿真結果可以看到，升降控制方案一中液壓缸承受的負載小于方案二，而水平調整方案一的液壓缸承受的負載要比方案二大。可見作業機構的升降控制系統和水平調整系統采用不同布局方式時，液壓系統承受的負載是不同的，且可能具有較大差別。將ADAMS仿真獲得的動態負載保存為tab格式后，導入AMESim模型中，可以進一步觀察系統工作過程的壓力、流量變化情況，為液壓系統設計和液壓件的選擇提供參考。

3基于AMESim的液壓系統建模與仿真

3．1升降控制液壓系統建模與仿真插植臺的上升過程由液壓驅動，下降時可以利用插植臺本身的重力使作業機構下降，當插植臺停止作業時升降系統卸荷。基于上述特性，本研究選用一個三位三通換向閥控制升降缸的運動，執行裝置選用一個單作用液壓缸，所建升降控制液壓系統模型如圖4所示。將ADAMS仿真所得的負載曲線導入至AMES-im模型中模擬負載的變化過程，可分析升降液壓系統的動態性能。

3．2水平調整系統液壓建模與仿真插植臺的水平調整系統左調平及右調平均需要液壓泵供油，在作業機構無需橫向調平時擺動缸停止，基于上述特性本研究選用一個三位四通換向閥控制擺動缸的運動方向，選用雙活塞桿液壓缸作為執行元件，所建水平調整液壓系統模型如圖5所示。將在ADAMS仿真中獲得的負載曲線導入AMESim模型中模擬負載的變化過程，可分析水平調整液壓系統的動態性能。

3．3仿真結果及分析由圖6可見，升降控制系統方案二的壓力要比方案一高出2MPa左右，且在升降缸換向過程中，壓力沖擊比方案一的大1．5MPa左右;在升降缸由最高點往下降時，方案二中液壓缸的流量變動比較大，即液壓缸的速度穩定性較差。顯然，插植臺液壓升降控制系統，方案一的性能要優于方案二。由圖7可見，壓力水平調整系統方案一擺動缸的壓力要比方案二高出1MPa左右，在擺動缸換向過程中，兩種的壓力沖擊都比較大，而方案一中液壓缸的流量變動比較大，即液壓缸的速度穩定性較差。可見，水平調整系統方案二的動態性能要優于方案一。

4結論

基于ADAMS與AMESim軟件對水稻插秧機插植臺的升降控制及水平調整液壓傳動系統動態性能進行聯合仿真分析，得出以下結論:(1)在插植臺的升降控制及水平調整過程中，液壓缸所受負載隨插植臺位置的變化呈非線性變化，在升降和擺動的極限位置處出現峰值;(2)升降控制系統采用方案一時，升降缸承受的負載壓力較小，且換向沖擊較小，速度穩定性較好，故液壓系統的動態性能較優，設計水稻插秧機的液壓升降控制系統時，在空間布局允許的情況下應優先選擇方案一;(3)水平調整系統采用方案二時，擺動缸的工作壓力較小，對擺動缸的性能要求較低，在設計水稻插秧機的水平調整系統時，在空間布局允許的情況下應優先考慮方案二;(4)插秧機在升降調節和水平調節換向過程中存在較大壓力沖擊，油路設計時需要考慮適當的緩沖措施。

參考文獻:

［1］潘躍，吳子文．水稻機械化插秧技術分析與種植機械發展趨勢［J］．中國稻米，2008，(3):21－22．

［2］齊廣義．水稻插秧機的檢查、保養與使用要點［N］．現代農業裝備，2010．

［3］包春江，李寶筏．日本水稻插秧機的研究進展［J］．農業機械學報，2004，35(1):162－165．

［4］李耀明，徐立章，向衷平，等．日本水稻種植機械化技術的最新研究進展［J］．農業工程學報，2005，21(11):182－185．

［5］錢振華，宋星榮，陸波．高速插秧機液壓控制系統的設計［J］．流體傳動與控制，2009，(4):42－43．

［6］侯赤，萬小朋，趙美英．基于ADAMS的小車式起落架仿真分析技術研究［J］．系統仿真學報，2007，19(4):909－912．

［7］余佑官，龔國芳，胡國良．AMESim仿真技術及其在液壓系統中的應用［J］．液壓氣動與密封，2005，(3):28－31．

［8］王勇亮，盧穎，趙振鵬，孫方義，等．液壓仿真軟件的現狀及發展趨勢［J］．液壓與氣動．2012(8):1－4．

作者：陳遠玲 吳龍 葉才福 李挺璇 楊青松 魏威 單位：廣西大學 機械工程學院