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4 2 卷 第 1 1 期 2 0 1 1 年 1 1 月 东北农业大学学报 J o u rna l o f No r t h e a s t Ag r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y 4 2 1 l 1 8 3 8 8 NO V 2 0l 1 基于S i mu l i n k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1 5 0 0 2 7 2 黑龙江完达山林海液奶有限公司 哈尔滨1 5 0 0 7 8 3 东北农业大学工程学院 哈尔滨1 5 0 0 3 0 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Ma t l a b软件提供的S I MU L I N K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 S i m u l i n k 牧草收割机 液压系统 仿真 中图分类号 7 6 7 5 X 1 7 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 5 9 3 6 9 2 0 1 1 1 1 0 0 8 3 0 6 Si mu l a t i o n o f h y d r au l i c t r a n s mis s i o n s y s t e m o f r o t a r y mo we r b a s e d o n Si mu l in k x u P e n g C U I Y a n w e i MI B o lin WA N G P in g s h a n 1 M e c h a n ic a l E n g in e e r in g C o l l e g e H e i l o n g j i a n g I n s t it u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y H a r b i n 1 5 0 0 2 7 C h i n a 2 H e i l o n g j i a n g Wo n d e r s u n L i n h a i L i q u id Mi l k L t d Ha r b i n 1 5 0 0 7 8 Ch i n a 3 E n g i n e e r i n g Co l l e g e No r t h e a s t Ag r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y H a r b i n 1 5 0 0 3 0 Ch i n a Ab s t r a C t B a s e d o n t h e we a k n e s s o f mo we r h y d r a u l ic t r a n s mi s s i o n wa s u s e d t o d r i v e mo we r A f t e r a n a l y z i n g t h e h y drau l ic s y s t e m t h e ma t h mod e l o f t h i s s y s t e m wa s s e t u p T h e s i mu la t i o n mo d el wa s e s t a b l is h e d b y u s i n g S i mu l i n k s o ft wa r e p a c k a g e wh ic h wa s a p a r t o f Ma t l a b Ac c o r d i n g t o t h e n u mb e r o f c o e ff i c i e n t f o r emu l a t i o n a n d t h e o p e n i n g o f t h e t h r o Rle was c h an g e d o r u n c h a n g e d i n t h e mo t or o f t h e s p e e d o f a s i mu l a t i o n a n a l y s i s wh i c h s h o we d t h a t t h e d e s i g n o f h y d rau l i c s y s t em wa s r e a s on ab le an d r o t a t e s p e e d of h y d rau l i c mot o r wa s c h a n g e d b y t h r o t t l i n g t h e v a l v e t h e o p e n i n g o f t h e s i z e K e y w o r d s S i mu l i n k mo we r h y d r a u l i c s y s t e m s i mu la t i o n 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 2 0 1 0 1 2 2 0 基金项目 黑龙江科技学院引进人才基金 0 6 6 2 作者简介 徐鹏 1 9 8 1 一 男 讲师 硕士研究生 研究方向为液压传动与控制 E m a i l p e n g 3 8 2 2 s i n a c o m 东北农业大学学报 第4 2 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 1 4 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 1 0 一 液压泵 1 1 压力表 l 2 一 溢流阀 1 3 一 节流阀 l 4 一 测压接头 1 4 Hy d r a u l i c mo t o r 5 Ai r f i l t e r 6 一T h e r mo me t e r 7 L e v e l g a u g e 8 Fi h e r 9 S h u t o ff v a l v e 1 0 一Hy d r a u l i c p u mp 1 1 P r e s s u r e g a g e 1 2 一 O v e r fl o w v a l v e 1 3 一 T h r o t t l e 1 4 一 P r e s s u r e j o i n t s 图1 液压传动系统 F i g 1 Di a g r a m o f h y d r a u l i c s y s t e m 1 4 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 Hy d r a u l ic mo t o r 5 Hy d r a u l i c p u mp 6 Th r o t t l e 7 Ov e rflo w v a l v e a Hy d r a u l i c l i n e 2 h Hy d r a u l i c l i n e 4 c Hy d r a u l i c l i n e 5 d Hy d r a u l i c l i n e 6 e Hy d r a u l i c l i n e 7 图2 液压系统 Fi g 2 S i mpl i fie d e l e me nt ar y di a gr am o f hy dr aul i c s ys t e m 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M a t l a b 中的S im u l i n k 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S i m u l i n k 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 o d e 4 5 仿真计算 步长为0 0 0 1 误差控制为 l x l 0 仿真时间的开 始时间设为0 0 0 s 结束时间设为2 0 0 0 s 将各 第 1 1 期 徐鹏等 基于S i m u l i n k 的牧草收割机液压传动系统仿真研究 8 5 负载扭矩的开始时间t 设为 l 0 0 0 S 也就是说在 1 0 S 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 Fi g 3 P o we r b o nd g r a p h o f h y d r a u l i c s y s t e m 表 1 液压系统的数学模型 Ta b l e 1 M a t h e ma t i c a l m o d e l o f h y d r a u l i c s y s t e m 液 压 马 达 2 液压泵 Hy d r a u l i c p u m p 管道 P i p e 溢流 阀 Ov e r fl o w v a l v e 变换器 泄漏 兄 0 结点 液阻 见 1 结点 尼元 0 结点 节流阀 T h r o t t l e R 元 1 结点 液压马达 H y d r a u l i c m o t o r 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 T v p S v s P Q t c l pp Ql S q P Q P k p P P P h Q 0如 尸 Q Q r Q K f A P iI P P P Q P I C I A Q d t P O m 1 L C S T d t w O t 1 e T PV Q P c Q a Q Q Q Q z 一 R n T 胛氍 k Q 一 一 兰 一 1 G 一 串k 风 Q Q L P J 遗 Q 丁 上 盯 东北农业大学学报 第4 2 卷 液压 图4 液压系统仿真模型 F i g 4 S i mu l a t i o n mo d e l o f h y d r a ul i c s y s t e m 表2 液压系统的仿真模型系数 T a b l e 2 S i mu l a t i o n mod e l c o e ffic i e n t o f h y d r a u l i c s y s t e m 速 液压泵 Hy d r a u l i c p u mp S t o P 管道P i p e a 管道 P i p e b 管道P i p e c 管道 P i p e d L 管道 P i p e e 溢流 阀 O v e r fl o w v a l v e 尼4 1 O x l 0 9 P a m 节流 阀 T h r o t t l e 4 2 0 x 1 0 一 m P a 液压马达 Hy d r a u l i c mo t o r 1 6 0 xl O m 2 28 x1 0 一 m s t P a 2 1 7 x1 0 m s I P a 2 0 6 xl O 一 m S I P a 1 9 5 x1 0 m P a 一 9 0 0 x l O 一 P a m一 0 r a d S 一 O Pa O 0 3 7 5 k g m 0 0 1 6 N m s r a d 一 8 N m 3 98 xl O m3 r a d 3 1 参数不变时的液压马达转速 如图2 所示为液压系统的仿真模型系数表 将 表2 中的仿真模型系数带人仿真模型中 运行动态 仿真模型 就得到了液压系统中各液压马达的转速 与时间的变化曲线如图5 所示 由图5 可知 各液压马达的转速从0 开始逐渐 增大 在 1 6 S 之间各液压马达均产生一定的波 动 达到各 自的峰值 在6 1 0 S 时转速趋于稳定 这个过程说明液压马达转速的增加不是成线性增长 的 它需要通过上下的波动变化逐渐达到一个相对 一 M 一 一 c和啪 缸 c 肿 缸 第 1 期 徐鹏等 基于S i m u l i n k 的牧草收割机液压传动系统仿真研究 稳定的状态 在 1 O 1 4 S 时马达转速有所下降 是 因为马达在 1 0 S 开始加载 负载增加就会引起转速 的下降 在 1 4 S 以后转速达到稳定状态 这个过程 说明马达的加载完成 转速也就不在发生变化 从 图4 中还可以看出 液压马达1 一 液压马达4 的启动 响应时间逐渐增大 这是因为该液压系统采用的液 压马达连接方式为串联方式 即液压油先进入液压 马达 l 然后再依次进入液压马达2 液压马达3 液压马达4 只有当液压油进人马达后 马达才能 转动 同时 由图4可知 在 1 4 S 后马达达到稳定 转速时 液压马达1 液压马达4 的恒定转速值依次 下降 这是由于液压马达在转动时不可避免的泄漏 造成的 因此 各液压马达的转速均在设计参数的 要求范围内 所以该液压系统设计合理 3 2 节流阀开 口量变化对马达转速的影响 系统中的其他仿真参数不变 只改变节流阀开 口量大小 通过这个过程分析节流阀开 口量的变化 对马达转速的影响 将节流阀的阀E l 有效面积厂 增 蜱 口 昌 2 翼 a 时间 t T i m e 至 1 7 1 0 一m 和减 至 1 5 1 0 m 时 运行 仿真模 型 得到了液压马达 1 2 3 4 转速随时间变化 的曲线如图6 a b c d 所示 童 量 童 暑 2 L g 翼 时间 h T i m e A B c D 分别表示液压马达 1 2 3 4 的转速曲线 A B C D me a n r o t a t e s p e e d c u r v e o f h y dr a u l i c mo t o r r e s p e c t i v e l y 图5 液压马达的转速曲线 Fi g 5 Ro t a t e s p e e d c u r v e o f h y d r a u l i c mo t o r 皇 旨 2 翼 一 一 葛葛 暑 宝 翼 b 时间 t T i m e C 时间 t T i m e d 时间 t T i m e A B C D 分别表示节流阀开I 1 量增大 不变和减小时变化后马达转速曲线 A B C D me a n r o t a t e s p e e d c u r v e o f h y d r a u l i c mo t o r a f t e r o p e n i n g o f t h rot t l e wa s i n c r e a s e d i n v a r i a b l e a n d d e c r e a s e d r e s p e c t i v e l y 图6 节流阀开口量变化后马达1 2 3 4 转速曲线 F i g 6 Ro tat e s p e e d c u r v e o f h y d r a u l i c mo t o r 1 2 3 4 a f t e r o p e n i n g o f t h r o t t l e wa s c h a n g e d 8 8 东北农业大学学报 第4 2 卷 根据图6 可知 当增大节流阀的开 口量时 各 液压马达的稳定转速随之增加 当减小节流阀的开 口量时 各液压 马达的稳定转速随之较小 同时 从图中还可以知道 当节流阀开口量为表2 所给参 数时 能够达到系统设计要求 所以 液压系统中 液压马达的转速可以通过调节节流阀开口量的大小 来实现 4 结 论 通过对该液压系统的动态特性仿真可知 当各 仿真参数不变时 马达转速不呈线性增长 需要通 过动态变化逐渐达到相对稳定状态 同时 马达启 动响应时间依次增大 所达稳定转速稍有下降 当 增大节流阀的开口量 而其它仿真参数不变时 各 液压马达的稳定转速随之增加 反之 稳定转速随 之减少 因此 马达的转速可以通过调节节流阀开 口 量的大小来实现 仿真实验结束之后 将所设计 的牧草收割机进行 了整机制造 并在香坊实验农场 进行了田间作业试验 试验结果表明机器运转正 常 测量值与仿真结果相近 基本能够达到设计要 求I I I 因此 可以说利用 Ma t l a b 中的S i mu l i n k 工具 箱对该液压系统进行仿真是一条行之有效的途径 对未来的机械设计具有一定的指导意义 参考文献 1 1 刘万 里 往复式 与圆盘式 牧草收 获机 J J 农业科技 推广 2 0 0 5 f 1 41 2 贺 文 胜 牧 草料 生产 加 工机械 化 技术 J 1 山西 农机 2 0 0 4 2 2 2 2 5 3 马晓春 于建国 我国牧草收割机的发展趋势 J j 林业机 械与木 1 设备