基于AMESim采棉机采摘头高度调节装置的仿真分析_董剑豪.pdf

2023 年 5 月May 2023第 44 卷第 3 期Vol 44No 3doi:10 3969/j issn 1671 7775 2023 03 008开放科学(资源服务)标识码(OSID):基于 AMESim 采棉机采摘头高度调节装置的仿真分析董剑豪1，于爱婧2，李文春3，毕新胜1，李娟娟4，谭菲1(1 石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000;2 石河子大学 医学院第一附属医院，新疆 石河子 832000;3 阿拉尔万达农机有限公司，新疆 阿拉尔 843300;4 重庆大学 机械与运载工程学院，重庆 400044)摘要:针对采棉机采摘头在田间进行采收作业时不能及时有效跟随地面高度起伏状况变化进行自动调节的问题，研究设计了一种采棉机采摘头地面高度调节装置，其关键部件包括仿形机构、升降机构和液压控制系统 通过理论分析得出液压油缸在运动的全过程中所受到的最大推力为62 288.56 N，根据升降机构运动条件得到液压系统的各参数，并基于 AMESim 仿真软件建立了高度调节装置的升降机构和液压系统的模型，对仿真后采摘头高度调节装置液压系统的流量、位移、速度、活塞杆的受力和升降机构的运动特性进行分析 研究结果显示，仿真结果与理论分析相一致，满足采摘头高度调节工作的需求且验证了理论计算的准确性关键词:采棉机;仿形机构;高度调节;升降机构;采摘头中图分类号:TH132.47文献标志码:A文章编号:1671 7775(2023)03 0302 07引文格式:董剑豪，于爱婧，李文春，等 基于 AMESim 采棉机采摘头高度调节装置的仿真分析J 江苏大学学报(自然科学版)，2023，44(3):302 308收稿日期:2021 08 18基金项目:兵团重点领域创新团队建设计划项目(2019CB006);兵团中青年科技创新领军人才计划项目(2019CB013)作者简介:董剑豪(1994)，男，辽宁铁岭人，硕士研究生(1393417934 qq com)，主要从事机械工程领域的研究毕新胜(1974)，男，河南镇平人，教授(通信作者，bxs_mac shzu edu cn)，主要从事现代农业机械设计及理论的研究Simulation analysis of picking head height adjustmentdevice of cotton picker based on AMESimDONG Jianhao1，YU Aijing2，LI Wenchun3，BI Xinsheng1，LI Juanjuan4，TAN Fei1(1 College of Mechanical Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832000，China;2 The First Affiliated Hospital ofMedical College，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832000，China;3 Alar Wanda Agricultural Machinery Co，Ltd，Alar，Xinjiang 843300，China;4 College of Mechanical and Vehicle Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)Abstract:To solve the problem that the picking head of cotton picker could not adjust automaticallyaccording to the fluctuation of the ground height in time，a ground height adjusting device for the pickinghead of cotton picker was designedThe key components of the device was composed of copyingmechanism，lifting mechanism and hydraulic control system Through theoretical analysis，the maximumthrust of the hydraulic cylinder in the whole process of motion was 62 288.56 N，and the parameters ofthe hydraulic system were obtained according to the motion conditions of the lifting mechanism Themodel of the lifting mechanism and the hydraulic system of the height adjustment device was establishedbased on the AMESim simulation software After the simulation，the flow，displacement，speed，theforce of piston rod and the motion characteristics of the lifting mechanism of hydraulic system of the heightadjustment device of picking head were analyzedThe results show that the simulation results are第 3 期董剑豪等:基于 AMESim 采棉机采摘头高度调节装置的仿真分析303consistent with the theoretical analysis to meet the requirements of the height adjustment of the pickinghead，and the accuracy of the theoretical calculation is verifiedKey words:cotton-pickingmachine;copyingmechanism;heightadjustment;liftingmechanism;picking head中国是世界上最大的棉花生产国之一，随着新疆棉花机械化采收作业水平的不断提高，采棉机的应用也越来越广泛，但市场主要以国外机型为主，国内机型尚处于研发试验及试生产阶段，关键技术尚需进一步研究 采摘头是采棉机的重要工作部件，工作时受田间地况影响较大，采摘头在采收作业过程中如果不能及时有效跟随地面高度起伏状况变化进行自动调节，一方面会使采摘头与地表障碍物碰撞，造成摘锭、座管等工作部件受损;另一方面会造成棉杆上应收棉花没被完全采收现象，两者都会导致采收效率降低，造成经济损失目前，相关学者对仿形装置进行了研究，彭强吉等1 研制出一种基于 FPAG 的棉花顶部仿形设备 邓美云2 研究了一种木薯茎秆切割铺放装置，收割台的升降使用单作用液压缸，该液压缸可以快速完成升降动作 伟利国等3 开发了一种联合收割机的地面仿形控制系统，使用角度传感器获得与地面的浮动状态，使用位移传感器检测液压油缸的伸长量和收缩量，通过计算获得割台的高度信息 古乐乐4 研究和分析了一种新型的自走式红花丝收割机的仿形装置，该装置可以使红花丝收割机的效率最大化，从而在收获时确保红花丝收割机和红花丝的相对位置固定 孙艳等5 研究了一种花生收割机地面仿形机构的机理，并针对一垄两行收获方式设计试验检测机制和仿形测试平台，但这种仿形机构仅适用于小负载的农业机械并不适用大负载的采棉机目前对于农业机械的高度自动调节装置的研究主要集中在精量播种、花生收获、残膜回收、棉花打顶等方面，关于采棉机采摘头地面高度调节装置的研究相对较少，因此文中针对采棉机采摘头地面高度调节装置进行重点研究，通过液压系统控制采摘头距离地面的高度，以提高采摘头机械仿形装置对地面高度的仿形精度1高度调节装置总体结构1.1结构设计高度调节装置整体结构主要由仿形机构、升降机构和液压驱动系统等组成 采棉机正前方左右两侧升降机构的横梁处可分别悬挂 1 2 个采摘头，在采摘头的底部分别安装 1 个仿形机构 仿形机构主要由仿形滑履、定位套筒、定位螺母、弹簧、连杆、杠杆、三位三通仿形阀等组成 高度调节装置结构示意图如图 1 所示，高度仿形机构的结构示意图如图2 所示图 1高度调节装置结构示意图图 2高度仿形机构结构简图1.2工作原理为保证棉花采收效率，传统的高度调节装置正逐渐被机液高度调节装置所替代 而这种高度调节装置之所以能够使棉花采摘率得到有效提高，其关键因素在于对采棉机左右两个升降机构横梁处所悬挂的采摘头底部分别安装一个仿形机构，它可以使高度调节装置通过液压油缸的伸缩运动带动升降机构随着地面起伏变化而进行升降动作，从而保证采摘头工作部件距离地面的作业高度不变 所以，仿形机构也是采棉机提高棉花采摘效率和质量的重要机构采棉机在采摘过程中容易出现采摘头与障碍物碰撞的现象，造成采摘头以及其他部件损伤 为解决上述问题，文中提出采用采摘头高度仿形机304第 44 卷构，以适用于地垄中高度明显变化的地面 高度调节装置工作前，采棉机驾驶员通过手动操作的方式将采摘头底部与地面之间的位置调整到不低于棉花植株第一果枝 15 cm 的高度 仿形机构在地面上随着采棉机向前运动，高度调节装置开始工作，地面的高度升高或遇到障碍物时，仿形机构的滑履带动连杆机构使仿形阀阀芯在阀芯套内向上移动，此时液压控制系统开始工作，通过液压油缸带动升降机构向上运动 反之，采摘头在受到自身重力的作用下使液压油缸的活塞杆缩短从而使升降机构向下运动 以此往复循环完成高度调节装置对采摘头与地面之间距离的调节，从而使采摘头根据地面的起伏或避开障碍物实现高度调节采棉机在进入田间作业前，可通过调整定位螺母的位置来调整弹簧的压缩量和仿形阀阀芯的位置处于中位，这样既可以调节仿形机构的灵敏度又可以保证作业前采摘头与地面之间的距离 采棉机开始在棉田中工作时，如果地面的起伏高度升高，仿形滑履将绕着支架的支点处顺时针摆动，同时驱动连杆的高度升高，同时连杆带动杠杆绕与杠杆连接的支点顺时针旋转，仿形阀阀芯外部连接处杠杆将连杆向上的推力转换为推动仿形阀阀芯的推力，使三位三通仿形阀的阀芯处于下位阀口开启，液压油液进入仿形阀，推动高度调节装置升降机构运动的液压油缸活塞杆向外伸出驱动升降机构上升，进而提高采摘头距离地面的距离 地面起伏高度降低时，采摘头在自重的作用下使滑履与地面贴合并绕支点处逆时针摆动，使仿形阀的阀芯恢复至上位工作 通过驾驶员操作电磁阀，也可以实现这一过程为避免高度调节装置过于灵敏，通过调节螺母的位置改变弹簧的压缩量，安装弹簧的目的在于起到缓冲作用力和调节高度调节装置灵敏度的作用6，如图 1 所示1.3液压系统根据国内棉花种植的实际情况，高度调节装置的调节速度需满足采棉机在田间作业时的行驶速度 在新疆棉花种植模式下，文中所研究的高度调节装置应满足新疆棉田地垄的起伏变化和对障碍物的避障要求 采棉机进入田间作业时，如遇到较大的障碍物时为避免障碍物对采棉机采摘头造成损坏，采棉机驾驶员可以通过操作二位二通电磁阀直接控制高度调节装置的液压回路，将采摘头提高至安全作业的高度，如果未遇到较大障碍物但随着地垄的起伏复杂变化，作业驾驶人员可通过高度调节装置的仿形机构来完成采摘头距离地面的高度调节作业通过仿形机构对采摘头距离地面的高度进行调节时，滑履通过一系列的机械运动使杠杆推动仿形阀的阀芯进行换向，仿形阀的阀芯向上移动时，液压油缸的压力增大，液压油缸伸长，高度调节装置将采摘头的高度升高;仿形阀的阀芯向下移动时，采摘头可以通过自身的重力