谷物收获机液压系统设计研究

摘要：本文围绕谷物收获机液压系统展开设计研究，通过研究工作原理，确定设计要求，完成总体方案与回路设计，合理选型液压元件，并通过理论分析与 AMESim 仿真优化验证性能。

关键词：谷物收获机；液压系统；AMESim仿真

一、引言

在农业现代化快速发展的当下，谷物收获机成为农业生产的关键设备。高效可靠的谷物收获机可大幅提升农作物收获效率，减轻劳动强度，降低粮食损失。液压系统作为谷物收获机的核心部分，其性能直接决定设备的整体表现。对液压系统进行优化设计，能显著提升设备性能[1]。

二、谷物收获机液压系统工作原理与设计要求

2.1 液压系统工作原理

液压泵将机械能转化为液压能，借助液压油传递给液压缸和液压马达等执行元件。液压缸用于实现直线往复运动，如割台升降；液压马达则驱动脱粒、输送装置等进行旋转运动。各类控制阀负责调节液压油的流量、压力和流向，精准控制执行元件运动。油箱、过滤器、油管等辅助元件保障系统正常运行，整个系统依靠液压油循环实现能量传递与转换，完成收获作业。

2.2 谷物收获机工作特点与液压系统设计要求

谷物收获机作业时，割台需根据谷物高度和地面起伏快速精准调节高度；脱粒和输送装置要在不同谷物条件下保持稳定转速和输送能力；行走和转向系统要确保收获机在田间灵活稳定移动[2]。

因此液压系统设计时，要能提供足够压力克服工作部件阻力，并具备良好调节性能以适应负载变化。保证各执行元件在不同速度下有稳定充足的液压油供应。系统需能在长时间高强度作业下稳定运行。响应速度要快，实现工作部件及时动作。此外，随着农业智能化发展，液压系统还应具备一定自动化控制能力，提升作业效率和质量。

三、谷物收获机液压系统总体方案设计

3.1 系统功能模块划分

液压系统分为多个功能模块。割台升降模块负责调节割台高度；脱粒装置驱动模块为脱粒滚筒提供动力；输送装置驱动模块驱动输送部件；行走驱动模块为收获机行走提供动力并控制速度；转向控制模块实现转向操作。各模块协同工作，完成收获任务。

3.2 液压系统类型选择

对比开式和闭式液压系统，开式系统结构简单、成本低，但能量损失大、响应速度慢。闭式系统能量回收效率高、响应快、结构紧凑，虽成本高，但更符合谷物收获机高效精准作业的需求，因此本设计采用闭式液压系统。闭式系统通过双向变量泵和双向变量马达组成的闭式回路，可精确控制执行元件，且在制动减速时，液压马达能将机械能转化为液压能回馈系统，提高能源利用率。

3.3 主要液压元件选型

液压泵选型：选择双向变量柱塞泵。通过计算各执行元件不同工况下的流量，确定系统最大流量，再考虑压力损失和余量计算泵的额定压力，最终选用一款排量可随负载自动调节的双向变量柱塞泵，以提高系统效率。

液压马达选型：液压马达。如脱粒滚筒扭矩需求大、转速稳定，选用低速大扭矩液压马达；行走驱动根据行走速度和牵引力要求，选择高速液压马达，并搭配行星齿轮减速器减速增扭。

液压缸选型：割台升降等采用液压缸。根据工作负载、行程和速度要求，计算液压缸的缸径、活塞杆直径和行程等参数，选择密封性能好、强度高的液压缸，确保工作稳定可靠。

控制阀选型：根据系统控制要求选用各类控制阀。溢流阀限定系统最高压力，保障系统安全；电磁换向阀控制液压油流向，实现执行元件换向；比例控制阀精确调节流量和压力，满足精确控制需求。

四、谷物收获机液压系统回路设计

4.1 割台升降液压回路设计

割台升降液压回路采用电液比例控制，通过比例换向阀控制液压缸进出油流量，实现割台平稳升降。回路中设置溢流阀防止系统压力过高，采用平衡阀平衡液压缸负载，避免割台因自重快速下降。操作手柄发出信号后，比例换向阀根据信号大小调节开度，控制液压油流量，使割台按设定速度升降。

4.2 脱粒与输送装置液压回路设计

脱粒装置液压回路由液压马达驱动脱粒滚筒，采用恒功率调速方式，通过变量泵和变量马达配合，确保脱粒滚筒在不同负载下保持稳定扭矩和转速。输送装置液压回路采用多个液压马达分别驱动输送带、提升机等部件，各液压马达通过流量分配阀协调控制，保证输送顺畅，防止物料堆积或输送不及时。

4.3 行走与转向液压回路设计

行走液压回路采用闭式回路，由双向变量泵驱动两个行走液压马达，通过调节变量泵排量控制行走速度，实现前进、后退和无级调速。转向液压回路采用转向器和液压缸组合方式，操作转向盘时，转向器控制液压油流向转向液压缸，推动转向节实现转向。回路中设置转向助力阀和稳定阀，提高转向的灵活性和稳定性。

五、谷物收获机液压系统性能分析与仿真

5.1 液压系统性能分析

压力损失分析：计算液压系统管路、控制阀等部件的压力损失，分析不同工况下的损失情况，优化管路布局和控制阀选型，降低压力损失，提高能量利用率。

流量脉动分析：由于液压泵工作特性会产生流量脉动，影响系统稳定性和执行元件精度。通过理论计算和分析，选择合适的蓄能器和过滤器抑制流量脉动，使系统流量更稳定。

效率分析：计算系统在不同工况下泵、马达及整体的效率，通过优化系统设计，如合理选择元件、减少管路损失等，提高系统整体效率，降低能耗。

稳定性分析：分析系统在不同负载和工况下执行元件的运动稳定性及系统压力稳定性，设置合适的控制策略和阻尼元件，确保系统稳定运行。

5.2 基于 AMESim 的液压系统仿真

利用 AMESim 软件建立液压系统仿真模型，详细设置各液压元件参数，根据实际作业工况设置仿真参数，如负载变化、操作信号等。通过仿真模拟系统运行，得到压力、流量、速度等参数随时间的变化曲线，验证系统设计合理性。针对仿真中出现的压力波动大、响应速度不达标等问题，优化调整系统设计，重新仿真，直至系统性能满足设计要求[3]。

六、结论

本文深入研究谷物收获机液压系统，完成从原理分析到性能验证的一系列设计。通过AMESim 软件建立液压系统仿真模型，有利于预测和提高液压系统在实际工作中的控制性能。

参考文献

[1] 李华，王强。农业机械液压系统节能技术研究 [J]. 农业工程学报，2018， 34 （15）： 30 - 37.

[2] 张明，赵刚。谷物收获机关键部件的设计与优化 [J]. 农业机械学报，2019， 50 （8）： 85 - 93.

[3] Smith， J. A.， & Johnson， L. B. Hydraulic Control Systems in Agricultural Machinery [M]. Springer， 2017.