基于AMESim的玉米收获机液压系统建模与仿真优化
◎赵明鹏 周海燕 董运龙 仉振洋
我国玉米种植面积广、作业地形复杂，现有收获机多采用机械传动，存在结构臃肿、维修不便、智能化水平低等短板。液压传动具有布局灵活、无级调速、过载保护等优势，已成为高端农机核心技术。针对传统自走式玉米收获机机械传动存在故障率高、调速范围窄、负载适应性差等问题，利用AMESim软件建立整机关键液压回路仿真模型，分析不同负载下执行元件动态特性，揭示原系统流量波动大、转速稳定性不足的缺陷，设计一套以闭式回路为核心的液压驱动系统，包含行走液压系统、割台液压系统与脱粒清选液压系统势在必行。目前国内外学者对收获机液压系统开展大量研究，但针对4行自走式机型的行走与割台联合仿真优化研究较少，尤其缺少负载扰动下的动态特性分析与工程化改进方案。
本文以4YZ系列自走式玉米收获机为对象，设计整机液压驱动方案，基于AMESim完成行走、割台系统建模与多工况仿真，将行走系统采用变量泵+变量马达替代定量马达，割台回路采用溢流节流阀+压力补偿结构替换普通节流阀。通过仿真与试验结果表明：优化后行走马达调速范围提升3.81%，转速波动更小、扭矩输出更平稳，可满足玉米收获机复杂工况作业需求。
一、液压系统总体方案设计
（一）整机液压驱动方案
采用闭式回路+容积调速方案，系统效率高、温升低，适合大功率行走与作业驱动。整机分为4个子系统：1）液压行走驱动系统；2）割台液压马达与液压缸系统；3）脱粒装置液压系统；4）清选装置液压系统。本文主要对液压行走系统进行建模与优化仿真分析。
（二）行走液压系统原理
采用变量泵+定量马达闭式回路，包含补油泵、冲洗梭阀、高低压溢流阀、散热器等元件，实现前进/后退无级调速与制动卸荷。发动机驱动变量泵，通过斜盘摆角调节输出流量，控制马达转速与转向。
二、主要元件选型
(一)行走马达选择
玉米收获机最大爬坡坡度为17°，可得收获机牵引力公式：F=Ff+H+Fx （1）
式中：Ff为滚动阻力，N;
H为上坡阻力，N；
Fx为工作阻力，N。
收获机实际作业的工作阻力极小，因此在计算中忽略其值，则：Ff=fGsinα （2）
H=Gcosα （3）
式中：G为满载重量，8500kg；
f为滚动阻力，0.015；
α为坡度角，17°。
计算可得牵引力为2607N。
驱动轮力矩为：T=Fr/2 （4）
式中：r为车轮半径。
可得力矩为814.69N·m。
马达排量公式为：V=2πT/PM （5）
式中：M为液压系统额定工作压力，15MPa；
P为驱动功率，45kw；
可得V=75.8mL/r
根据：vmax=2πnmax/60 （6）
式中：vmax为行驶最高速度，m/min；
nmax为液压马达最高转速，r/min；
计算可得nmax=1834r/min。
因此，选择液压马达HAEM75，其参数如表1所示。
(二)行走泵选择
根据：Va=2Qmax×1000/n0ηη0 （7）
式中：Qmax为马达最大排量，mL/r；
n0为发动机转速，r/min；
η为机械效率，0.9；
η0为液压泵容积效率，0.926。
可得行走泵排量V=75mL/r。
因此，选择行走泵HA4TVG110，参数如表2所示。
三、AMESim仿真建模与参数设置
（一）建模软件与库选择
使用AMESim建立液压模型，采用Hydraulic库+HCD库，保证模型精度与计算稳定性。仿真模型如图1所示。
根据选型液压元件的参数，对液压系统模型进行参数设置，仿真参数如表3所示。
默认液压马达在泄油系数为0.1情况下进行研究。本节研究液压行走机械在不同负载下定量马达动态特性，通过仿真分析不同负载条件对液压马达流量、输出转速和输出扭矩的影响规律，对优化行走机构液压马达转速稳定、增大马达扭矩输出具有重要意义。利用AMESim中的批处理功能对外负载进行设置，批处理界面如图2所示。
根据收获机行走液压系统实际工况，系统在轻载、中载和重载对应的外负载分别为6500kg、7500kg和8500kg，设置仿真时间为12s，打印间隔为0.01，运行仿真批处理，由仿真结果图3(a)可知，液压马达在开始阶段均会产生一定的流量波动，在轻载、中载和重载工况下最大波动值分别 为152L/min、155L/min和158L/min，流量波动稳定时时间为1.8s、1.5s和1.2s，可以得到马达流量随负载增大而增大，流量稳态时间随负载增大而减小，稳定时流量均维持在139L/min，负载对行走系统马达流量产生较大的影响。根据图3(b)分析可知，液压马达在启动阶段出现一定的转速波动，且负载越大转速峰值越大，分析原因可知，由于不同负载使液压马达的输入流量产生波动，进而影响马达的输出转速稳定性，但不同负载对转速的影响不大。由图3(c)可知，在启动瞬间，马达克服负载做功，其瞬时扭矩在一定区间内波动，约在2s左右，马达输出扭矩趋于平稳，系统进入正常工作状态，稳态扭矩在轻载、中载和重载时分别为98N·m、197N·m和299N·m，可得外负载越大马达输出扭矩越大。综合可得，满足液压系统设计要求。图4、5为泵排量与马达转速关系。
由图4、图5仿真结果可知，阀气缸位移通过改变排量实现，马达转速会随之产生变化，泵的排量直接影响马达转速。因此，本节通过调节变量泵排量，以此实现对马达转速的调控。该调速方案中，定量马达存在明显短板，主要体现为速度与扭矩调节区间有限，整体传动效率偏低。
（二）行走液压系统优化及仿真结果分析
建立变量泵-定量马达行走系统模型，设置负载分别对应空载6500kg、中载7500kg、重载8500kg，仿真时间12s。通过上节对定量马达系统的结果分析，发现行走马达存在速度调节范围窄、马达输出扭矩调节范围小等问题，针对此问题，本节对液压马达进行优化设计，采用变量泵-变量马达，优化系统如图6所示。
在采用变量泵—定量马达的模型基础上，通过信号库的阶段信号改变马达的排量，其他仿真子模型不变，得到如图7所示的收获机变量泵—变量马达液压系统。
在额定负载情况下，液压泵排量控制信号如图8所示，信号为无量纲形式。在0～1s时间段内，行走液压马达信号由最小排量变为最大，探究马达排量改变对输出扭矩和输出转速的影响规律。
结合图9仿真数据分析可得：1s时刻行走马达排量信号升至峰值，系统流量同步达到最大值并保持稳定；变量马达输出转矩在启动阶段存在小幅波动，待排量完全增大后，转矩经过短暂振荡趋于平稳，稳定值约300N·m，同时马达转速也保持恒定，稳定转速为1800r/min。为进一步研究液压泵与液压马达排量参数对马达工作性能的影响，相关控制信号变化规律如图10所示。
图11为行走马达输出扭矩和转速在液压泵和马达排量共同作用下的仿真结果，可知液压泵在1秒时排量达到最大，此后的时间里泵的排量维持在最大值，液压马达排量在前4s维持在最大值。
该阶段内，马达转矩逐步升至300N·m，转速稳定在1400r/min。液压马达于第4秒开始调整排量比，第5秒完成全部调节过程，排量信号在1秒内由1降至0.4；调节完成后，变量马达转矩稳定在260N·m，转速维持在2200r/min。
相较于依靠调节泵排量控制的定量马达，变量马达的转矩与转速波动幅度更小、运行变化更为平缓。在液压泵输出排量保持不变的前提下，减小马达排量可显著提升转速，调速区间相比定量马达更广，调速范围为0~2140rev/min。但马达的输出扭矩会相应降低，因此适当减小马达排量能够提高马达转速，使得行走液压系统更加高效。
四、结论
本文基于AMESim液压仿真平台，构建了玉米收获机行走液压系统的完整仿真模型，通过设置不同作业工况（平地行走、坡道行驶、负载突变等）进行动态仿真分析。仿真结果表明，原定量泵-定量马达系统在突加负载工况下存在明显的压力波动（峰值压力达28MPa）和转速跌落现象（最大转速波动幅度±15%），严重影响收获作业质量。针对此问题，创新性地提出采用负载敏感变量泵与电比例变量马达组成的容积调速优化方案，通过AMESim参数优化模块对泵的流量-压力特性曲线和马达的排量控制策略进行协同优化。经台架试验验证，优化后系统在相同工况下的压力波动幅度降低62%（10.6MPa），转速稳定性提升至±3%以内，调速范围由原来的1∶5扩展至1∶8。田间试验数据显示，优化系统使玉米收获机在3-8km/h速度范围内的籽粒损失率降低2.3个百分点，尤其在高含水率地块作业时，系统可靠性显著提升，故障停机时间减少76%。该成果为同类农业机械液压行走系统设计提供了重要理论参考依据。（本文系山东工程职业技术大学校内科研基金项目“玉米收获机液压与控制系统研究”项目编号：SGZKZCO08）
（作者单位：山东工程职业技术大学 智能制造学院）
我国玉米种植面积广、作业地形复杂，现有收获机多采用机械传动，存在结构臃肿、维修不便、智能化水平低等短板。液压传动具有布局灵活、无级调速、过载保护等优势，已成为高端农机核心技术。针对传统自走式玉米收获机机械传动存在故障率高、调速范围窄、负载适应性差等问题，利用AMESim软件建立整机关键液压回路仿真模型，分析不同负载下执行元件动态特性，揭示原系统流量波动大、转速稳定性不足的缺陷，设计一套以闭式回路为核心的液压驱动系统，包含行走液压系统、割台液压系统与脱粒清选液压系统势在必行。目前国内外学者对收获机液压系统开展大量研究，但针对4行自走式机型的行走与割台联合仿真优化研究较少，尤其缺少负载扰动下的动态特性分析与工程化改进方案。
本文以4YZ系列自走式玉米收获机为对象，设计整机液压驱动方案，基于AMESim完成行走、割台系统建模与多工况仿真，将行走系统采用变量泵+变量马达替代定量马达，割台回路采用溢流节流阀+压力补偿结构替换普通节流阀。通过仿真与试验结果表明：优化后行走马达调速范围提升3.81%，转速波动更小、扭矩输出更平稳，可满足玉米收获机复杂工况作业需求。
一、液压系统总体方案设计
（一）整机液压驱动方案
采用闭式回路+容积调速方案，系统效率高、温升低，适合大功率行走与作业驱动。整机分为4个子系统：1）液压行走驱动系统；2）割台液压马达与液压缸系统；3）脱粒装置液压系统；4）清选装置液压系统。本文主要对液压行走系统进行建模与优化仿真分析。
（二）行走液压系统原理
采用变量泵+定量马达闭式回路，包含补油泵、冲洗梭阀、高低压溢流阀、散热器等元件，实现前进/后退无级调速与制动卸荷。发动机驱动变量泵，通过斜盘摆角调节输出流量，控制马达转速与转向。
二、主要元件选型
(一)行走马达选择
玉米收获机最大爬坡坡度为17°，可得收获机牵引力公式：F=Ff+H+Fx （1）
式中：Ff为滚动阻力，N;
H为上坡阻力，N；
Fx为工作阻力，N。
收获机实际作业的工作阻力极小，因此在计算中忽略其值，则：Ff=fGsinα （2）
H=Gcosα （3）
式中：G为满载重量，8500kg；
f为滚动阻力，0.015；
α为坡度角，17°。
计算可得牵引力为2607N。
驱动轮力矩为：T=Fr/2 （4）
式中：r为车轮半径。
可得力矩为814.69N·m。
马达排量公式为：V=2πT/PM （5）
式中：M为液压系统额定工作压力，15MPa；
P为驱动功率，45kw；
可得V=75.8mL/r
根据：vmax=2πnmax/60 （6）
式中：vmax为行驶最高速度，m/min；
nmax为液压马达最高转速，r/min；
计算可得nmax=1834r/min。
因此，选择液压马达HAEM75，其参数如表1所示。
(二)行走泵选择
根据：Va=2Qmax×1000/n0ηη0 （7）
式中：Qmax为马达最大排量，mL/r；
n0为发动机转速，r/min；
η为机械效率，0.9；
η0为液压泵容积效率，0.926。
可得行走泵排量V=75mL/r。
因此，选择行走泵HA4TVG110，参数如表2所示。
三、AMESim仿真建模与参数设置
（一）建模软件与库选择
使用AMESim建立液压模型，采用Hydraulic库+HCD库，保证模型精度与计算稳定性。仿真模型如图1所示。
根据选型液压元件的参数，对液压系统模型进行参数设置，仿真参数如表3所示。
默认液压马达在泄油系数为0.1情况下进行研究。本节研究液压行走机械在不同负载下定量马达动态特性，通过仿真分析不同负载条件对液压马达流量、输出转速和输出扭矩的影响规律，对优化行走机构液压马达转速稳定、增大马达扭矩输出具有重要意义。利用AMESim中的批处理功能对外负载进行设置，批处理界面如图2所示。
根据收获机行走液压系统实际工况，系统在轻载、中载和重载对应的外负载分别为6500kg、7500kg和8500kg，设置仿真时间为12s，打印间隔为0.01，运行仿真批处理，由仿真结果图3(a)可知，液压马达在开始阶段均会产生一定的流量波动，在轻载、中载和重载工况下最大波动值分别 为152L/min、155L/min和158L/min，流量波动稳定时时间为1.8s、1.5s和1.2s，可以得到马达流量随负载增大而增大，流量稳态时间随负载增大而减小，稳定时流量均维持在139L/min，负载对行走系统马达流量产生较大的影响。根据图3(b)分析可知，液压马达在启动阶段出现一定的转速波动，且负载越大转速峰值越大，分析原因可知，由于不同负载使液压马达的输入流量产生波动，进而影响马达的输出转速稳定性，但不同负载对转速的影响不大。由图3(c)可知，在启动瞬间，马达克服负载做功，其瞬时扭矩在一定区间内波动，约在2s左右，马达输出扭矩趋于平稳，系统进入正常工作状态，稳态扭矩在轻载、中载和重载时分别为98N·m、197N·m和299N·m，可得外负载越大马达输出扭矩越大。综合可得，满足液压系统设计要求。图4、5为泵排量与马达转速关系。
由图4、图5仿真结果可知，阀气缸位移通过改变排量实现，马达转速会随之产生变化，泵的排量直接影响马达转速。因此，本节通过调节变量泵排量，以此实现对马达转速的调控。该调速方案中，定量马达存在明显短板，主要体现为速度与扭矩调节区间有限，整体传动效率偏低。
（二）行走液压系统优化及仿真结果分析
建立变量泵-定量马达行走系统模型，设置负载分别对应空载6500kg、中载7500kg、重载8500kg，仿真时间12s。通过上节对定量马达系统的结果分析，发现行走马达存在速度调节范围窄、马达输出扭矩调节范围小等问题，针对此问题，本节对液压马达进行优化设计，采用变量泵-变量马达，优化系统如图6所示。
在采用变量泵—定量马达的模型基础上，通过信号库的阶段信号改变马达的排量，其他仿真子模型不变，得到如图7所示的收获机变量泵—变量马达液压系统。
在额定负载情况下，液压泵排量控制信号如图8所示，信号为无量纲形式。在0～1s时间段内，行走液压马达信号由最小排量变为最大，探究马达排量改变对输出扭矩和输出转速的影响规律。
结合图9仿真数据分析可得：1s时刻行走马达排量信号升至峰值，系统流量同步达到最大值并保持稳定；变量马达输出转矩在启动阶段存在小幅波动，待排量完全增大后，转矩经过短暂振荡趋于平稳，稳定值约300N·m，同时马达转速也保持恒定，稳定转速为1800r/min。为进一步研究液压泵与液压马达排量参数对马达工作性能的影响，相关控制信号变化规律如图10所示。
图11为行走马达输出扭矩和转速在液压泵和马达排量共同作用下的仿真结果，可知液压泵在1秒时排量达到最大，此后的时间里泵的排量维持在最大值，液压马达排量在前4s维持在最大值。
该阶段内，马达转矩逐步升至300N·m，转速稳定在1400r/min。液压马达于第4秒开始调整排量比，第5秒完成全部调节过程，排量信号在1秒内由1降至0.4；调节完成后，变量马达转矩稳定在260N·m，转速维持在2200r/min。
相较于依靠调节泵排量控制的定量马达，变量马达的转矩与转速波动幅度更小、运行变化更为平缓。在液压泵输出排量保持不变的前提下，减小马达排量可显著提升转速，调速区间相比定量马达更广，调速范围为0~2140rev/min。但马达的输出扭矩会相应降低，因此适当减小马达排量能够提高马达转速，使得行走液压系统更加高效。
四、结论
本文基于AMESim液压仿真平台，构建了玉米收获机行走液压系统的完整仿真模型，通过设置不同作业工况（平地行走、坡道行驶、负载突变等）进行动态仿真分析。仿真结果表明，原定量泵-定量马达系统在突加负载工况下存在明显的压力波动（峰值压力达28MPa）和转速跌落现象（最大转速波动幅度±15%），严重影响收获作业质量。针对此问题，创新性地提出采用负载敏感变量泵与电比例变量马达组成的容积调速优化方案，通过AMESim参数优化模块对泵的流量-压力特性曲线和马达的排量控制策略进行协同优化。经台架试验验证，优化后系统在相同工况下的压力波动幅度降低62%（10.6MPa），转速稳定性提升至±3%以内，调速范围由原来的1∶5扩展至1∶8。田间试验数据显示，优化系统使玉米收获机在3-8km/h速度范围内的籽粒损失率降低2.3个百分点，尤其在高含水率地块作业时，系统可靠性显著提升，故障停机时间减少76%。该成果为同类农业机械液压行走系统设计提供了重要理论参考依据。（本文系山东工程职业技术大学校内科研基金项目“玉米收获机液压与控制系统研究”项目编号：SGZKZCO08）
（作者单位：山东工程职业技术大学 智能制造学院）