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自走式采茶机液压系统的设计和试验研究自走式采茶机液压系统的设计和试验研究

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自走式采茶机液压系统的设计和试验研究自走式采茶机液压系统的设计和试验研究自走式采茶机液压系统的设计和试验研究自走式采茶机液压系统的设计和试验研究 自走式采茶机液压系统的设计和试验研究自走式采茶机液 压系统的设计和试验研究 茶叶科学 2014,34(6):548~556 Journal of Tea Science 投稿平台: 自走式采茶机液压系统的设计和试验研究 韩余1,肖宏儒1*,秦广明1,陈东胜2,宋志禹1,丁文芹1,梅松1 1. 农业部南京农业机械化研究所,江苏 南京 210014;2. 云马农机制造有限公司,江苏 大丰 210021 摘要:为了设计简单、合理、可...

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自走式采茶机液压系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和试验研究自走式采茶机液压系统的设计和试验研究 自走式采茶机液压系统的设计和试验研究自走式采茶机液 压系统的设计和试验研究 茶叶科学 2014,34(6):548~556 Journal of Tea Science 投稿平台: 自走式采茶机液压系统的设计和试验研究 韩余1,肖宏儒1*,秦广明1,陈东胜2,宋志禹1,丁文芹1,梅松1 1. 农业部南京农业机械化研究所,江苏 南京 210014;2. 云马农机制造有限公司,江苏 大丰 210021 摘要:为了设计简单、合理、可靠的自走式采茶机液压系统,首先进行了其液压系统原理与选型设计,并利用Sim Hydraulic对液压系统进行了功能数值仿真,最后进行样机试验。行驶液压子系统采用双泵双回路闭式容积调速 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,单个回路由双向变量泵与定量马达实现容积调速,系统设计压力为17.6 MPa。采摘子系统为一般开式回路,设计系统压力为10 MPa。系统压力的仿真结果与设计值分别相差2.78%和0.91%,试验结果与设计值分别相差为4.82%和14.3%,仿真、试验结果与设计目标基本相符,表明设计的液压系统能够很好地满足自走式采茶机的作业要求。 关键词:自走式采茶机;液压系统;MATLAB;仿真;试验 中图分类号:S571.1;S233.75 文献标识码:A ————————————————————————————————————————————————————— 文章编号:1000-369X(2014)06-548-09 Design and Test for Hydraulic System of Self-propelled Tea Plucker HAN Yu1, XIAO Hongru1*, QIN Guangming1, CHEN Dongsheng2, SONG Zhiyu1, DING Wenqin1, MEI Song1 1. Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China; 2. Yun Ma Agricultural Machinery Manufacturing Co., LTD, Dafeng 210021, China Abstract: To design a simple, reasonable and robust hydraulic system for self-propelled tea plucker, this paper designed the hydraulic system firstly based on analyzing the actions and operating environment of self-propelled tea Plucker, and then conducted a functional-simulation to whole system with Sim Hydraulic, including traveling simulating and plucking simulating. And also the prototype test was carried out. The system consists mainly of three subsystems: two closed travel loops, whose system pressure is 17.6 MPa, encompass separately a variable pump and a constant-displacement motor with a volumetric speed-control scheme; an open loop, whose pressure is 10 MPa, comprises a constant-displacement pump and a constant-displacement motor used for plucking. The disparity between simulating results and the design values of the system pressure was 2.78% and 0.91% —————————————————————————————————————————————————— ——— respectively, the difference between test values and design values was 4.82% and 14.3%. All in all, both the simulation and the test were basically in accorded with the design, which indicates the well function of the designed hydraulic system meets well the needs of self-propelled tea plucking machine. Keywords: self-propelled tea plucker, hydraulic system, MATLAB, simulation, experiment 收稿日期:2014-03-05 修订日期:2014-08-13 基金项目:国家十二五科技支撑计划资助项目(2011BAD20B07)、 现代农业茶叶产业技术体系资助(CARS-23)、公益性行业专项 (201303132)、农业科技成果转化(2012GB23260539) 作者简介:韩余(1987—),男,陕西商洛人,助研,硕士,主 要从事农业机械装备方面的研究。*通讯作者:xhr2712@sina.com 6期 韩余,等:自走式采茶机液压系 统的设计和试验研究 549 茶叶时令性强,尤其是春茶,鲜叶不及时采摘,将影响成品茶的 质量[1-2]。然而,劳动力短缺增加了按时采茶的难度,导致茶叶减产, 给茶农带来了较大的经济损失。开发采茶设备对解决因劳动力匮乏而 阻碍茶业发展的问题有着重大意义。 国内对采茶机械研究较少,现有研究[3-7] 主要集中在采茶机切割器尺寸 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 、运动分析及茶叶新梢剪切特 性、摩擦特性等方面。已有成果包括微型电动采茶机和小型汽油机驱 —————————————————————————————————————————————————— ——— 动的单人手提式、单人背负式、双人抬式采茶机,其效率较低,劳动强度大,难以满足采茶期的作业需求。国外采茶设备自动化程度较高,日本的乘坐式采茶机能满足自动高效的采茶要求。该机采用高地隙底盘,可跨茶蓬行驶;切割器位于茶蓬之上,高度可调;所采的茶鲜叶通过风机集叶系统收集到网袋中;行驶系统与采摘系统均采用液压传递动力。然而,由于农艺差异、茶农经济条件等因素[8],高成本限制 了进口采茶机在国内大范围应用。 开发满足我国采茶农艺要求的自走式采茶机,可缓解现有采茶困境,具有很好的经济与社会效益。液压系统是采茶机的核心系统,本文对自走式采茶机的液压系统进行了设计,在此基础上进行仿真试验与样机试验验证。 1 液压系统设计 1.1 自走式采茶机工作原理 设计的自走式采茶机采用高地隙橡胶履带底盘,横跨茶蓬作业,行驶系统与采摘系统采用液压传动;切割器位于茶蓬顶部,所采茶鲜叶由风机集叶系统收集于集叶网袋。作业时,须满足最佳机速、刀机速比。图1为采茶机之结构示意图。 1.2 液压系统性能指标 自走式采茶机动力系统须确保机器以最佳速度前进,最佳刀机速比工作。最大工作前 图1 采茶机主视图与左视图 Fig. 1 Front view and left view of tea plucker 向控制柄,11. 座椅组件,12. 采摘液压马达,13. 液压油箱组————————————————————————————————————————————————————— 件,14. 发动机,15. 升降架,16. 升降机构,17. 汽油型组件。 frame, 9. Joy stick, 10. Direction joy stick, 11. Seat assembly, 12. Hydraulic motor for picking, 13. Hydraulic reservoir assembly, 14. Engine, 15. Elevate frame, 16. Elevate mechanism, 17. Gasoline tank assembly. 注: 1. 履带总成,2. 机架总成,3. 切割器,4. 送风管,5. 液 压泵,6.传动机构,7. 风机,8. 布袋框,9. 操纵杆,10. 转 Note: 1.Track assembly, 2. Frame assembly, 3.Cutter, 4. Blast pipe, 5.Hydraulic pump, 6. Transmission-mechanism, 7. Fan, 8. Sack 550 茶 叶 科 学 34卷 进速度应达到0.8 m?s-1,采茶机刀机速比取值范围[7]为0.8~1.2, 则采摘速度可达到0.96 m?s-1,要求机器转场速度5 km?h-1。 1.3 液 压系统原理设计 液压传动具有柔性传递和无级变速之特点,应用于复杂农业机械, 具有独特优势。首次开发自走式采茶机具有试探性,加之作业环境复 杂、作业对象特殊,结合经济成本、使用对象等因素,应本着简单、 可靠的设计原则。行驶系统、采摘系统由液压传递动力,采用前者换 向、调速,后者仅换向的控制方案。改变 1.4 主要元件参数计算 1.4.1 行驶马达 1)牵引系数由下式 [8-9] 行驶系统速度即可调节刀机速比;调节发动机油门以改变作业速 —————————————————————————————————————————————————— ——— 度(行驶泵与采摘泵同轴,刀机速比恒定)。 初定行驶马达工作压力为16 MPa,采摘马达工作压力为9 MPa[8]。采茶机要求严格限制温升,综合考虑,行驶系统选择容积调速方案——双向变量泵与定量马达组成闭式容积调速回路,调速范围大、效率高;采摘系统采用定量泵—马达开式液压系统。二者均为手动控制。 总体液压系统包括左右行驶回路和采摘回路,三泵同轴共动力源,采摘泵兼顾行驶系统回路补油。液压系统原理图如图2所示。 ξa——加速度系数,0.2。 2)牵引力 得出 Fp=W?g?ξp=708×9.8×0.83=5693.8N ………………………………………(2) 式中:W——整机使用质量,kg; g——重力加速度,m?s-2; ξp——牵引系数。 3)驱动扭矩 Tp=Fp?rk/ηx…………………………(3) ξp=μr+ξg+ξd+ξ a=0.08+0.25+0.3+0.2=0.83 ………………………………………(1) 式中:μr——行驶阻力系数,0.08; ξg——爬坡度,0.25; ξd——滑移转向,0.3; 6期 韩余,等:自走式采茶机液压系统的设计和试验研究 551 rk=zt/2π………………………………(4) ηx=ηr(Φx,f)(1-δ)/Φx…………………(5) 式中:Fp——切线牵引力,N; Tp——驱动扭矩,N?m; ————————————————————————————————————————————————————— rk——履带驱动轮动力半径(履带机械),m; z——驱动轮齿数,12; t——履带节距,m; ηx——行驶机构效率; η——履带机械效率,取0.96~0.97[10]; Φx——附着重力利用系数,取0.6[10]; f——滚动阻力系数,取0.11[10]; δ——额定滑转率,农业机械取0.07Tp=1057.97 N?m。 4)行驶马达排量[12] Vgm?2πTg/?pηmm=2×3.14×528.99/(16×0.92) =225.68 mL?r-1………………(6) 式中:?p——马达工作压力(马达压差),Pa; Tg——单个马达扭矩,1/2?Tp,N?m; ηmm——马达机械效率取0.92[10] 1.4.2 液压泵 1)工作压力[13] Ps=P+Σ?p……………(7) 式中:Ps——泵工作压力,Pa; P——马达工作压力,Pa; Σ?P——管道、阀等元件全部压力损失,Pa。 系统回路简单、元件少,压力损失按马达工作压力的10%计算[13-14],泵的供油压力为17.6 MPa。 2)泵流量 QP?K(ΣQ)max…………………………(8) 式中:QP——液压泵流量,L?min; k——考虑系统泄漏等保险系数(1.1~1.3),小流量取大值,大流量取小值[15]; (ΣQ)max——同时工作液压马达所需流量最大和值,L?min-1。 ————————————————————————————————————————————————————— K取1.1,得泵流量QP=1.1nmqm=1.1×229.2 -1[10-11] 5%~60%[14,16],本文选KYB双连柱塞泵,其额定压力为20.6 MPa,高出泵工作压力17%,排量2×(0~10) mL?r-1,额定转速3 200 r?min-1。其最大流量可达32 L?min-1,满足要求。 1.4.3 采摘回路 据一般茶树新梢密度及采茶机作业参数估算剪切力[17-18]F=30 N。参考双人采茶机发动机功率,采摘马达工作压力取9 MPa,计算过程略,采摘泵工作压力取10 MPa,具体参数见表1。 1.5 试验方法 。 Sim/Hydraulics提供了一个直观的物理建模环境,包含70多种常用的液压元件,选择所需的元件,按原理图连接即可完成物理模型建立[19-20]。本文利用该模块对设计的液压系统进行功能仿真,先于物理样机,验证其合理性。最后进行样机试验,进一步验证设计合理性与仿真有效性。 节距72.4 mm,由式(3)、(5)可得 2 数值仿真模型 依据设计原理及设计数据,利用Sim/Hydraulics模块建立仿真模型如图3所示。主要元件参数设置如表1所示。模型中以常值信号模拟发动机转速输入,以三角波信号模拟对变量泵的排量及方向控制输入[21-22],以两正弦信号作为三位四通阀换向控制信号生成模块的合成输入。马达输出端添加扭转转动参考点、转动惯量、阻尼、负载等————————————————————————————————————————————————————— [23]。Sim/Hydraulics中,数字信号进入物理模块之前须经过数字,物理信号转换模块,同样,输出物理信号在进入示波器之前须经过物理,数字信号转换模块[24-26]。 3 结果与分析 3.1 行驶系统功能仿真 仿真时间2 s,结果如图3所示。图4a—图4d依次为行驶马达输出扭矩、行驶系统压力、流量、变量泵变量控制信号。 ×88.58=22 332.78 mL?min-1?22.3 L?min-1 3)液压泵 规格 视频线规格配置磁共振要求常用水泵型号参数扭矩规格钢结构技术规格书 液压泵额定工作压力比计算工作压力高 552 茶 叶 科 学 34卷 由图4-c、图4-d可知泵流量随泵开口量大小及开口方向的变化而变化,系统可实现调速与换向功能。由图4-a、图4-b可知,系统稳定后(t=0.31 s)系统压力与马达转矩维持 在稳定值18.09 MPa与520.8 N?m;泵开口减小至零时,由于惯性的作用,系统存在一定的延迟,马达转矩与系统压力及流量尚未至零,此时马达等同一个进出口相接的液压泵;在泵开口 表1 主要元件参数与型号 Table 1 Types and parameters of the major components 名称 Name 双联柱塞泵 Duplex plunger pump 补油泵 Slippage pump 行驶马达* Travel ————————————————————————————————————————————————————— motor 采摘马达 Picking motor 换向阀 Reversing valve 注:*该马达高低速可选,本研究选高速90.3 r?min-1,对应排量为292.2 mL?r-1。 Note: *The motor has optional velocity, high and low, here choose the high one: 90.3 r?min-1, the corresponding displacement is 292.2 mL?r-1。 主要参数 Main parameters 排量2×(0~10) mL?r,额定转速3 200 r?min,额定压力20.6 MPa 7.26 mL?r-1,额定压力13.7 MPa,额定转速3 200 KYB B0O710-10010 r?min 排量417.6/229.2 mL?r-1最大转速49.6/90.3 r?min-1, PHV-1B-12B-8502A 额定压力21 MPa 转速600~3 000 r?m-1,排量12 mL?r-1额定压力13 ZMC-12 MPa 额定压力16 MPa HC-M45/1 宁波北仑液压有限公司 Hydracontrl 1 1 Nachi 2 -1 -1 -1 ————————————————————————————————————————————————————— 型号 Types KYB B0O710-10010 制造商 Producer KYB KYB 数量 Quantity 1 1 图3 液压系统仿真模型 Fig. 3 Simulation Model of Hydraulic System 6期 韩余,等:自走式采茶机液压系统的设计和试验研究 553 反向初期,在马达的惯性作用下,泵入口压力大于出口压力,同时受马达的驱动;当泵反向供油能力与马达泵油能力相同时,流量与转矩降至0;泵开口反向继续增大,马达转矩与泵流量开始反向增大,进出油路互换,回油压力约为1.987 MPa,马达转矩随之达到反向最大值。 综上可知,行驶液压系统虽略有延迟,但完全满足采茶机的手动调速及换向要求。 3.2 采摘系统换向模拟 采摘系统仿真结果如图5所示,将相位相差为π的两个正弦信号输入换向阀信号模块生成手动换向阀的控制信号如图5-c,图5-a、图5-b分别为系统压力及流量变化曲线。 由图5可知,阀芯处于中位时,液压油直接进入行驶系统补油回路,多余液压油回油箱;换向瞬间,系统压力出现瞬时峰值,回落 mT/N? ————————————————————————————————————————————————————— P/Pa Q/(l/min) S/cm t/s 图4 行驶系统仿真 Fig. 4 Simulation of traveling system P/Pa Q/(L/min) S/m 图5 采摘系统仿真 Fig. 5 Simulation of plucking system 554 茶 叶 科 学 34卷 后开始上升,至换向结束达到工作压力9.91 Mpa;同时流量出现瞬间零值,待换向完毕,系统达到工作压力,溢流阀开启后,多余流量从溢流阀支路进入补油支路或回油箱,进入采摘回路的流量为13.97 L?min-1。可见系统满足执行元件动作要求。 传感式转速仪测量,最大、极小油门状态下分别为2 000 r?min-1与230 r?min-1。 4.3 结果分析 由表2知,行驶系统压力变化幅值为?2.2 Mpa,平均值为16.75 Mpa;采摘系统压力变化幅值为?1.1 Mpa,平均值为8.57 Mpa;而行驶统仿真压力为18.09 Mpa,采摘系统为9.91 Mpa。试验与仿真结————————————————————————————————————————————————————— 果基本一致,且与设计值(行驶系统17.6 Mpa,采摘系统10 Mpa)相差不大。仿真结果与设计值分别相差2.78%和0.91%,试验结果与设计值分别相差4.82%和14.3%。 系统压力测试值小范围波动,主要原因有地面不平,含有砖砾等;切割器刀片柔性变形与振动引起的摩擦阻力波动等。测试压力平均值低于设计值的主要原因有两点:(1)计算负载包括爬坡阻力,而试验场地无坡度,切割器负载不包含茶鲜叶切割阻力,即测试负载小于实际负载;(2)泵工作压力为经验公式估算,存在误差。 由表3知,油门最大、泵开口最大时采茶机速度最大,为5.074 km?h-1,油门极小与泵开口极小时速度极小,为0.154 km?h-1,即调速范围为0.154~5.074 km?h-1;速度对泵开口的敏感程度高于油门,表明泵的调速能力强于油门。系统满足采茶机四度控制与转场(转场速度5.0 km?h-1)要求。 4 样机试验 4.1 试验条件 2013年12月,在江苏云马农机制造有限公司场内空地进行了自走式采茶机样机液压系统性能及可靠性测试(图6和图7)。主要测试参数为系统压力和行驶速度。试验仪器及器材包括乘坐式采茶机样机一台、驾驶员一名、无锡全君液压表一只、胜利牌红外转速仪一个,皮卷尺一个、秒表一个及粉笔等辅助器材。 4.2 测试方法 系统压力的测试方法见文献[27]。系统正常工作状态下读数,共计20次,结果如表2所示。 ————————————————————————————————————————————————————— 在泵开口最大、极小(建立连续流量机器可稳定前行所需的最小泵开口量)与油门最大、极小(油门调速范围内的最大、极小值)的4种组合控制状态下分别测采茶机的行驶速度,重复3次。泵开口极小的两种控制状态下速度小,测试距离取8 m,其余取20 m。结果如表4所示。采摘马达稳定工作速度用红外 图6 实验 Fig. 6 experiment 图7 系统压力测试 Fig. 7 System pressure testing 6期 韩余,等:自走式采茶机液压系统的设计和试验研究 555 表2 系统压力测试数据 Table 2 Test data of system pressure 表3 速度测试数据 Table 3 Test data of velocity 控制状态Control state 油门 Throttle 极小 Minmum 最大 Full 泵排量 Pump displacement 极小 最大 极小 最大 8 20 8 20 187.06 52.53 103.50 14.07 186.07 52.11 102.07 13.87 187.05 53.06 103.33 14.66 0.043 0.381 0.077 1.422 0.043 0.384 0.078 1.442 0.042 0.377 0.077 1.364 ————————————————————————————————————————————————————— 0.154 1.371 0.279 5.074 测试距离 Distance/m 测试结果 Test results 时间/s 速度/m?s-1 平均速度/km?h-1 Average velocity 5 结论 根据要求完成了采茶机液压系统的设计。整个液压系统包括两个行驶系统闭式回路和开式定速采摘回路两部分。选定行驶马达工作压力为16 Mpa,采摘马达工作压力为9 Mpa,系统简单、高效、结构紧凑。 运用Sim Hydraulic模块建立了整个液压系统的数值仿真模型,对其进行了功能仿真。仿真得行驶统压力为18.09 Mpa,采摘系统压力为9.91 Mpa,与设计值分别相差为2.78%和0.91%,与设计值基本相符。 采茶机样机液压系统压力测试得到压力平均值,行驶系统为16.75 Mpa,采摘系为8.57 Mpa。试验值与设计值相差分别为2.78%和0.91%。 对样机进行了速度测试,其最大调速范围为0.151~5.072 km?h-1,最大速度大于设计的转场速度,此液压系统满足动力传递、换向及 速度控制要求。 6 讨论 本文完成了自走式采茶机的液压系统设计,但仍有不足之处。首————————————————————————————————————————————————————— 先,出于经济因素的考虑,液压系采用手动控制,将来可采用电磁阀、电液伺服元件、控制器实现自动控制。其次,由于条件限制,系统样机试验未在茶园实地进行,试验结果与实际情况稍有差别。最后,限于条件,未做液压系统流量测试,而是通过速度间接验证。自走式采茶机的自动化、智能化还有待后续深入研究。 参考文献 [1] 肖宏儒, 秦广明, 宋志禹. 茶叶生产机械化发展战略研究 [J]. 中国茶叶, 2011, 33(7): 8-11. 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