第３９卷第５期 ２０１８年５月 中国农机化学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．５
Ｍａｖ． ２０１８
整杆式甘蔗收割机液压系统设计与分析＊ 刘恩辰，葛动元，罗信武 （广西科技大学机械工程学院，广西柳州，５４５００６）
摘要：液压系统是整杆式甘蔗收割机的核心动力装置，为实现优化设计，分析简单单独控制系统和简单集成控制系统的特 点，并提出优化集成控制方案。简单单独控制系统使用和维护都相对简单方便，但系统集成度低，动力和传动结构多且庞 大，也增加了设备重量和成本，液压系统的管路较为复杂，系统发热严重，综合效果不太理想；简单集成控制系统系统集成 度好，但小负载器件的功率因数低，其中扶蔗机构的功率因数低至２６．７ ，系统发热量大；优化集成控制系统系统集成度 好，通过设置增速器，将扶蔗机构的功率因数提升至９２ 以上，具有较好的综合效果。 关键词：收割机；甘蔗；液压系统；设计 中图分类号：￥２２５．５＋３ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５—５５５３（２０１８）０５—０００１—０４
刘恩辰，葛动元，罗信武．整杆式甘蔗收割机液压系统设计与分析ＥＪＩ．中国农机化学报，２０１８，３９（５）：０１～Ｏ４ Ｌｉｕ Ｅｎｃｈｅｎ，Ｏｅ Ｄｏｎｇｙｕａｎ，Ｌｕｏ Ｘｉｎｗｕ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｗｈｏｌｅ ｓｔａｌｋ ｓｕｇａｒｃａｎｅ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ［Ｊ］ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１８，３９（５）：０１～Ｏ４
０ 引言 甘蔗是中国南方主要经济作物之一，实现甘蔗收 获机械化能够有效提高劳动效率、降低收割成本，对中 国农业发展具有重要意义。根据最终收获甘蔗形态的 不同，可将甘蔗联合收割机分为两种类型：切段式收割 机和整杆式收割机。受甘蔗种植模式、种植地形和糖 厂榨糖工艺等因素影响，目前在中国整杆式甘蔗收割 机是甘蔗收获机研制的重要机型＿１ ］。 １ 整杆式甘蔗联合收割机动作分析 整杆式甘蔗联合收割机工作时，其动作包括扶蔗、 压倒、砍蔗、喂人、剥叶、输送、行走、吹风等，上述各个 动作分别对应螺旋扶蔗机构的转动、压倒滚筒的转动 以及收割机整体向前运动、收割刀具的转动、喂人滚筒 的转动、剥叶及分叶滚筒的转动、输送滚筒的转动、行 走机构的转动、吹风机构的转动，这些机构都是由液压 系统进行驱动的。 同时，为适应不同的甘蔗收割场景，还设置了油缸 系统来调节螺旋扶蔗机构的高度升降及角度变幅、收 割刀具的高度升降以及甘蔗收割机的转向。收割甘蔗 时，扶蔗机构、压倒机构、砍蔗机构、喂入机构、剥叶机 构、输送机构、行走机构、吹风机构等机构同时运行、相 互配合，但各机构所承受的负载大小不一；扶蔗机构以 及切割机构的升降油缸，只在工作开始前调整好相应 的高度和角度，然后对油缸进行锁紧；另外，转向油缸 只在甘蔗收割机进行转向或掉头时才工作。为防止堵 塞情况，工作开始时，先启动输送装置、剥叶装置、喂入 装置和压倒装置，再启动刀具及扶蔗装置；而工作完毕 时，应该先关闭刀具及扶蔗装置，然后再关闭压倒装 置、喂入装置、剥叶装置和输送装置。
２ 甘蔗收割机液压系统设计要求分析 甘蔗收割机的各个动作都是由液压系统进行驱动 的，液压系统中液压马达的流量、转速和排量间的关系 如式（１）所示，液压马达的功率、工作压力和流量间的 关系如式（２）所示。 Ｑ一 ＸＶ×１０ （１） Ｐ一 ＸＱ÷６０ （２） 式中：Ｑ——液压马达流量，Ｌ／ｒａｉｎ； ——液压马达转速，ｒ／ｍｉｎ； Ｖ——液压马达排量，ｍＬ／ｍｉｎ； Ｐ——液压马达功率，ｋｗ； 液压马达工作压力（压强），Ｍｐａ。 根据式（１）（２）可以计算出单纯液压传动时，各传 动马达的相关参数，其参数如表１所示。
收稿日期：２０１８年４月２８日 修回日期：２０１８年５月９日 ＊基金项目：２０１７年度国家自然科学基金项目（５１７６５００７）；２０１６年度广西高校中青年教师基础能力提升项目（ＫＹ２０１６ＹＢ２５３） 第一作者：刘恩辰，女，１９８２年生，河北保定人，硕士，讲师；研究方向为农机设计、上肢康复机器人。Ｅ—ｍａｉｌ：ｎｉｃｅ２０１０＠１２６．ｃｏｒｎ 中国农机化学报 表１ 各机构传动马达工作参数 Ｔａｂ．１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｏｆ ｅａｃｈ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
根据甘蔗收割机的工况及动作要求，液压系统的 设计必须能满足以下四个条件：第一，独立性方面，各 机构要能单独动作，相互之问不受影响，即各传动机构 的马达工作参数要能够满足表１所列的要求；第二，效 率方面，各转动机构能达到各自的转速要求，同时减小 液压系统的压力损失，保证工作效率；第三，稳定性，各 个机构的转速不受负载变化而明显变化，能够保持正 常的速度，以实现与其他机构运动速度的关系匹配；第 四，经济性方面，尽量加强液压系统的集成性，降低收 割机的成本，提高性价比，保证经济实用性。
３ 三种液压系统方案分析与比较 目前，采用的液压系统控制方案有简单单独控制 方案和简单集成控制方案两种，两种方案各有特点，本 文同时还提出一种改进后的集成控制方案。 ３．１ 简单单独控制方案 在简单单独控制方案中，各个工作机构分别单独进 行控制，传动方式和液压系统控制方式如表２所示。由 于剥叶机构和行走机构的工作压力高达２５Ｍｐａ，因此选 择闭式变量泵的方式，不仅能够在高压大流量的条件下 工作，避免气蚀现象，还能提升系统的能源利用效率。 表２简单单独控制方案 Ｔａｂ．２ Ｓｉｍｐｌｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ
其他的系统，如压倒机构、扶蔗机构、刀具旋转机
构、喂入机构、输送机构等分别是由一个单独的定量泵 进行供油驱动，执行元件为定量马达，中间采用电磁换 向阀来控制马达的旋转方向，其控制原理如图１所示。 这种单独控制方案，控制系统简单，各个工作系统控制 独立，相互之间基本不影响，使用和维护都相对简单方 便；由于各个系统都是单独设计，可以选择合适参数的 泵和马达，减少了因调节流量带来的节流损失。但是， 单独控制方案系统集成度低，动力和传动结构多且庞 大，需要的安装空间大，也增加了设备重量和成本，液 压系统的管路较为复杂，系统发热严重，综合效果不太 理想。
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图１ 开式足量泵控制原理图 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｏｐｅｎ ｔｙｐｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｕｍｐ
３．２简单集成控制方案 针对简单单独控制方案的缺点，将液压系统进行
一定的集成，以降低设备的重量和成本。剥叶机构和 行走机构还是选择由两个闭式变量泵直接控制，一方 面是保证高压大流量下的正常工作，另一方面，采用两 个独立的液压系统，原因在于剥叶机构和行走机构两 者在工作时间上具有一定的独立性，如果将二者的液 压系统进行集成，将带来泵流量的过度富余，造成压力 损失和系统发热。压倒机构、扶蔗机构、刀具旋转机 构、喂入机构、输送机构等其余工作系统由一个负载敏 感变量泵集中供油，并通过多路阀控制各个机构的供 油情况，简单集成控制方案如表３所示。 表３简单集成控制方案 Ｔａｂ．３ Ｓｉｍｐｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ 第５期 刘恩辰等：整杆式甘蔗收割机液压系统设计与分析 ｊ 较简单单独控制方案而言，简单集成控制方案的 集成度有所提高，整个系统采用三个泵，其中一个是负 载敏感定量泵，有利于降低能耗，同时配套使用多路 阀，可集中多个执行马达的运动，节省了安装空间。但 是，此方案将各个执行机构进行简单集成，执行机构间 存在相互影响。一方面，各执行器同时工作时，如果流 量不够，系统的流量会优先流向小负载执行机构，使得 大负载执行器的执行速度降低，甚至停止下来；另一方 面，执行器同时工作时，如果流量足够，小负载的执行 器将会存在较大的压力损失，造成耗能升高，系统发热 量增大。例如压倒机构的功率因数 ＾ 一 一 Ｏ一４０ （３） ｐｍａｘ 上 式中： ——压倒机构的工作压强； 系统的最大压强。 扶蔗机构的功率因数 ＾ ＾ 仡一 一＿兰＿一２．７ （）１ ｒ－ ６ ４ Ｐ １０ 式中： ——扶蔗机构的工作压强。 可见小负载执行器件的功率因数较小，需要对简 单集成控制方案进行改进，以提高器件的功率因数，降 低能耗和系统发热。 ３．３优化集成控制方案 由式（３）（４）可知，造成简单集成控制方案中器件 功率因数较小的主要原因为，器件的工作压强远小于 本液压系统中的最大工作压强。因此，为提高器件功 率因数，本文提出一种新型的甘蔗收获机液压传动方 式：在液压传动后，增加增速器传动机构。优化集成控 制方案如表４所示。 表４优化集成控制方案 Ｔａｂ．４ Ｏｐｔｉｍａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ 由于设有增速器，小负载器件的工作压强得到了 提升，其功率因数因而也得到提升。负载工作压强、增 速比、马达压强三者间的关系如式５。 Ｐ—ｐｆ×，ｚ （５） 式中：户 ——负载压强，Ｍｐａ； 增速比。 由式（３）（４）可知道，将执行器的马达压强调节至 系统最大压强时，执行器的功率因素最大，根据表１和 表４，可知，负载敏感定量泵系统的最大压强为 １５Ｍｐａ。根据式（５），负载敏感定量泵系统中压倒机构 的传动比 １一Ｐ。 １—５：２ （６） 负载敏感定量泵系统中扶蔗机构的传动比 ，２２一Ｐ。 ２一ｌ５：４ （７） 负载敏感定量泵系统中刀具机构的传动比 ３一 。Ｐ３—５：４ （８） 负载敏感定量泵系统中风机机构的传动比 ４一 。Ｐ４＝＝＝１５；４ （９） 由于喂入机构和输送机构的负载压力为１５Ｍｐａ， 等于负载敏感定量泵系统中的最大压强，因此不需要 增设增速机构。 增压后，压倒机构、扶蔗机构、刀具机构、风机机构 等机构的马达压强与系统的最大压强相一致，因此在 执行段的功率因数主要表现为增速器的功率因数，其 值约为９２ ～９５ 之间。优化集成系统中各机构传 动马达工作参数如表５所示。 表５优化集成系统中各机构传动马达工作参数 Ｔａｂ．５ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍｓ
名称传动比 ／ 功 压倒机构 扶蔗机构 刀具机构 喂人机构 输送机构 风机机构 剥叶机构 行走机构