谷物联合收获机底盘自动升降液压系统设计与试验

doi:10.12398/j.issn.2096-7217.2024.02.002

摘要/Abstract

摘要：

针对小型谷物联合收获机在丘陵区作业倾斜角度大、通过性差等问题，开展谷物联合收获机底盘自动升降液压系统设计与试验。本研究设计了底盘自动升降液压系统总体结构，对内置位移传感器液压缸、比例换向阀等关键部件进行设计和选型，提出了基于横向倾斜角度伸缩液压缸进行调平和升降的方法，采用自动调平控制和手动调平两种调平模式对底盘进行调平。应用AMEsim开展液压系统的仿真分析，发现换向时液压缸压力与流量稳定，位移速度平稳。设计了以PLC控制器和PID控制方法为核心的调平控制策略，通过调节液压缸长度实现对底盘的姿态调节，并开展静态调平试验。结果表明：比例换向阀开度范围为20%~45%时，能有效控制液压缸伸缩速度；调节时间随倾斜角度增加而增加，在倾斜角度7.7°范围内的总体调节误差低于0.5°，可满足谷物联合收获机对底盘横向调平的需求。该研究提出了依据横向偏角实现调平的液压系统和控制方法，为小型谷物联合收获机底盘调平液压系统设计提供参考。

关键词: 谷物联合收获机, 底盘调平, 液压系统, 电液控制, 比例换向阀

Abstract:

In order to address the issues of large inclination angles and poor pass ability encountered by small-scale combine harvesters operating in hilly regions， a design and experimental study were conducted on an automatic lifting hydraulic system for the combine's chassis. This research developed the overall structure of the automatic lifting hydraulic system for the chassis， designed and selected key components such as hydraulic cylinders with built-in displacement sensors and directional proportional valves， and proposed methods for leveling and lifting the chassis by extending or retracting the hydraulic cylinders based on the transverse inclination angle. The study employed two leveling modes： automatic and manual， to level the chassis. The hydraulic system was simulated using AMEsim software， revealing stable pressure and flow within the hydraulic cylinders during direction reversing， along with smooth displacement velocity. A leveling control strategy centered on a PLC controller and PID control method was designed， which adjusted the length of the hydraulic cylinders to regulate the chassis's attitude and to conduct a static leveling experiment. Results indicated the proportional directional valve， when adjusted to a position between 20% and 45%， it can effectively regulate the velocity of both the extension and retraction movements of the hydraulic cylinders. The adjustment time increased with larger inclination angles， but the overall adjustment error remained below 0.5° within an inclination range of 7.7°， which can meet the requirements for transverse leveling of the combine harvester's chassis. This research introduced a hydraulic system and control method to realize leveling based on the transverse angle， providing a reference for the design of the chassis leveling hydraulic system for small-scale combine harvesters.

Key words: grain combine harvester, chassis leveling, hydraulic system, electro-hydraulic control method, proportional directional valve

中图分类号:

S225.3

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图/表 14

图1 底盘升降机构示意图1.后铰支座2.前转臂　3.前摇臂　4.连杆　5.车架　6.液压缸　7.后摇臂　8.后转臂　9.中间梁　10.前铰支座　11.机架

Figure 1 Schematic diagram of chassis lifting mechanism

图2 底盘提升原理图

Figure 2 Principle diagram of chassis lifting

图3 液压系统原理图1.液压缸2.磁致位移传感器　3.双向平衡阀　4.液压锁　5.比例换向阀　6.压力表　7.测压软管　8.测压接头9.压力传感器10.高压过滤器　11.液压泵　12.油箱

Figure 3 Schematic diagram of hydraulic system

表1 电液控制系统元件的主要型号和参数

Table 1 Main types and parameters of the components in the electro-hydraulic control system

名称	型号	参数
控制器	西门子 S7-200Smart ST20	标准型CPU模块，晶体管输出，供电24 V DC
比例换向阀	4WRE6E16-10B/6AG24NZ4M	E型机能，供电24 VDC，输入信号：±10 V
电磁换向阀	4WE6E50B/AG24N	E型机能，通径6 mm，供电24 VDC，线圈功率30 W
液压缸	SNY-X-63-45-S	缸径63 mm，杆径45 mm，行程S=200 mm，额定压力16 MPa
磁致位移传感器	SNEJ-M0200-LQS1-DHT05-A01XN	检测距离200 mm，供电24 VDC，输出信号4~20 mA
液压锁	Z2S6-1-30B	通径6 mm，安装形式：叠加式
平衡阀	JPH-L08	最大流量40 L/min，公称压力16 MPa
角度传感器	BWK218	工作电流20~60 mA，精度0.2°，分辨率0.02°
高压过滤器	ZU-H100*10DFP	流量100 L/min，过滤精度10 μm
油压压力传感器	SUP-300	40 MPa，4~20 mA
压力表	YN-100-Ⅳ-40MPa	最高压力40 MPa

图4 自动调平流程图

Figure 4 Process diagram of automatic leveling

图5 液压调平系统人机交互界面

Figure 5 Human-machine interface of hydraulic leveling system

图6 底盘自动升降系统模型图

Figure 6 Model diagram of chassis automatic lifting system

表2 仿真模型的主要参数

Table 2 Main parameters of the simulation model

名称	数值
外加载荷/N	27 440
质量块重量/kg	20
活塞直径/mm	63
活塞杆直径/mm	45
溢流阀溢流压力/MPa	16
平衡阀设置压力/MPa	12
定量泵转数/(r·min^-1)	2 800
定量泵排量/(mL·r^-1)	10

图7 收缩时进口流压特性图

Figure 7 Characteristic diagram of inlet flow pressure during retraction

图8 伸出时出口流压特性曲线

Figure 8 Characteristic diagram of outlet flow pressure during retraction

图9 液压缸位移曲线图

Figure 9 Displacement curve of hydraulic cylinder

图10 液压升降系统台架试验图1.位移传感器2.液压缸　3.控制箱　4.人机交互接口　5.横向倾角检测传感器　6.角度反馈传感器　7.比例换向阀

Figure 10 Bench test of chassis automatic lifting system

图11 比例换向阀开度对液压缸运动速度的影响

Figure 11 Effect of proportional valve opening on the movement speed of hydraulic cylinders

图12 静态调平试验结果

Figure 12 Results of static leveling test

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