基于Simulink的牧草收割机液压传动系统仿真研究徐鹏 崔艳伟... 东北农业大学学报-2011年11期 .pdf

第42卷第11期2011年11月东北农业大学学报JournalofNortheastAgriculturalUniversity42(1l1：83-88NOV20l1基于Simulink的牧草收割机液压传动系统仿真研究徐鹏，崔艳伟，米伯林。，王平山(1黑龙江科技学院机械工程学院，哈尔滨150027；2黑龙江完达山林海液奶有限公司，哈尔滨150078；3东北农业大学工程学院，哈尔滨150030)摘要：针对传统牧草收割机存在的不足，提出采用液压方式驱动的牧草收割机。基于牧草收割机的液压传动系统建立数学模型，并利用Matlab软件提供的SIMULINK仿真工具箱建立仿真模型，根据给定的仿真系数，对参数不变以及节流阀开口量变化时的马达转速进行仿真分析。仿真结果表明，该液压系统设计合理，马达的转速可以通过调节节流阀开口量的大小来实现。关键词：Simulink；牧草收割机；液压系统；仿真中图分类号：$7675；X172文献标志码：A文章编号：10059369(2011)11-008306SimulationofhydraulictransmissionsystemofrotarymowerbasedonSimulinkxuPeng，CUIYanwei，MIBolin。，WANGPingshan(1MechanicalEngineeringCollege，HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology，Harbin150027，China；2HeilongjiangWondersunLinhaiLiquidMilkLtd，Harbin150078，China；3EngineeringCollege，NortheastAgri。culturalUniversity，Harbin150030，China)AbstraCt：Basedontheweaknessofmower，hydraulictransmissionwasusedtodrivemowerAfteranalyzingthehydraulicsystem，themathmodelofthissystemwassetupThesimulationmodelwasestablishedbyusingSimulinksoftwarepackagewhichwasapartofMatlabAccordingtothenumberofcoefficientforemulation，andtheopeningofthethroRlewaschangedorunchangedinthemotorofthespeedofasimulationanalysis，whichshowedthatthedesignofhydraulicsystemwasreasonableandrotatespeedofhydraulicmotorwaschangedbythrottlingthevalvetheopeningofthesizeKeywords：Simulink；mower；hydraulicsystem；simulation在我国农村中，由于拖拉机的使用较为普遍，所以大多数牧草收割机都是通过拖拉机的动力输出轴输出动力，这有利于机器的配套，提高拖拉机的利用率。牧草收割机按切割方式可分为往复式和旋转式u。以往与拖拉机配套使用的牧草收割机多数为往复式割草机，由于它的切割性能较好，功率消耗低，价格便宜，使用调整方便等特点，在生产上得到普遍应用。但是随着人工种植草场数量的增加，天然草场的管理和治理，单位产草量稳步提高，往复式割草机已难以满足生产上的要求，反映出堵刀、切不断牧草，作业速度低等问题。所以，应用旋转式牧草收割机的时机已趋于成熟，它以作业速度高，对密度大、茎杆粗壮的牧草显示出较好的适应性。旋转式牧草收割机的传动系统是该机的重要组成部分，而当前国内外生产的各种型号旋转式牧草收割机，其传动形式普遍采用皮带、齿轮传动结构口I。因此，造成传动结构复杂、重量大，加工精度要求严格，整体结构也偏于复杂，不易于控制动力部件，而且降低了传动的机械效率。为解决大收稿日期：20101220基金项目：黑龙江科技学院引进人才基金(0662)作者简介：徐鹏(1981一)，男，讲师，硕士研究生，研究方向为液压传动与控制。E-mail：peng3822sinacom东北农业大学学报第42卷型宽割幅割草机的技术难题，采用液压传动取代普遍应用的机械传动，应用液压马达直接驱动旋转刀盘进行牧草切割，这种液压传动系统取代传统的机械传动系统使结构大为简化，_T作平稳性增强，制造精度降低。1液压系统数学模型的建立根据牧草收割机的技术特征和实际作业情况，选取液压传动系统的执行元件为齿轮马达。牧草收割机在进行作业之前，刀盘的转速应能够调到适当的转速，并且液压系统的负载变化小，要求回路起步冲击小，所以液压传动系统采用定量泵加进口节流调速的方案，所设计的牧草收割机液压传动系统如图1所示。在本系统中，由于油过滤器和系统的回油管路以及溢流阀的回油管路对系统的动态仿真结果影响很小，所以在建立仿真模型时可以将它们忽略。这样，就可将牧草收割机的液压系统原理图简化为图2。14一液压马达；5-空气滤清器；6-温度计；7-液位计；8一过滤器；9-截止阀；10一液压泵；11-压力表；l2一溢流阀；13一节流阀；l4一测压接头1-4-Hydraulicmotor；5-Airfilter；6一Thermometer：7-Levelgauge；8-Fiher；9-Shutoffvalve；10一Hydraulicpump；11-Pressuregage；12一Overflowvalve；13一Throttle；14一Pressurejoints图1液压传动系统Fig1Diagramofhydraulicsystem14一液压马达；5-液压泵；6节流阀；7一溢流阀；a一液压管路；b一液压管路；c一液压管路；d-液压管路；e一液压管路l一4一Hydraulicmotor；5-Hydraulicpump；6-Throttle；7-Overflowvalve；a-Hydraulicline2：h-Hydraulicline4；cHydraulicline5；d-Hydraulicline6；eHydraulicline7图2液压系统Fig2Simplifiedelementarydiagramofhydraulicsystem功率键合图实际上表示了系统的功率流程，所以根据图2，了解到在系统的诸多作用下，功率的流向、汇集、分配和能量转换等情况后，绘制出此液压系统的功率键合图，如图3所示。有了系统的功率键合图模型，可以很方便地直接由键合图求得系统的状态方程。所以根据图3所示的系统功率键合图模型，写出相关的状态方程，即可获得液压系统的数学模型如表1所示。2动态仿真模型的建立利用Matlab中的Simulink工具箱可以对该液压系统进行仿真，根据表1所给出的液压系统数学模型，在Simulink模型窗口中建立仿真模型u”，首先可以将各元件的仿真模型封装成子系统，然后再将各子系统组成整体，所以，旋转式牧草收割机液压系统的仿真模型如图4所示。3仿真结果与分析通过运行动态仿真模型，就可以得到仿真结果。动态仿真模型的算法采用ode45，仿真计算步长为0001，误差控制为lxl0，仿真时间的开始时间设为000s，结束时间设为2000s。将各第11期徐鹏等：基于Simulink的牧草收割机液压传动系统仿真研究85负载扭矩的开始时间t设为l000S，也就是说在10S时开始对各液压马达加载。下面就通过改变相匡垂应的仿真模型系数，来分析说明该液压系统的性能。液压马达1液压马达4管路e液压马达3管路d图3液压系统功率键合图Fig3Powerbondgraphofhydraulicsystem表1液压系统的数学模型Table1Mathematicalmodelofhydraulicsystem液压马达2液压泵Hydraulicpump管道Pipe溢流阀Overflowvalve变换器，泄漏兄0结点液阻见1结点尼元0结点节流阀ThrottleR元1结点液压马达Hydraulicmotor泄漏兄液容C被驱动转动惯量负载摩擦尼负载扭矩变换器变换器O结点1结点TvpS(，v|sPQtclppQlSqPQPkpP=PPhQ0如尸Q=QrQ,=KfAP,，iIPPPQP=I(CIAQdt)+P(O)m=1(LCSTdt)+w(O)t(1-e)T-PVQ=PcQaQ=Q,-Q-Q,z一|RnT胛氍kQ一，一兰一1_G一、串k风QQLPJ-遗Q丁上。盯*东北农业大学学报第42卷液压图4液压系统仿真模型Fig4Simulationmodelofhydraulicsystem表2液压系统的仿真模型系数Table2Simulationmodelcoefficientofhydraulicsystem速液压泵HydraulicpumpStoP管道Pipe(a)管道Pipe(b)管道Pipe(c)管道Pipe(d)L管道Pipe(e)溢流阀Overflowvalve尼41Oxl09Pam节流阀Throttle420x10一mPa液压马达Hydraulicmotor160xlOm228x10一ms-tPa-217x10。ms-IPa-206xlO一mS-IPa195x10。mPa一900xlO一“Pam一0radS一。OPaO0375kgm0016Nmsrad一8Nm398xlO-m3rad31参数不变