樹莓采摘機(jī)的液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

鄭躍鵬

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

世界上公認(rèn)的第一臺(tái)采用靜液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的車輛是1954年由英國(guó)國(guó)立農(nóng)業(yè)工程研究所研制的液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)[1]，推動(dòng)了靜液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)在車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，目前靜液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多用在工程機(jī)械如運(yùn)梁車、 裝載車、海底車， 其他領(lǐng)域也在進(jìn)行液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究，但國(guó)內(nèi)在農(nóng)用設(shè)備上的應(yīng)用研究一直停滯不前。

由于樹莓的種植和采摘特點(diǎn)，其傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式難以滿足采摘要求，考慮靜液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，運(yùn)用到采摘機(jī)上具有一定的可行性。

1 采摘機(jī)靜液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

目前行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有四種方式：機(jī)械驅(qū)動(dòng)、液力驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)和靜液壓驅(qū)動(dòng)。

靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓馬達(dá)和壓力調(diào)節(jié)閥、流量調(diào)節(jié)閥等元件組成，基本的工作原理是：發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)齒輪泵，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，高壓油經(jīng)管路和控制閥等傳輸?shù)揭簤厚R達(dá)， 液壓馬達(dá)克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速，再將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 采用閉式回路系統(tǒng)構(gòu)成的靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有功率體積比大，結(jié)構(gòu)較為緊湊，空氣接觸機(jī)會(huì)較少，但是油液的散熱和過濾條件較差。 采用容積調(diào)速回路，無極調(diào)速范圍大，與發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配簡(jiǎn)便；輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以在一定范圍內(nèi)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行無關(guān)的調(diào)節(jié)；液壓轉(zhuǎn)矩大，且利用系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

1.2 靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

靜液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按馬達(dá)轉(zhuǎn)速分為低速、中速、高速液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)三種情形。 低速液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)， 低速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)具有安裝空間小，可靈活布置，功率損失小，馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩要與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相匹配，且驅(qū)動(dòng)輪的徑向、軸向載荷直接作用于液壓馬達(dá)上，對(duì)馬達(dá)要求較高等特點(diǎn)。 中速液壓馬達(dá)（300～1000 r/min）經(jīng)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),具有大扭矩、高轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)，但是工程應(yīng)用比較少。高速液壓馬達(dá)（2000～3000 r/min）經(jīng)行星輪系減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，高速馬達(dá)具有可高速啟動(dòng)，對(duì)馬達(dá)要求較低，但比低速馬達(dá)方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

靜液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按容積調(diào)速方式分為流量耦合一次調(diào)節(jié)和一、二次聯(lián)合調(diào)節(jié)[2]，流量耦合一次調(diào)節(jié)包括“定量泵-變量馬達(dá)”、“變量泵-定量馬達(dá)”；流量一、二次聯(lián)合調(diào)節(jié)是“變量泵-變量馬達(dá)”。 “定量泵-變量馬達(dá)” 具有流量損失嚴(yán)重，系統(tǒng)效率低、不能反向轉(zhuǎn)動(dòng)等特點(diǎn)，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與其排量成反比， 轉(zhuǎn)矩與排量成正比，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，回路的工作壓力和馬達(dá)輸出功率都不隨調(diào)速發(fā)生變化， 稱為恒功率調(diào)速回路；“變量泵-定量馬達(dá)”具有調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍較大等特點(diǎn)，液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩和變量泵的調(diào)節(jié)參數(shù)無關(guān)， 僅與液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓差有關(guān)，又稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速回路；“變量泵-變量馬達(dá)”具有傳動(dòng)效率高、液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍大等特點(diǎn)，是一個(gè)雙輸入單輸出的雙變量耦合本質(zhì)非線性液壓系統(tǒng)。

靜液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既可以是雙泵雙回路系統(tǒng)，也可以是單泵單回路系統(tǒng)。 此液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用單泵單回路的形式，節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)性。

行走液壓泵采用比例電磁鐵控制的閉式變量液壓泵，可實(shí)現(xiàn)變量泵排量的無極調(diào)節(jié)。

1.3 靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要元件選型

1.3.1 馬達(dá)選型

對(duì)于樹莓采摘機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的選型計(jì)算，本文選擇由薩奧公司提出的角功率法[3]，角功率

式中 Pj——樹莓采摘機(jī)的總角功率，kW

Tmax——驅(qū)動(dòng)輪的最大輸出扭矩，N·m

nmax——驅(qū)動(dòng)輪的最高轉(zhuǎn)速，r/min

Fmax——最大牽引力，N

vmax——最大理論速度，km/h

由樹莓采摘機(jī)總角功率計(jì)算滿足要求的馬達(dá)角功率

式中 Pmj——馬達(dá)角功率，kW

z——馬達(dá)數(shù)量，取z=2

ηm——馬達(dá)的傳動(dòng)效率，取ηm=0.95

由馬達(dá)的角功率公式可以計(jì)算得到馬達(dá)排量的最小規(guī)格，馬達(dá)排量規(guī)格根據(jù)下式確定

式中 Vmmax——馬達(dá)排量，mL/r

nmmax——馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速，r/min

Pmax——液壓系統(tǒng)最高壓力，MPa

查閱樣本， 并參考相似車輛的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)后，液壓系統(tǒng)的最高壓力為32 MPa。

1.3.2 驅(qū)動(dòng)液壓泵選型

驅(qū)動(dòng)液壓泵選型的依據(jù)是能滿足馬達(dá)所需的流量， 根據(jù)馬達(dá)的流量計(jì)算出液壓泵的排量，本文的液壓泵和液壓馬達(dá)的容積效率取0.95，液壓泵和發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接，即泵的轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)相等[4]，則

式中 Vpmax——液壓泵的最大排量，mL/r

Vmmax——馬達(dá)排量，mL/r

nmmax——馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速，r/min

neh——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

z——馬達(dá)數(shù)量，取z=2

通過選擇與計(jì)算，得到該采摘機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)，見表1。

表1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)

2 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真

圖1 中，液壓馬達(dá)7 和另一個(gè)液壓馬達(dá)采用并聯(lián)方式[5]，由于系統(tǒng)壓力是由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪中負(fù)荷最小的車輪的阻力所決定的，如果不改變驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩，那么每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)力都是一樣的，采摘機(jī)的行走將會(huì)因?yàn)轵?qū)動(dòng)輪的不同步而失控，根據(jù)分流集流閥10 的工作原理，把流量平均分配給液壓馬達(dá)的同時(shí)，會(huì)根據(jù)不同的行駛路面提供給驅(qū)動(dòng)輪不同的驅(qū)動(dòng)力，能使左右兩側(cè)輪胎同步，有利于直線行駛；但是當(dāng)一側(cè)車輪發(fā)生打滑時(shí)，此側(cè)的液壓馬達(dá)流量變大而壓力降低，由于并聯(lián)的緣故，另一側(cè)的壓力也會(huì)降低，導(dǎo)致兩側(cè)輪胎都沒有足夠的轉(zhuǎn)矩使車輛脫困。利用液阻原理， 在液壓馬達(dá)之間連接一個(gè)節(jié)流閥6，當(dāng)兩側(cè)輪胎阻力不相同時(shí)，兩側(cè)壓力會(huì)發(fā)生變化，節(jié)流閥兩側(cè)產(chǎn)生壓差，節(jié)流閥開始工作，向壓力低的一側(cè)輸送流量，而壓力高的一側(cè)，由于流量的減少，總功率不變，壓力會(huì)隨之增高，轉(zhuǎn)矩變大，利于車輛脫困[6]。

圖1 液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制原理見圖2， 基于AMESim 的液壓系統(tǒng)模型見圖3。

圖2 液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制原理圖

圖3 基于AMESim 的液壓系統(tǒng)模型

車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)外側(cè)輪胎受力不同，內(nèi)側(cè)受到的側(cè)向阻力大于外側(cè)，所以內(nèi)側(cè)滾動(dòng)阻力大于外側(cè)，作用到液壓上，內(nèi)側(cè)壓力大于外側(cè)，節(jié)流閥開始工作，流量由內(nèi)側(cè)向外側(cè)流動(dòng)，外側(cè)流量增加，轉(zhuǎn)速變快，實(shí)現(xiàn)差速。

車輛制動(dòng)時(shí)，由補(bǔ)油泵提高動(dòng)力，在補(bǔ)油泵通向制動(dòng)系的回路中，加裝電磁閥，當(dāng)電磁閥收到信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)剎車系統(tǒng)，完成制動(dòng)[7]。

3 結(jié)論

運(yùn)用AMESim 軟件對(duì)該樹莓采摘機(jī)的液壓行走系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析，直線行駛時(shí)車輪的轉(zhuǎn)速見圖4，轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速見圖5。結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠基本滿足實(shí)際的采摘需要。本次設(shè)計(jì)采用了全液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，省去了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)橋和變速箱，方便進(jìn)行總體布局，使樹莓采摘真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采摘。

圖4 直線行駛時(shí)車輪的轉(zhuǎn)速

圖5 轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速