基于AMESim的樹木移栽機(jī)負(fù)載敏感系統(tǒng)仿真研究

李志鵬，劉 洋，張劍琦

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著城市現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，人們對(duì)其賴以生存環(huán)境的保護(hù)意識(shí)也隨之增強(qiáng)，在暴露出來的生態(tài)環(huán)境矛盾面前，著力建設(shè)生態(tài)園林，大力加強(qiáng)城鄉(xiāng)綠化，建設(shè)和諧友好的人居生態(tài)環(huán)境迫在眉睫、勢(shì)在必行。

在城市綠化建設(shè)工程中，會(huì)涉及到成品樹苗栽種、多年老樹移栽、更新樹木品種等作業(yè)，傳統(tǒng)的移栽樹木的技術(shù)是全人工操作，挖掘樹根部周邊的泥土，選擇性切斷樹根，將留下的根部連帶泥土一起包扎裝運(yùn)。如此的人工作業(yè)過程耗時(shí)耗力，人力勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，樹木移栽周期長(zhǎng)，這些都直接影響被移栽的樹木成活率[1]。采用自動(dòng)化、機(jī)械化和智能化作業(yè)可將功效提高幾十倍，幾百倍不止。因此，研制開發(fā)創(chuàng)新樹木移栽機(jī)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，產(chǎn)品的應(yīng)用與推廣具有不可限量的空間。

本文對(duì)于樹木移栽機(jī)整體結(jié)構(gòu)的新型設(shè)計(jì)理念，以及機(jī)械控制技術(shù)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分組件等方面不做過多研究，而是將重點(diǎn)放在液壓動(dòng)力系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)與分析，使得移栽過程人力、物力、資源都為最低消耗。文中還應(yīng)用AMESim仿真系統(tǒng)對(duì)樹木移栽機(jī)工作過程中阻力所引發(fā)的問題，進(jìn)行了建模和仿真分析。

1 樹木移栽機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理

1.1 樹木移摘機(jī)的工作特點(diǎn)

樹木移摘機(jī)挖掘帶根樹木是在各有關(guān)部件和裝置協(xié)同動(dòng)作下完成的。如圖1所示已說明樹木移摘機(jī)的工作過程。

圖1 樹木移栽機(jī)

1.2 樹木移摘機(jī)的操作步驟

將樹木移栽機(jī)行至要移栽樹木旁，操作油缸使得鏟刀組張開，讓被移栽樹木至于鏟刀中央位置，并用鎖環(huán)鎖定樹木位置[2]。挖樹機(jī)構(gòu)是由四個(gè)鏟刀協(xié)同工作，這個(gè)過程中鏟刀用來鏟斷樹根，并使得所包圍的根部形成圓錐形土球。最后再由油缸操作，把樹木的根部從土中“連根拔起”。

1.3 樹木移栽機(jī)的工作條件

待移植樹木胸徑為20 cm，則土球直徑按最大規(guī)格計(jì)算為胸徑的10倍為200 cm，則土球高度約為1 m。

1.4 樹木移栽機(jī)的鏟刀阻力

采用土壤——機(jī)械系統(tǒng)力學(xué)中常用的半經(jīng)驗(yàn)法[2]，以相似理論為基礎(chǔ)模型試驗(yàn)建立并計(jì)算下鏟阻力的公式為：

P=0.130 7X1.188 4ρs0.755 3C0.244 7(13.927 5+0.563 3×100.024 3β)。

(1)

式中：X為鏟刀下鏟位移量，m；ρs為土壤容重，g/cm3；容積重量指單位體積的土的重量，單位為kg/m3，分自然狀態(tài)下的容重和松散狀態(tài)下的容重；C為土壤內(nèi)聚力，Pa；C=(-33m+4)×(3.75ρd-4 032)；m為土體含水量與粘粒含量的比值m>1.33時(shí)，建議取C<5.0kPa，土體干密度ρd=1.5g/cm3；β為鏟刀體圍角的半角(度)。

根據(jù)上述計(jì)算公式可以看出，樹木移栽機(jī)必須將阻力問題攻克，這樣才能使移栽機(jī)在不同土壤環(huán)境，不同濕度環(huán)境，亦或樹木根部土球大小不同的情況下都能有最佳工作效率，達(dá)到最好的挖掘效果。由于各個(gè)樹木所處環(huán)境不同，挖掘時(shí)鏟刀所受阻力大小也不同，應(yīng)用負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)可以有效的解決壓力變化問題，使得樹木的移栽過程不會(huì)其受影響。

2 負(fù)載敏感系統(tǒng)

負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)是一種新型的液壓控制方式，它是具有壓力反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，在流量指示條件下實(shí)現(xiàn)泵對(duì)負(fù)載壓力的隨動(dòng)控制。負(fù)載敏感系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是可以根據(jù)負(fù)載的大小隨時(shí)調(diào)節(jié)油泵的流量，也就是說此系統(tǒng)可以達(dá)到動(dòng)力元件和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的功率相適應(yīng)的需求，從而滿足按需供流，并且可以控制過程中的流量損失在很小的值域內(nèi)，這也突出了負(fù)載敏感系統(tǒng)的節(jié)能省力的優(yōu)點(diǎn)。由此，負(fù)載敏感壓力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)成為當(dāng)今頗受重視的、目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包括液壓挖掘機(jī)在內(nèi)的各種工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械上的一種液壓系統(tǒng)控制方式。

負(fù)載敏感技術(shù)是一種新型高效的技術(shù)，當(dāng)負(fù)載所需的壓力和流量與泵源的壓力流量相適應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)可以最大限度提高工作效率以達(dá)到預(yù)期的最佳效果。在提高系統(tǒng)工作時(shí)的功率利用效率方面需注意以下兩個(gè)方面，一是負(fù)載所需的壓力要與泵源的輸出壓力相適應(yīng)，二是泵源的輸出流量恰好與負(fù)載驅(qū)動(dòng)速度的需求相匹配，工作原理如圖2所示。

圖2 負(fù)載敏感系統(tǒng)工作原理

該回路的控制部分是由負(fù)載敏感變量泵1、負(fù)載變量缸敏感腔3、卸載調(diào)壓的恒壓閥4和反饋信號(hào)的Ls閥5組成。其中調(diào)節(jié)節(jié)流閥6來使得Ls閥5壓力與設(shè)定值有一定的偏差，產(chǎn)生Ls閥的壓力差等于彈簧的預(yù)緊力，其通過的流量根據(jù)伯努利方程為[3]

(2)

(3)

式中：Q為流過流量孔的流量，m3/s；K為常數(shù)；A為節(jié)流孔開口面積，m3；Δp為節(jié)流孔前后的壓力差，Pa；a為流量系數(shù)；p為油液密度，kg/m3。

若Δp=const，則Q=f(A)[5]，即通過的流量不受負(fù)載變化的影響，而只與節(jié)流口的開口面積A有關(guān)。

無(wú)工作狀態(tài)下Ls閥5的受力平衡方程為：

(ps-pL)A=FS。

(4)

式中：A為L(zhǎng)s閥閥芯面積；FS為閥芯作用力。

當(dāng)閥6關(guān)閉時(shí)，負(fù)載處于停止工作，系統(tǒng)處于準(zhǔn)備進(jìn)入工作狀態(tài)。此時(shí)的泵出口壓力Ps為閥5彈簧設(shè)定壓力，一般在1.4MPa左右，此時(shí)泵的功率接近于“零流量卸荷”的理想狀態(tài)，功率消耗幾乎為零[4]。

當(dāng)系統(tǒng)處于過載或者保壓狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)無(wú)需或無(wú)法推動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作。此時(shí)，閥5由于彈簧壓力一直處于右位，泵的Ps處壓力逐漸上升，直到大于恒壓閥設(shè)定壓力，推動(dòng)恒壓閥左位，油液通過閥4進(jìn)入變量缸3，使泵的流量減小到維持系統(tǒng)本身控制和泄漏的消耗供應(yīng)，達(dá)到“零流量”的狀態(tài)，斜盤角近零偏角，泵的功耗最小[6]。

當(dāng)閥6的開度變大或者變小時(shí)，系統(tǒng)處于自適應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)開度變大時(shí)，系統(tǒng)的負(fù)載增大，此時(shí)壓差Δp=pS-pL減小，使得閥5處于右位，變量缸3的油液經(jīng)過閥5流回油箱，因此泵斜盤產(chǎn)生扭矩差，推動(dòng)斜盤角增大，使得泵的流量增大，直到與負(fù)載所需達(dá)到均衡。相對(duì)應(yīng)的，當(dāng)節(jié)流閥6開度變小時(shí)，泵的輸出流量大于負(fù)載所需流量，使得油液通過Ls閥5向右和恒壓閥4向左運(yùn)動(dòng)，流向敏感腔3，此時(shí)，泵的斜盤角減小，流量的需求也會(huì)變小[7]。

3 AMESim簡(jiǎn)介與仿真模型

AMESim全稱為Advanced Environment for Performing Simulations of Engineering Systems(高級(jí)工程系統(tǒng)仿真建模環(huán)境)，它是一款基于鍵合圖思想的液壓 / 機(jī)械高級(jí)建模仿真軟件，具有豐富的模型庫(kù)，用戶可以在AMESim平臺(tái)上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，迄今己發(fā)展到10.0版本[8]。

對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，目前常用的建模方法主要有解析法建模、液壓及其數(shù)學(xué)模型、狀態(tài)空間法建模和鍵合圖法建模[9-14]。本文應(yīng)用基于功率鍵合圖的AMESim軟件進(jìn)行建模仿真。如圖3所示為負(fù)載敏感系統(tǒng)工作原理的仿真圖。

圖3 負(fù)載敏感特性測(cè)試系統(tǒng)模型

為驗(yàn)證模型建立的正確性及進(jìn)行后續(xù)的仿真研究和動(dòng)態(tài)特性分析，AMESim環(huán)境中，圖3模型是在建立一個(gè)負(fù)載敏感的測(cè)試回路，其中由比例溢流閥調(diào)節(jié)負(fù)載壓力模擬外負(fù)載變化，節(jié)流閥模擬外負(fù)載的流量需求，溢流閥的輸入信號(hào)變化及節(jié)流閥開度的大小由控制庫(kù)中的信號(hào)發(fā)生器給出。對(duì)負(fù)載敏感系統(tǒng)做了一定的簡(jiǎn)化，忽略了泵、電機(jī)和液壓油的摩擦阻力[8]。

設(shè)置參數(shù)是AMESim中比較重要的步驟之一，負(fù)載敏感特性測(cè)試系統(tǒng)模型的部分參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 系統(tǒng)模型的參數(shù)設(shè)定

4 仿真與結(jié)果分析

首先驗(yàn)證模型靜態(tài)的特性曲線，選定的負(fù)載壓力范圍在0～30MPa，仿真時(shí)間設(shè)置為1s，采樣時(shí)間為0.001s。仿真結(jié)果得到的下面兩張曲線圖，泵流量-壓力仿真特性曲線如圖4所示，Ls閥壓差特性仿真曲線如圖5所示。

圖4 泵流量壓力仿真曲線

在圖4驗(yàn)證模型流量與壓力的曲線中，在節(jié)流閥全開的情況下，可以看出樣本曲線在壓力增大時(shí)，流量有個(gè)細(xì)微下降的過程，這是由于壓力增大帶來的泵的流量損失造成的，而該仿真模型不予考慮。所以其理想狀況下應(yīng)該是一條平行直線，但是實(shí)際操作中由于恒壓閥的摩擦力、黏性阻力等因素的影響，才會(huì)造成圖4的結(jié)果。

同時(shí)，驗(yàn)證Ls閥的正確性，分別調(diào)節(jié)溢流閥的模擬負(fù)載壓力為0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa，看節(jié)流閥開度開到最大時(shí)，泵的出口壓力的情況[10]。

圖5 Ls閥壓差特性仿真曲線

從圖5所示的仿真曲線不難看出，當(dāng)泵能足夠流量的情況下，無(wú)論如何調(diào)節(jié)模擬負(fù)載以及節(jié)流閥開度的大小，泵的出口壓力與節(jié)流閥出口壓力的差值始終保持在1.4MPa左右，這也就說明，泵出口壓力只與Ls閥的壓差設(shè)定值有關(guān)，與外界流量需求和負(fù)載變化無(wú)關(guān)。所以，負(fù)載敏感系統(tǒng)應(yīng)用在移栽機(jī)上的設(shè)想，可以忽略阻力的因素。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)樹木移栽機(jī)的認(rèn)識(shí)與了解，結(jié)合液壓技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，對(duì)其在不同環(huán)境下，系統(tǒng)提供壓力也是不同的這一論斷，提出了在樹木移栽機(jī)液壓系統(tǒng)中應(yīng)用負(fù)載敏感系統(tǒng)的課題，來解決實(shí)際操作過程中存在的問題。經(jīng)過仿真分析與證明充分的展示了樹木移栽機(jī)應(yīng)用負(fù)載敏感系統(tǒng)的必要性，當(dāng)外界負(fù)載的需求變大時(shí)，無(wú)需手動(dòng)調(diào)節(jié)，依靠負(fù)載敏感系統(tǒng)就可以順利的完成各項(xiàng)工作，這同時(shí)也解決了壓力與外界負(fù)載變化無(wú)關(guān)的課題。

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