木合塔爾?克力木 王建潭

摘要：我國(guó)是世界第二大棉花產(chǎn)地，但我國(guó)棉花種植成本很高，其主要原因是，相比于國(guó)外很多國(guó)家90%以上的機(jī)械化采棉程度，我國(guó)的機(jī)械化采棉程度低。針對(duì)我國(guó)的機(jī)采棉現(xiàn)狀，對(duì)筆者所在學(xué)校研發(fā)的1種適用于中小型農(nóng)戶(hù)的牽引式采棉機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。采用機(jī)液聯(lián)合仿真，利用ADAMS（機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析）對(duì)采棉機(jī)機(jī)械部分進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，利用AMESim對(duì)采棉機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，然后設(shè)計(jì)二者軟件的接口，進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真采棉機(jī)在作業(yè)過(guò)程中可能遇到的情況，通過(guò)對(duì)各種情況的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，確定此液壓系統(tǒng)在功能上可以滿(mǎn)足采棉機(jī)的運(yùn)動(dòng)要求，并對(duì)其中可靠性要求高的棉箱部分進(jìn)行了機(jī)電液仿真，其效果確實(shí)相比于機(jī)液仿真系統(tǒng)性能更穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：采棉機(jī);液壓系統(tǒng);聯(lián)合仿真;機(jī)電液一體化

中圖分類(lèi)號(hào)： S225.91+1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）13-0253-07

我國(guó)棉花種植區(qū)域主要有5個(gè)主產(chǎn)區(qū)[1]，是我國(guó)商品棉基地。其中在新疆維吾爾自治區(qū)，由于其本身地域廣闊，光照、雨水、雪水充足，利于棉花的大面積種植，已經(jīng)逐漸發(fā)展成全國(guó)棉花的種植中心。在2016年，全疆的棉花種植面積為180.52萬(wàn)hm2，占全國(guó)棉花種植面積的53.4%。全疆棉產(chǎn)量為359.4萬(wàn)t，占全國(guó)棉花產(chǎn)量的67.27%[2]。但是近年來(lái)我國(guó)棉花種植面積呈下降趨勢(shì)，其主要原因在于我國(guó)的棉花價(jià)格。棉花種植成本主要包括4個(gè)方面：人工種植和采棉成本、土地使用成本、化肥和農(nóng)藥使用成本、種子費(fèi)[3-4]。其中，人工種植和采棉成本占棉花種植成本的60%左右[5-7]，由此可知現(xiàn)階段我國(guó)的棉花種植依然需要大量的勞動(dòng)力進(jìn)行田間勞作。在每年的9月份至11月份，約有來(lái)自全國(guó)各地的 900 000個(gè)采棉工，浩浩蕩蕩地乘坐火車(chē)前往新疆。棉花采摘價(jià)格由早期的最高價(jià)1元/kg漲到目前的2.5元/kg，每年需要為棉花工所支付的各項(xiàng)費(fèi)用超過(guò)20億元，棉農(nóng)除去種植成本其盈利也在2元/kg左右。在用工荒的情況下，棉農(nóng)會(huì)遇到無(wú)人可用的情況，如果用工荒時(shí)間較久，棉株會(huì)因?yàn)榇藭r(shí)已到其生長(zhǎng)周期末期，棉花品質(zhì)會(huì)隨時(shí)間而降低。其次，上述原因會(huì)導(dǎo)致勞動(dòng)力成本上升，市場(chǎng)棉花價(jià)格下降，棉農(nóng)的自身利益得不到保證，這樣很多棉農(nóng)可能會(huì)考慮用其他市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)小的經(jīng)濟(jì)作物來(lái)替代棉花。

由以上分析可知，采棉機(jī)械化程度的提高刻不容緩，但是我國(guó)的采棉機(jī)械化仍然處于起步階段，按照棉花收獲機(jī)械作業(yè)187 hm2計(jì)算，全國(guó)需要采棉機(jī)1.2萬(wàn)臺(tái)，仍按照5%備存，未來(lái)3～5年國(guó)內(nèi)的總需求量預(yù)計(jì)為1.3萬(wàn)臺(tái)。初步以每臺(tái)采棉機(jī)200萬(wàn)元計(jì)算，預(yù)計(jì)市場(chǎng)價(jià)值會(huì)在260億元左右[8-11]。

1 AMESim-ADAMS（機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析）聯(lián)合仿真原理 ?AMESim-ADAMS聯(lián)合仿真是指在ADAMS中建立機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，在AMESim中建立液壓系統(tǒng)的模型，然后通過(guò)2個(gè)軟件的接口控制模塊實(shí)現(xiàn)2個(gè)軟件數(shù)據(jù)傳遞，起到各取所需、各盡其能的作用，最后實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程[12-16]，具體可見(jiàn)圖1。

由AMESim的液壓缸外部變量可知，如果要確定一個(gè)液壓缸的整個(gè)動(dòng)力學(xué)情況，需要知道液壓缸活塞桿上的力、位移和速度。其中，力是輸出變量，位移和速度是輸入變量，所以最終在AMESim和ADAMS傳遞數(shù)據(jù)的情況如圖2所示。

2 動(dòng)力學(xué)模型及液壓系統(tǒng)模型的建立

本研究根據(jù)實(shí)際測(cè)量采棉機(jī)的尺寸和對(duì)其中由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行三維建模，根據(jù)文獻(xiàn)[17]中的采棉機(jī)工作原理，在ADAMS中建立了動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)其液壓系統(tǒng)原理圖，在AMESim中建立了液壓系統(tǒng)模型。

2.1 棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

此系統(tǒng)的目的在于收集棉花、運(yùn)送棉花、卸載棉花。當(dāng)棉花收集滿(mǎn)時(shí)，采棉機(jī)到達(dá)指定卸棉地點(diǎn)，棉箱兩側(cè)的液壓缸帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，棉箱按照連桿曲線翻轉(zhuǎn)，到達(dá)指定位置后棉箱停止旋轉(zhuǎn)，棉花傾倒。根據(jù)采棉機(jī)的使用要求，當(dāng)全部采棉結(jié)束后，到達(dá)卸棉地點(diǎn)，采棉機(jī)開(kāi)始卸棉，所以這一系統(tǒng)可以看作是獨(dú)立進(jìn)行的，可以單獨(dú)進(jìn)行聯(lián)合仿真。根據(jù)上述工況，在接口模塊中設(shè)置了2輸入（活塞桿作用力）、4輸出（棉箱兩側(cè)活塞桿的速度和位移）的狀態(tài)變量，對(duì)模型的約束和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了定義，在軟件設(shè)置中，配置編譯器，設(shè)置狀態(tài)變量函數(shù)，設(shè)置輸入變量、輸出變量還有狀態(tài)變量的數(shù)組，創(chuàng)建General State Equation方程，定義作用力F等，建立了棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型（圖3）。

2.2 采棉頭懸掛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

采棉頭懸掛系統(tǒng)的目的在于懸掛采棉頭、調(diào)節(jié)采棉頭高度。在采棉機(jī)田間作業(yè)之前，需要根據(jù)棉田情況預(yù)先調(diào)好采棉頭高度，高度調(diào)節(jié)完畢后，將液壓缸鎖緊。采棉機(jī)田間作業(yè)時(shí)如果遇到部分棉田的棉株高度不同，行程開(kāi)關(guān)工作觸發(fā)電磁閥的邏輯控制，這時(shí)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)采棉頭的高度。由于采棉頭懸掛系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型的建立和棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型的建立過(guò)程基本一致，所以這里不再表述，其建立的動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。

2.3 采棉機(jī)液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

根據(jù)采棉機(jī)液壓系統(tǒng)原理，建立了采棉機(jī)液壓回路的AMESim模型，本研究?jī)H對(duì)機(jī)電液聯(lián)合仿真部分進(jìn)行分析，如圖5所示。

3 聯(lián)合仿真性能分析

3.1 棉箱翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)性能分析

液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度取決于流量，液壓缸的負(fù)載取決于棉箱及棉花的質(zhì)量。這里模擬的是棉箱裝滿(mǎn)棉花，連同棉箱質(zhì)量為2 000 kg的情形。其中，液壓泵選擇的排量為42.5 mL/r，液壓油為46#高級(jí)抗磨液壓油，溫度在40 ℃時(shí)的密度為 880 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度為50 mm2/s，體積模量為1 700 MPa，翻斗油缸的缸徑為80 mm，桿徑為40 mm，工作行程為750 mm，卸荷壓力為10 MPa。

棉箱翻轉(zhuǎn)通過(guò)ADAMS的動(dòng)力學(xué)分析和AMESim的液壓系統(tǒng)分析，現(xiàn)將軟件模擬結(jié)果進(jìn)行分析，其性能如圖6所示，運(yùn)行過(guò)程特征位置如圖7所示。

在前2 s棉箱處于平衡位置時(shí)，此時(shí)棉箱等待卸棉，但是看到液壓系統(tǒng)中，液壓缸的壓力、速度、位移都在做小幅的振動(dòng)，這是因?yàn)锳DAMS軟件中設(shè)置棉箱和機(jī)架接觸后，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)選項(xiàng)，會(huì)自動(dòng)設(shè)置接觸穿透力的大小，一般情況下難以調(diào)節(jié)到剛剛好，而且在這里也沒(méi)有必要。棉箱在重力的作用下會(huì)下降，但是在壓力和接觸作用下又會(huì)抑制下降，所以這里出現(xiàn)略微波動(dòng)是正?，F(xiàn)象。

在棉箱上升過(guò)程中，棉箱在棉箱推力油缸的作用下，速度在0.079、0.057 m/s上下波動(dòng)并逐漸向0.07 m/s穩(wěn)定下來(lái)，并且2個(gè)液壓缸運(yùn)行同步，沒(méi)有不同步的現(xiàn)象?；钊麠U的位移也是在成正比上升，這也是符合設(shè)計(jì)預(yù)期的。從棉箱推力油缸的無(wú)桿腔的壓力圖中可以看到其壓力有波動(dòng)，這是因?yàn)槊尴湓谏仙^(guò)程中其重心位置在不斷變化，導(dǎo)致作用在液壓缸上的力也在波動(dòng)，所以液壓缸的壓力也呈現(xiàn)波動(dòng)，這也是導(dǎo)致速度、加速度都在波動(dòng)的原因，在棉箱達(dá)到最大位移時(shí)可以看到液壓缸所受的力也達(dá)到了最大值，這是因?yàn)槊尴渖仙阶罡邥r(shí)，活塞桿和缸筒發(fā)生了剛性沖擊，導(dǎo)致壓力上升，這個(gè)沖擊在一定范圍內(nèi)是有好處的，可以把棉花抖動(dòng)下來(lái)幫助卸棉。

在棉箱等待卸棉的過(guò)程中，此時(shí)電磁閥本應(yīng)該處于中位，棉箱在最大位置停留處于鎖緊狀態(tài)，但是壓力、速度、位移都出現(xiàn)了波動(dòng)，這也是因?yàn)锳DAMS會(huì)讓2個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生穿透。

下降過(guò)程中，換向閥作為接通，棉箱在重力和壓力的作用下下降，下降到最低的時(shí)候整個(gè)過(guò)程結(jié)束，同理，因?yàn)榻佑|剛度很大，所以當(dāng)棉箱和機(jī)架接觸時(shí)，會(huì)給系統(tǒng)一個(gè)很大的作用力，從圖7-d中可以看的是接觸力作用，并且可以看到有略微的穿透。

為了消除穿透的影響，同時(shí)也是為了分析棉箱在卸棉位置時(shí)的工況，可以直接將模型初始位置放在卸棉位置，并且是靠自重下降過(guò)程，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的大小可以控制其下降速度，其下降分析情況見(jiàn)圖8、圖9。

綜合分析可以看出，當(dāng)基本消除了ADAMS穿透造成的影響之后，棉箱下降運(yùn)行得很平穩(wěn)正常，也可以看出，如果此時(shí)液壓缸性能不好泄露嚴(yán)重的話(huà)會(huì)影響到棉箱在卸棉位置的可靠性。通過(guò)對(duì)棉箱停留、上升、卸棉、返程、停留的工況分析可知，整個(gè)過(guò)程基本符合采棉機(jī)棉箱的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)要求。

3.2 采棉頭懸掛系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型建立及系統(tǒng)性能分析

由于在目前階段，采棉機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)展還沒(méi)有最終成型，在懸掛系統(tǒng)存在2種方案：一種是3對(duì)采棉頭在得到信號(hào)之后一起移動(dòng);另一種方案是采棉頭在得到信號(hào)之后一個(gè)接著一個(gè)移動(dòng)。2種方案的不同會(huì)導(dǎo)致泵的流量需求不同，所以本研究中2種情況都考慮。

采棉頭懸掛系統(tǒng)通過(guò)ADAMS的動(dòng)力學(xué)分析和AMESim的液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析，其性能如圖10所示，運(yùn)行特征位置如圖11所示。

從以上仿真結(jié)果可知，在上升階段，當(dāng)2個(gè)電磁閥接收到電信號(hào)之后，3對(duì)棉花頭開(kāi)始往上移動(dòng)，移動(dòng)速度平均在 0.125 m/s，受到的力平均在7 000 N左右，運(yùn)行工況十分平穩(wěn)。

在極限停留位置，可以看出速度在-0.125～0.125 m/s間波動(dòng)，力在0～17 000 N間波動(dòng)，這是因?yàn)樵跈C(jī)械和液壓聯(lián)合仿真過(guò)程中，液壓缸存在一定的泄露，系統(tǒng)受到?jīng)_擊，還有就是采棉頭并沒(méi)有受到結(jié)構(gòu)約束，會(huì)產(chǎn)生小幅擺動(dòng)，這是符合實(shí)際工況的。

在接下來(lái)的下降過(guò)程中，其運(yùn)行還是十分平穩(wěn)。當(dāng)將棉花頭調(diào)節(jié)到某一適合棉株高度時(shí)，可以看到此時(shí)系統(tǒng)的速度和壓力波動(dòng)很小，可以視為處于一個(gè)靜平衡狀態(tài)，可知這種狀態(tài)非常有利于采棉頭的采棉，能提高采棉質(zhì)量。

接下來(lái)的上升和停留過(guò)程和第一、第二過(guò)程沒(méi)有區(qū)別，這里就不再贅述。

接下來(lái)分析的是采棉頭懸掛系統(tǒng)中采棉頭單個(gè)依次運(yùn)行的過(guò)程，此情況和上一種的區(qū)別在于，此方案對(duì)泵的流量需求少，只有上述方案的1/3，其運(yùn)行仿真情況如圖12所示，運(yùn)行特征位置如圖13所示。

從壓力對(duì)比可知，單對(duì)采棉頭運(yùn)行比3對(duì)采棉頭上升過(guò)程中運(yùn)行振動(dòng)明顯，但是也僅僅是在振幅0.1 MPa左右，但是單對(duì)采棉頭在平衡位置時(shí)的振動(dòng)比3對(duì)采棉頭同時(shí)動(dòng)作的振幅小94%，進(jìn)口總壓力小59%，流量需要小70%。綜合分析可知，雖然在時(shí)間上單對(duì)采棉頭一次運(yùn)行比3對(duì)采棉頭一起運(yùn)行的時(shí)間增加了67%，但是本身系統(tǒng)更加平穩(wěn)，采棉質(zhì)量會(huì)更好，而且系統(tǒng)的油箱也會(huì)更小，各方面的體積都會(huì)變小。

4 棉箱翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)機(jī)電液一體化仿真

棉箱翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，可知在上升過(guò)程中，壓力、活塞桿受力、速度都出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，這樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)液壓系統(tǒng)的振動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且在液壓缸上升過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)沖

擊，所以位置伺服控制的目的在于在液壓缸啟動(dòng)時(shí)快速啟動(dòng)，達(dá)到指定速度，勻速運(yùn)行上升，然后快要到達(dá)位置時(shí)速度下降到0，本研究選擇PID（比例、積分、微分）閥控方式來(lái)實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程，液壓位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖14所示。

通過(guò)以上模擬結(jié)果可知，加了PID伺服位置控制的棉箱翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其無(wú)桿腔壓力在棉箱剛開(kāi)始上升加速的過(guò)程中有輕微的波動(dòng)，當(dāng)加速階段結(jié)束開(kāi)始勻速運(yùn)行的過(guò)程時(shí)，其壓力不再波動(dòng)而是逐漸連續(xù)下降，在即將到達(dá)指定位置時(shí)，其壓力又上升，對(duì)比沒(méi)有加位置控制時(shí)的系統(tǒng)可知，增加位置控制的系統(tǒng)壓力比沒(méi)有加控制時(shí)的壓力低。此時(shí)有桿腔壓力損失變小，其活塞桿受力變化情況和其壓力變化情況一致。

通過(guò)位移圖和速度圖可知，液壓缸的運(yùn)行過(guò)程是一個(gè)先加速后勻速再減速的過(guò)程。這樣的運(yùn)行方式是很好的，加速階段可以降低液壓缸啟動(dòng)的時(shí)間，使其快速達(dá)到運(yùn)行速度，勻速階段可以使液壓缸平穩(wěn)運(yùn)行，減速階段可以在活塞桿即將到達(dá)液壓缸底部時(shí)，實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊停止。

綜合上述分析結(jié)果可知，基于閥控缸基礎(chǔ)，加了PID控制器的棉箱翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，運(yùn)行速度更加平穩(wěn)，壓力波動(dòng)更加小，壓力沖擊更小。

5 液壓系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

根據(jù)設(shè)計(jì)的采棉機(jī)液壓系統(tǒng)搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖16、圖17所示，但是由于試驗(yàn)進(jìn)行到目前階段是驗(yàn)證性試驗(yàn)，測(cè)試的都是空載情況的運(yùn)行參數(shù)，無(wú)法對(duì)有負(fù)載情況的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。其次，根據(jù)現(xiàn)有的測(cè)量元件，也只能測(cè)試泵出口壓力和流量的穩(wěn)定值，不能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)液壓元件的特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，所以試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)還有待完善。

6 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)家用中小型采棉機(jī)的工作原理分析，設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)原理圖，根據(jù)實(shí)物模型在一定簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)之上繪制了相關(guān)執(zhí)行構(gòu)件的三維模型，然后借助于AMESim軟件、ADAMS軟件和PID控制原理，繪制了機(jī)電液仿真圖。

通過(guò)對(duì)工況的分析可知， 采用機(jī)液和機(jī)電液技術(shù)可以更

好地模擬機(jī)械和液壓系統(tǒng)。控制系統(tǒng)之間的相互作用，可以更好地反映采棉機(jī)的實(shí)際工況，由于采棉機(jī)處于研發(fā)階段，其不僅可以通過(guò)仿真了解液壓系統(tǒng)的特性，還可以了解機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為液壓元件的選型和試驗(yàn)平臺(tái)的搭建提供了一定的依據(jù)，這樣可以減少研發(fā)成本，為以后的試驗(yàn)提供一定的數(shù)據(jù)支持。

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