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小型甘蔗收获机传动系统的动力学建模及仿真研究 摘要 甘蔗是我国南部地区的主要经济作物之一，研究适应我国南部地区， 特别是广西地貌特点的经济的、可靠的小型甘蔗收获机，对提高生产率， 降低蔗糖的生产成本和蔗农的劳动强度具有重要的现实意义。 小型甘蔗收获机作为一种复杂的农用机械，它能否正常、可靠地工作， 不仅取决于它的静态特性，更取决于它的动态特性。本文就小型甘蔗收获 机的动态特性所做的主要工作如下： ( 1 ) 在已有研究成果的基础上，设计出一种机液一体的整机传动方 案，并对传动系统进行具体的设计。 ( 2 ) 分析传动系统影响动态性麓的主要因素，忽略次要因素，用功率 键合图法建立传动系统的动力学模型，根据键合图模型推导出描述系统动 态特性的状态方程。 一 ( 3 ) 将得到的状态方程，用m a t l a b s i m u l i n k 软件表达出来，计算系 统的各个参数，并选择液压元件，为s i m u l i n k 模型参数的设定提供依据。 ( 4 ) 最后对系统进行动态特性仿真，分析仿真结果，并在此基础上完 成各个部件的匹配工作。 关键词：小型甘蔗收获机动态分析传动系统键合图s i m u li n k r e s e a r c ho nt h ed y n a m i cm o d e l i n ga n d s l m u l a t i o no f t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo f t h e m i n i t y p es u g a r c a n eh a r v e s t e r a b s t r a c t s u g a rc a n ei so n eo f t h ee c o n o m i cc r o p si nt h es o u t ho f c h i n a i t so f g r e a ts i g n i f i c a n c e t or e s e a r c hae c o n o m i c ，协l s t ym i m t y p es u g a r c a n eh a r v e s t e rs u i t a b l ef o rt h es o u t h e r na r e a so f o l l rc o u n t r y ，e s p e c i a n yf o r t h ep h y s i o g n o m yo fo u a n g x iz h u a n ga u t o n o m o u sr e g i o nt o r e d u c el a b o ri n t e n s i t ya n dr p m gc o s t a sa l li n t r i c a t ea g r i c u l t u r a lm a c h i n e ，w h e t h e rm i m t y p es u g a r c a n eh a r v e s t e rw o r k n o r m a l l ya n d 佃l s l yo rn o t ，n o to n l yd e p e n do n i t ss t a t i cc 蜘s f i c ，b u ta l s od e p e n do n i t sd y n 舡m cc h a r a c t e r i s t i c t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ro i lt h ed y n a r a i cc h a r a c t e r i s t i ca r e8 s f o l l o w ： ( 1 ) b a s e d o nt h ef o r m e rr e s e a r c ho fo t h e rs t u d e n t s ，t h i s p a p e rd e s i g n h m e c h a n i c a l - h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns c h e m ea n dd e s i g nt h er e a l ( r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h e w h o l em a c h i n e ( 2 ) t h i sp a p e ra n a l y s et h em a r ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n d i g n o r et h eo t h e r s o nt h i sc o n d i t i o n ，t h i sp a p e rb u i l dt h ed y n a m i cm o d e lo f t h e 仃棚强i i ：粥i o n s y s m nw i t hb o n dg r a p ha n di n f e rt h ee q u a t i o no fs t a t ed e s c r i b e dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c b e h i n dt h eb o n dg r a p hm o d e l ( 3 ) t h i sp a p e rb u i l dt h ed y n a m i cm o d e lb a s e do nt h ee q u a t i o no fs t a t e w i t h m a t l a b s i m u l i n ka n di n f e rt h ep a r a m e t e r sf o rt h ed y m m i cm o d e l 。t h i sp a p e ra l s oc h o o s e s t h eh y d r a u l i cd e m e n t sf o rt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m ( 4 ) a tl a s t ，t h i sp a p e rr l l nt h es i m u l a t i o na n da n a l y s et h er e s u l t s ，f i n i s ht h ep o w e r m a t e h m g k e yw o r d s ：m i n i t y p es u g a r c a n eh a r v e s t e r ：d y n a m i ca n a l y s i s ) t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；b o n d - - g r a p h ：s i m u l i n k 叩b ，泵的容积效率 叩m 泵的机械效率 叩8 泵总效率 玎m 马达的容积效率 讥m 马达的机械效率 7 7 马达的总效率 n 。转速，r m i n p 一系统压力，m p a p 广工作压力，m p a p 目一背压，m p a p k 溢流阀开启压力，m p a p 1 _ 镒流阀调定压力，m p a 卸阀口两端压差，m p a q r 一泵的排量，m l m i n 咏t 泵的理论流量，l m i n q 旷嚎的实际流量，l m i n 醵f 泵的泄漏流量，l m i n q l 厂一马达的排量，r a l m i n q u t 马达的理论流量，l m i n q - r 马达的实际流量，l m i n ( 马达的泄漏流量，l m i n r 换向阀液阻，n s m 5 r * 截流阀液阻，n s m 5 r 日调速阀液阻n s m 5 r 溢流阀液阻，n s m 5 符号说明 i i i 运动部件转动惯量，k g m 2 m 运动部件质量，k g c 液容，m 5 ，n k 油液的体积弹性模量，7 0 0 m p a d 阀的通径，m m p 油液密度，9 0 0 ( k g l m 3 ) t 。理论扭矩，n m t d 输入扭矩，n m i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 宁际恒川年月初日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版。并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 哦日时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 燃寺际伍一名萨叶晰占月z 1 日 广西大掌硕士掌位论文 小型甘蒋收获机传动系统的动力掌爿| 模及仿真研究 第一章绪论 1 1 课题的提出1 1 1 1 2 l 1 1 1 课题的来源 本课题是国家自然基金基于知识的甘蔗收获机械智能设计系统关键技术的研 究”的一部分，是在广西区科技攻关项目“甘蔗收获机虚拟样机技术及动力技术的研究” 的基础上进行的。主要任务是研制适合我国南部地区，尤其是广西地形地貌特点的小型 甘蔗联合收获机，从而降低蔗农劳动强度，减少收获损失，改变我国甘蔗收获的落后局 面，提高农业机械化水平，降低甘蔗收获成本，进而提高我国制糖业的国际竞争力。 1 1 2 课题的研究目的和意义 我国是产糖大国，主要产蔗糖，蔗糖年产量超过1 1 0 0 万吨，相应所生产的甘蔗达l 亿吨以上。而广西甘蔗种植面积超过1 0 6 9 万亩，是全国甘蔗种植第一大省区。在2 0 0 5 2 0 0 6 年榨季，广西年产糖量5 8 8 万吨，占全国总产糖量的6 0 以上，涉及甘蔗种植人 口达2 0 0 0 多万人，蔗糖业已成为广西的支柱产业和政府财政收入的主要来源。但是， 广西甘蔗种植机械化程度远远落后于糖业发展的需要。广西地处祖国的南疆，山多，丘 陵多，其中甘蔗种植地很大一部分是丘陵地带。而丘陵地带的一个主要特点就是粘土多 地势起伏不平，有坡度，交通也不便利，甘蔗种植也大多是小块种植。因此大型甘蔗收 获机械不适用于丘陵地带。所以，丘陵地带的甘蔗种植和收获仍然基本沿用手工方式， 劳动强度大，这不仅给蔗农造成沉重的负担，浪费了大量的人力、物力，同时也由于生 产率低下，严重阻碍了甘蔗的种植和发展。在这种情况下，研制小型、轻便、经济、适 用于丘陵地带的甘蔗收获机械就显得尤为重要。 1 2 甘蔗收获机械国内外发展现状 1 2 1 国外发展状况1 3 1 1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 7 f f 8 1 甘蔗收获机械的研制，在国外十九世纪8 0 年代就己开始。它大体经过了甘蔗收获 机械的初级阶段、割后处理技术的研究、甘蔗的青秆收获、现代收割技术等四个发展阶 段。二十世纪8 0 9 0 年代，甘蔗收获技术的主流是连续的切断式收获，工作效率得到 很大的提高。 目前国内外发展的甘蔗收获机械主要有两种型式：一种是切段式甘蔗收割机，一种 l 广西大掌硬士掌位论文小型甘蘑收获机传动秉统的动力掌建模及仿真研究 是整杆式甘蔗收割机， 世界上发达的产糖国家，甘蔗都是连片种植的，面积大，蔗田平整，很适合机械化 作业同时，糖厂制糖工艺接受切段式原料蔗，因此，甘蔗收获机械化水平高，大型切 段式甘蔗联合收割机得到了广泛应用，如巴西已有8 0 的甘蔗生产实现了机械化收割， 古巴也达到了7 2 。目前，在巴西、澳大利亚、古巴等产糖发达国家，大型切段式甘蔗 联合收割机是甘蔗收获机械技术发展的主要方向。 这些大型甘蔗联合收割机具有功率大、作业效率高、功能齐全、自动化程度高、割 后甘蔗含杂率低等特点，是全程机械化生产中成熟、稳定的收获机具。其作业时能够一 次性完成扶起、切梢、收割、切段、装载、蔗叶切碎还田等工序，加上与收割机作业配 套使用的运输车、加油车、维修车等，就实现了甘蔗收获环节的全程机械化。 以下为国外甘蔗收获机的机型主要以及其相关参数： ( 1 ) g k 7 5 型甘蔗收获机 该机是后轮驱动，前轮为单轮的轮式甘蔗收获机。发动机：d e u t zb f 4 m 1 0 1 2 ；发 动机转速：2 3 0 0r m i r a 作业速度：3 虹l ，h ；采用液压伺服控制。转弯半径：2 9 0 0 r a m 。 ( 2 ) g k 2 0 0 型甘蔗收获机 该机是履带式中型甘蔗收获机，采用橡胶履带，这使得它对地面的压力很小。外形 尺寸( 蛐) ：7 8 0 0 2 4 0 0 * 3 8 0 0 ；操作重量：3 0 0 0 k g ；发动机：b f 6 m 1 0 1 3 c ；发动机 转速：2 3 0 0r m i n ；作业速度；o 8 k p h ( 3 ) c h 3 5 0 0 系列甘蔗联合收获机 该系列收获机有履带和轮式底盘两种。主体长度：7 1 1m ；总长( 最大) ：1 5 1 4m ； 驾驶室高度：4 0 4m ；全部展开高度：6 2 5r f l ；最大高度：5 2 1m ；功率：2 5 1 k w ( 4 ) a u s t o f t7 0 0 0 型甘蔗收获机 该机是采用螺旋扶蔗机构、全液压和先进的电子控制系统的轮式甘蔗收获机，采用 适用于平原的甘蔗截断式收割方式。配套动力：3 3 0 马力；生产率：9 0 吨d , 时。 i 2 2 国内发展状况 尽管现代甘蔗收获机械的自动化程度，生产效率都很高，但甘蔗收获技术仍未走到 尽头。因为这些大型的甘蔗收获机械只适用于地域广阔而平坦地方，而在亚洲，地理条 件复杂，蔗田地块小而分散，加上交通状况不良，使得大型收获机无法有效地工作。实 验表明，a u s t o f t 7 7 0 0 在泰国甘蔗地的田阃效率只有4 2 ，造成机器的收获成本高于人 2 j 霄大掌硬士掌位鬣? 文 小量! 甘蘑收获机传动蓦藏的动力掌爿滔a 肪i 厨完 工收获的成本。面在我国，蔗田地块小而分散，距离糖厂远，运输条件差，土地准备和 田问管理的各个环节都没有为机械化收获创造条件，以及没有统一的耕作制度( 如品种、 行距杂乱等) ，糖厂对含杂率指标要求过高( 我国0 5 ，国外5 2 0 ，6 ) ，蔗农缺乏对合 理使用机械的认识和训练等等情况制约着大型甘蔗收获机在我国的使用。目前在我国， 切段式收获根本不可能实现，而整杆式收获机也仅在少数农场使用，甘蔗收获仍以人力 收获为主因此，开发成熟的、适用于丘陵地区的小型甘蔗收获机，并对与其相关的理 论及技术进行探讨，具有重要的现实意义。 我国甘蔗收获机的研制比较缓慢，基本上是仿照国外的大型收获机，沿用传统的设 计方法进行设计，致使甘蔗收获机结构复杂，机体庞大，不适合在小块的田问作业。 目前，我国已研制出的甘蔗收获机主要有以下几种： l 、g z 一3 5 侧挂式甘蔗整杆收获机 该机由广东农机所研制，配套丰收一3 5 或红卫- 4 0 等中型轮式拖拉机。收获机半悬 挂于拖拉机的右侧，外端支撑在一个侧轮上。该机属于剥叶式整杆收获机，能一次性完 成扶起、切割、喂入、剥叶、分离清理等工序。该机的缺点是灵活性差、适应性不强， 不适合在小块的田间作业 2 、4 g 争1 2 小型甘蔗收获机 该机由福建农学院和仙游县农机厂研制，配用东风一1 2 型手扶拖拉机的动力和底盘， 采用履带行走装置，是一种新型的立式割台整杆铺放式收获机。该机操作灵活，但对倒 伏严重的甘蔗不能收获，而且功率不足。 3 、4 g z - 2 5 0 型甘蔗收获机 该机由广西农业机械研究院研制，采用切段式收割方式，整机重1 2 吨，采用全液 压传动及p l c 控制等先进技术，设计生产率为每小时收割甘蔗3 0 吨。宿根破头率s 2 0 ，含杂率1 0 ，蔗段长度为2 0 0 3 0 0 毫米。 4 、h s m 8 0 0 型轮式甘蔗联合收获机 该机是轮式甘蔗联合收获机，由柳州汉森公司于2 0 0 5 年1 月研制成功。外形尺寸 ( 舢) ：5 5 3 0 宰1 5 0 0 率2 3 0 0 ；质量( k g ) ：2 6 0 0 ；轮距( 咖) ：1 2 5 0 ；轴距( 咖) ：1 7 0 0 ；配 套动力( k 霄) ：4 2 2 ；作业前进速度( k m h ) ：1 5 、1 8 、2 3 ；生产率( 亩4 时) ：2 3 ；破损率( ) ：l o ：含杂率( ) ：2 3 ；油耗( 升亩) ：2 5 ；作业坡度： l0 。 3 广蕾r 大掌礓士掌位论文，小翌甘蘑收获机传动幕茂的黾，力掌建犋及饬_ 真研究 1 3 课题的研究现状及本论文的主要研究内容 1 3 l 课题的研究现状1 9 1 1 1 q l | l i l l 1 1 3 1 1 1 4 1 1 l 5 1 1 1 6 i 。 经过前面师兄师姐们的辛勤研究，我们的基于虚拟样机技术的小型甘蔗收割机的研 究已基本成型，但是在整体布局、部件尺寸，特别是在动态分析和功率匹配等方面还需 要进一步完善。以前的师兄师姐们做了各个部件耗能情况的静态研究也做了一些液压方 面的动态分析，但还没有对整机进行动态分析和功率匹配 系统动态的特性是指系统随时间变化的工作状态，它客观、真实地反应了系统每个 瞬时的状况。真实的系统帮是动态系统，静态特性好的系统并不意味着动态性能就好。 特别是复杂的系统，如果动态特性不好，在动态过程的工作情况就不能满足要求，甚至 无法正常工作甘蔗收获机械是一种复杂的机械，工作的环境很恶劣，仅仅研究它的静 态特性是远远不够的，还需要研究它的动态特性，并在此基础上进行功率匹配方面的研 究。 1 3 2 本论文的主要研究内容 针对项目的要求，本文主要的研究内容主要有以下几个方面： 一，根据甘蔗收获机的整体布局，为各个需要动力的部件设计传动路线； 二、对甘蔗收获机传动路线进行分析，找出对动态特性产生影响的主要因素，忽略 次要因素，并抽象出系统的键合图模型； 三、通过对键合图模型的研究，推导出 描述系统动态特性的状态方程，用 m 枷。a b s i i n u l i i l l 【根据系统的状态方程建立系统的计算机仿真模型； 四、对传动系统进行动态仿真分析，并进行功率的计算和分配。 4 广西大掌硬士掌位论文小翌甘蔗收获机传动系统的动力攀建模a 仿期 究 第二章小型甘蔗收获机的传动系统的设计 2 1 传动系统的总体要求纠 广西的地貌特点是多山、多丘陵：甘蔗大多种植在坡地上，而且绝大多数是单户种 植，种植面积小：我国规定坡度在2 5 0 以上的坡地不栽种农作物；我们的小型甘蔗收获 机主要面向农户。综合考虑以上几个方面的因素，认为小型甘蔗收获机应该具有以下几 个特点： 1 操作稳定性强，行驶平顺性好。稳定性通常指的是静态的稳定性，即抵抗翻倾和 滑移的能力，在农机领域分别用极限倾翻角和下滑临界角来表示。甘蔗收获机的极限倾 翻角和下滑临界角应该大于或等于2 5 0 2 具有良好的通过性。所谓的通过性是指机器跨越障碍的能力，如越过田埂和蔗垄 等。 3 爬坡能力强。应该能爬2 5 。的坡地。 4 ，具有良好的操纵性。即最小转弯半径要小。 5 尺寸小，结构紧凑。 6 价格较低。在5 8 万元之间。 2 1 1 基本设计参数 通过对田问实地的调查可知，蔗田的垄宽为约在4 5 0 r a m 到6 0 0 蛐之间，垄高约为 2 0 0 n 埘，垄距约为9 0 0 r a m ，垄沟宽约为3 7 0 n u n ，综合以上各方面的信息，可以初步给 出小型甘蔗联合收获机的一些设计参数要求： 总长：3 2 0 0 r a m 整机重量初定：2 4 t 轮距：1 2 0 0 r a m 高度：应该控制在2 2 0 0 m m 以下 底盘距地面最低距离：大于2 4 0 i 姗 工作能力：4 “t h s j 1 曩，“鼻司| ：e 掌位论文小型甘蘑收获机传动习漱的动力学建模覆仿舅月f 究 转弯半径：小于1 5 0 0 m m 爬坡能力：2 5 。 2 1 2 行走速度确定l 州 甘蔗收获机工作时，如果不考虑机器掉头时间，要满足每小时收获5 吨甘蔗的生产 率，甘蔗收获机的行走速度应该为0 3 3 m s 。但是实际上收获机在一小时中不能所有时 间都在工作，假设收获机每小时有效的工作时间为5 0 分钟，则要满足工作效率的最低 速度为： 。 1 ，：0 3 3 * 6 0 ：0 3 9 6 掰s 一 5 0 可取v = 0 4 m s 2 2 传动系统的总体设计 2 上l 传动方案的确定1 图2 1 小型甘蔗收获机传动方案 f 培2 - 1t h et r a n s m i s s i o ns c h e m eo f t h em i n i t y p es u g a r c a n eh a r v e s t e r 由于我们的小型甘蔗收获机，主要面向农户，收获机的价格必须控制，一般在5 3 6 小型甘蘑收获机翻 动采_ 统的毒，力掌建辏丑肪j 旧f 究 万元为宜，如果采用全液压传动方案的话价格会过高，采用全机械传动方案的话甘蔗收 获机就会过大，过重，而且也不好布局，因此采用部分液压，部分机械传动的方案。对 于传动距离较远，用机械传动控制比较困难的模块如扶蔗、砍蔗和断尾用液压传动，其 余的喂入和剥叶模块用机械传动。 根据以上的要求和前面师兄师姐的研究，综合考虑各种因素，设计出一种机液一体 的动力传动方案如图2 1 所示 2 2 2 物科通过方式整体布局” 物料通过方式如图2 2 所示。 图2 - 2 物料通过方案 f i g 2 - 2t | ks c h e m eo f s o g a r c a n et r a n s i t 现有大部分收获机都采用卧式物料通过方式，本设计也采用卧式物料通过方式，因 为机器上所用的各个功能部件的设计相对比较成熟，设计过程也会得到简化。但由于甘 蔗本身比较长，因此整机也比较长。 2 3 具体传动方案的设计l n l l l 2 1 f l a i l 2 5 1 1 2 9 l p o l l 3 1 l p 2 1 1 3 3 l m l l 3 5 1 1 3 6 l 即1 1 3 8 i 合理的传动方案，首先应能满足工作机的功能要求，其次还应满足工作可靠、传动 效率高、结构简单、尺寸紧凑、重量轻、成本低廉、工艺性好、使用和维护方便等要求。 任何一个方案，要同时满足以上所有要求是十分困难的，因此要统筹兼顾，满足最主要 和最基本的要求。 根据前面的总体传动方案，综合考虑物料通过方式整体的布局，并考虑柴油机后置， 设计出如下的传动方案： 7 ，1 f 大掌硬士掌位饨- 丈小型甘綦收获机瑚 动囊茂的动力掌建徭磊仿真研究 2 j i 甚体设计1 9 1 1 “i i l 7 i 如图2 3 所示，柴油机通过离合器连接到变速箱，输入轴接砍蔗断尾泵：通过两个 传动比为l 的锥齿轮分别接扶蔗轴和剥叶轴：由剥叶轴通过传动比为2 的圆柱齿轮降速 接喂入轴。 接扶蔗 接砍蔗断尾泵 图2 - 3 总体传动方案 f i g 2 - 3t o t a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m 2 3 2 扶蔗与台架f m l f ”1 1 1 。1 1 1 卅i 硼 扶蔗和台架升降液压系统共用一个独立的液压回路，如图2 - 4 所示但考虑到扶蔗 3 图2 4 扶蔗和台架升降液压系统 f i g 2 - 4t h eh y d r a u l i cs y s t e mo f h o l d i n gs u g l 2 r c a n ea n dr i s i n ga n df a l l i n gf r a m em o d u l e 广西大掌硪士掌位论文 小型甘蔗收获机传动系兢曲动力掌建接覆仿真研究 辊转动和台架升降两个互异的动作，台架升降是间歇性的，而扶蔗辊的转动是常态，所 以研究整个系统的动态性能时只需考虑扶蔗辊的转动。如图2 5 所示，可知剥离后的扶 蔗液压系统是由油箱l ，齿轮泵2 ，溢流阀3 ，两位四通手动换向阀4 ，调速阀5 和两个 齿轮马达6 组成。每个齿轮马达驱动一个扶蔗辊。 3 图2 - 5 扶蔗液压系统 f i g 2 - 5t h eh y d r a u l i cs y s t e mo f h o l d i n gs u g a r c a n em o d u l e 2 砍蔗和断尾i n i i 廿i f i ，i l l e l 3 图2 - 6 砍蔗和断尾液压系统 f i g 2 - 6t h eh y d r a u l i cs y s t e mo f c u t t i n ga n dt o pc u t t i n gm o d u l e 9 ，宵j 调睁硪【士掌位论文4 、型甘蔗收获机黄动系兢的动力- 掌建禳及仿i 阿究 如图2 - 6 所示，砍蔗液压系统由油箱1 ，齿轮泵2 ，溢流阀3 ，两位四通手动换向 阀4 ，调速阀5 ，和砍蔗马达6 ，断尾马达7 ，调速阀8 ，两位四通手动换向阀9 组成。 两个砍蔗马达各驱动一个砍蔗刀盘，断尾马达驱动一个断尾刀盘。 2 3 4 嚷入机构f 1 4 1 1 1 t l l 叼 如图2 7 所示，喂入机构由三对输送辊和一个耙轮通过链传动连接而成。 耙轮输送辊输送辊 图2 - 7 喂入传动系统 f 喀2 7t r a n s m i s s i o ns y s t e mo f f e e d i n gm o d u l e 2 3 5 捌叶 如图2 8 所示，剥叶机构由一对剥叶辊组成。由于两个剥叶辊之间距离太大，不能 用齿轮直接连接，因而采用链传动连接，中间通过一个惰轮来改变滚动方向。 录叶辊 输入轴 图2 - 8 剥叶传动系统 f 皓2 - 8t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo f l e a f c l e a n i n gm o d u l e l o l j - - 西大掌硕士掌位沧文 小型甘蘑收获机传动系统的动力掌建模反仿真研究 第三章传动系统功率键合图模型的建立 3 1 功率键合图法的简介口1 1 1 2 2 1 1 2 3 1 1 2 4 1 1 2 5 1 1 2 6 1 1 2 7 1 随着科学技术的不断发展，对系统的要求也日益提高。按静态或稳态条件下设计的 系统一般都不能满足预定的要求。性能良好的系统必须经过动态分析和设计。工程系统。 特别是高性能的工程系统，它们往往是机电液一体的，是多种能量形式的耦合现有的 各种系统动力学分析方法，往往仅限于单一能域的系统，而对多能域并存的工程系统具 有局限性。美国麻省理工学院的m h p a y n t e r 教授在5 0 年代末提出的键合图理论为 此提供了有效的解决途径所谓键合图，就是描述系统功率的传输、转化、储存、耗散 的图形表示。它能把有关的参数和变量按照客观实际存在的内部关系联系起来，建立起 所需的数学模型。它的优点，一方面在于键合图对功率描述上的模块化结构与系统本身 各物理结构及各种动态影响之间具有直观而形象的一一对应关系，便于理解其物理意 义：另一方面，它与系统动态数学模型之间又存在着严格的逻辑上的一致性，可以根据 系统的键合图有规律地推导出相应的数学模型。 因此，像甘蔗收获机这样比较复杂的机液体系统，用键合图来建立系统动态数学 模型是合适的。 3 l l 常用术语 1 键合图、通口、键、键接 依据能量守恒的基本原则。由一些基本元 件以一定的连结方式用规定的符号来表示的 图形，称为系统键合图。键合图是系统动态性 能统一的直观图形表示。构成它的基本元件称 为键合图元，一个键合图元与另一个键合图元 进行能量传递的地方称为通口。通口用画在键 合图元旁边的一根线段表示。如图3 1 中的线 段l 、2 、4 、5 、6 分别表示键合图元s f c 、i 、 甜一一& r 图3 1 系统键合图模型例子 f i g 3 - 1a l le x a m p l eo f b o n dg r a p hm o d e l s e 、r 的通口键合图元的通口相互联接便形成键。图中的线段3 就是s f 的通1 3l 、c 的通口2 与i 的通口4 、s e 的通口5 、r 的通口6 相互联接后所形成的通口是对一个 键合图元而言，而键则关联着两个键合图元。在未形成键的通口上没有能量流动，而键 t 1 p 廿埋甘蕞收获橱麓动磊搿：的动力掌嗣嫩矗钫，井究 则用以传递功率。一根键所关联的键合图元之间的联接称为键接。当键合图元键接后， 能量从一个键合图元传送到另一个键合图元的过程中，在键上没有能量损失。 2 广义变量 键合图理论将多种物理参量统一归纳成四种广义变量，即势变量、流变量、广义动 量、广义位移。其中势变量e ( f ) 和流变量f ( t ) 的标量积称为功率尸( f ) ，即 p ( f ) = e ( f ) 厂( f ) ( 3 - 1 ) 势变量和流变量又称为功率变量。 广义动量p o ) 定义为势变量的时间积分，即 p ( f ) = 卜( t ) d t 广义位移g ( f ) 定义为流变量的时问积分，即 窜( f ) = f f ( t ) d t ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 广义动量和广义位移是能量变量，因为能量e ( ，) 可以写成 e = f e ( t ) f ( t ) d t = s ，t 脚= l e ( q ) a q q 由 表3 - 1 列写了广义变量与机械变量和液压变量的对应关系。 表3 - 1 广义变量与机械变量、液压变量的对应关系 t a b l e3 - 1t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i p sb e n 咖g e n e r a l i z e dv a r i a b l e a n dm e c h a n i c a lv a r i a b l ea n dh y d r a u l i cv a r i a b l e 机械变量液压变量 广义变量 名称单位名称单位 力f牛顿( n )牛顿米2 ( n m 2 ) 势变量e 压力， 转矩丁 牛顿米( n m )( 帕( p a ) ) 速度v 米 眇( 1 n ，s ) 流变量f流量g 来3 1 t 眇( m 3 1 s ) 角速度珊 弧度，秒( r a d s ) 动量p 牛顿秒( n s ) 广义动量p 压力动量丑 帕秒( p a s ) 角动量h 牛顿+ 米( n + m s ) 位移x 米( m ) 广义位移q 体积矿 米3 ( m 3 ) 角位移护 弧度( r a e ) p = 凡 功率p = e f瓦特( v o功率p = 朋瓦特 聊 p = z 协 广茸大粤u i 仕掣垃论文4 型崔辔收获帆传动系统的动力掌建期覆仿i 斗究 动能 联p ) = f v d p e ( a ) = f q 以 e ( ，) = r 仲 能 e = l 硎h 焦耳 焦耳 量 势能 占( 功= ，f d x e = l 砸y e z l e 啦 e ( 口) = j t d o 3 功率流方向 功率是能量流动的速率，故它是一种标量，没有方向。但人们往往习惯于用功率流 来表示能量流，故把能量流的方向称为功率流方向。因此，键合图中每一根键均有两个 变量，即势变量e ( o 和流变量f q ) 。势变量p o ) 写在键的上方或下方，流变量_ ，( f ) 写在 键的下方或上方。功率流的参考方向用画在键端的半箭头符号来表示。当键上的势变量 与流变量的乘积为正值时，箭头的指向就是该键上功率流的实际方向。 3 l 2 基本键合图元 尽管实际系统多种多样，涉及的能量范畴不同，不同能域的系统有不同的理想元件， 但它们之间存在几种相同的物理性质。某种键合图元就是具有某种物理本质的不同能域 理想元件的代表。键合图元是构成键合图的基本元素。这样，仅需要很少几种基本元件 就能统一地表示多能域系统的模型。 1 一通口元件 一个图元与另一个图元进行能量传递的地方称为通口。任何只用一根键就可表示与 系统交换能量的元件，称为一通口元件。其通口处仅存在一对势和流变量。根据物理特 性的不同，可分为以下四种一通口元件，如图3 - 2 所示： p r 一c 一j & 上一中 ( a ) ( b )(c)(田 ( e ) 图3 - 2 一通口基本键合图元表示符号 f i g 3 - 2t h es i g l l a io f o n e - w a yb a s i cb o n dg r a p hc o m p o n e n t ( a ) 阻性元件r ， 阻性元件是其势变量c ( d 和流变量f i t ) 之间具有静态关系的元件。对于实际系统中凡 是消耗功率的部分都可以用阻性元件表示，比如机械系统的摩擦和阻尼器，液压系统的 液阻等。符号中半箭头的方向表示阻性元件总是消耗系统的功率。 广西大掌硬士掌位论文小型 蔗收获机传动幕统的荤，力掌建攥器舫i 闺f 究 线性阻性元件的特性方程是 e o ) = 民厂( f ) 式中，岛是线性阻抗，它是联系线性阻性元件的势交量和流变量的一个参数。 非线性阻性元件的特性方程是 e ( t ) = 盯) 式中，吼表示联系阻性元件的势和流的一个非线性函数。 容性元件c 容性元件c 是其势变量粥和广义位移q ( o 之间具有静态关系的元件。 统的弹簧，轴的柔度和液压系统的液容等都是容性元件。 线性容性元件的特性方程是 1 e ( f ) = g ( ，) 式中，c o 是联系线性容性元件的势变量和广义位移的线性容度参数。 非线性容性元件的特性方程是 e = ( g ) ( 3 5 ) 比如机械系 ( 3 7 ) 式中，表示联系容性元件的势和广义位移的一个非线性函数 容性元件是一种储能元件，当容性元件的势与流的乘积为正值时，它处于储能状态， 为负值时处于释能状态。容性元件在储能、释能过程中没有任何能量损失，故容性元件 为能量守恒元件。 ( c ) 惯性元件i 惯性元件i 是其流变量f ( t ) 和广义动量p ( o 之间具有静态关系的元件。比如机械系统 的质量和转动惯量，液压系统的液感等都是惯性元件。 线性惯性元件的特性方程是 1 八0 2 玄加)，( 3 - 9 ) 1 4 f - 冒，o 掌硕士掣啦论文小型甘蔗收获机陪动系筑的动力掌建模a 肪真，研究 式中，0 是联系线性惯性元件的流变量和广义动量的线性惯量参数。 非线性惯性元件的特性方程是 厂= 竹( p ) ( 3 1 0 ) 式中，仍表示联系惯性元件的流和广义动量的一个非线性函数。 惯性元件也是一种储能元件，当惯性元件的势与流的乘积为正值时，它处于储能状 态，为负值时处于释能状态。惯性元件在储能、释能过程中没有任何能量损失，故惯性 元件为能量守恒元件。 ( d ) 势源s e 势源s e 用来描述环境对系统的势的作用。势源对系统施加一个势的作用，它具有 如下特点：势源的势与它的流无关，不随它所作用的系统的不同而改变；势源的流的大 小和方向决定于它所作用的系统；当势源的势变量与流变量的乘积为正值时，势源起源 的作用，向系统输送功率，而为负值时则作为负载出现，从系统吸取功率。例如机械系 统中的力源和液压系统的压力等都可以用势源来表示。 ( e ) 流源s f 流源s f 用来描述环境对系统的流的作用。流源对系统旄加一个流的作用，它具有 如下特点：流源的流与它的势无关，不随它所作用的系统的不同而改变；流源的势的大 小和方向决定于它所作用的系统：当流源的势变量与流变量的乘积为正值时，流源起源 的作用，向系统输送功率，而为负值时则作为负载出现，从系统吸取功率。例如机械系 统中的速度源和液压系统的定量液压泵等都可以用流源来表示 2 二通口元件 二通口元件具有两个通口，用以与系统进行能量交换。在输入一侧通口处势和流的 乘积总是等于输出一侧通口处的势和流的乘积。根据物理特性的不同，可分为以下两种 二通口元件，如图3 3 所示： 玎f 、l l ( a ) 竺 g y 竺 |、|l| ( b ) 图3 - 3 二通口基本键合图元表示符号 f i g 3 - 3t h es i g n a lo f t w o - w a yb a s i cb o n dg r a p ic o m p o n e n t 广西大掌硬士荨啦论文4 型甘蔗收获机传动幕筑的动力掌奠l 穰a i 仿i 衙究 ( a ) 变换器t f - 如图3 - 3 ( a ) 所示，变换器t f 用来描述系统能量传输过程中势变量对势变量、流变 量对流变量之间的转换关系。变换器的特性方程是 f e 2 = m e l ( 3 。1 1 ) 【哦= 石 式子说明，两个势和两个流都是成比例的，参数m 称为变换模数。如机械系统中的杠杆 机构和齿轮减速器，液压系统的液压泵和液压缸、液压马达等都可以用变换器t f 表示。 ( b ) 回转器g y 如图3 - 3 ( b ) 所示，回转器g y 用来描述系统能量传输过程中势变量与流变量之间的 转换关系。回转器的特性方程为 f p ：= 须 ( 3 1 2 ) 【吸= 岛 式子说明，回转器输出的势与输入的流成正比，而输入的势与输出的流成正比参数r 是回转器的模数。如激磁恒定的直流电机可用回转器g y 表示 3 多通口元件 j r - 竺! 0 了一- ! ! 1 7 一 ( a )( b ) 图3 - 4 多通口基本键合图元表示符号 f 皓3 - 4t h es 妇1 a lo f m u l t i w a yb a s i cb o n dg r a p hc o m p o n e n t ( a ) 共势结( o 一结) 如图3 - 4 ( a ) 所示，共势结用来联系系统有关物理效应中能量形式相同、数值相等的 势变量。多通口共势结的特性方程为 忙一。p ：2 e 3 一。2 1 争f ：0 (313)0 l 嘶z = p 。 式中，n 是通口数：珥是功率流向系数，对于半箭头指向o - 结的键d = 1 ，半箭头 1 6 d 噬甘蘑收获机传动j 哌筑的动力掌建模覆仿，l 研究 背离0 结的键口= 一l 。方程表明，与共势结键接的各根键上的势相等，而流的代数和 等于零；流入共势结的功率等于该结流出的功率，即它是一个功率守恒的元件。 ( b ) 共流结( 1 结) 如图3 - 4 ( b ) 所示，共流结用来联系系统有关物理效应中能量形式相同、数量相等的 流变量。多通口共势结的特性方程为 i 石= = 五- 一 窆q q ：o ( 3 - 1 4 ) l = t 式中，n 是通口数；吼是功率流向系数，对于半箭头指向1 一结的键口，= l ，半箭头背离 l 一结的键嘶= 一l 。方程表明，与共流结键接的各根键上的流相等，而势的代数和等于零； 流入共流结的功率等于该结流出的功率，即它是一个功率守恒的元件。 3 1 3 键合图的增广 键合图描述了系统各组成部分之间的关系，系统中存在的物理效应以及环境对系统 的作用等，但还不能直接利用它推导出系统方程，只有经过增广，它才具有可计算性。 键合图的增广包括三项内容： 1 编键号 编键号的目的在于识别系统的变量和键合图元。键号一般用数字表示，从l 开始连 续编号。 2 标注功率方向 功率流向用半箭头表示，参考方向按如下规则标注： ( 1 ) 半箭头的方向由势源或流源指向系统。 ( 2 ) 半箭头的方向指向阻性元件r 、惯性元件i 及容性元件c 。 ( 3 ) 半箭头方向由势源、流源这一侧指向键合图的另一侧。 3 因果关系及标注， 因果关系是用画在键的一端并且与键垂直的短划线来表示，该短划线称为因果线， 用来说明与某一键合图元相关的势变量与流变量之间的因果关系。在图3 - s ( a ) 中，a 、b 表示两个彼此键接的键合图元。因果线画在靠近键合图元b 的一侧，它所表示的因果关 系如图3 - 5 ( c ) 所示，即对于键合图元b ，势是产生流的原因，流是势作用的结果；而对 1 7 ，百大掌硕士掌位截? 丈小型甘蔗收获机传动系筑的动力学建模反仿真研究 于键合图元a ，则流是因，势是果。 图3 5 秭的因果线画在靠近键合图元 a 的一侧，其因果关系如图3 5 ( d ) 所 示 a 标注键合图元的因果线实质上 是确定在键合图元所关联的两个功 率变量中用哪一个变量去求另一个 变量的问题。 下面是基本键合图元的因果关 系 ( a ) 势源和流源 a 一b ( a ) p 1 ( c ) a 卜一b ( b ) p ba l ( d ) 图3 - 5 因果关系的表示 f i g 3 - 5t h er e p r e s e n t a t i o no f c a u 女l i t y b s e _ s f 卜j 图3 - 6 源的因果关系 f 皓3 巧t h ec a u s a l i t yo f s o m e z 根据势源和流源的定义，势源以势作用于其它键合图元，流源则以流作用于其它键 合图元敌它们都只有如图3 - 6 所示的唯一的因果关系。 ( b ) 容性元件 图3 7 容性元件的因果关系 f 嘻3 7t h ec a u s a l i t yo f c - c o m p o n e n t 容性元件有两种可能的因果关系，如图3 7 所示。当指定第一种因果