自走式藍(lán)莓采摘機(jī)行走液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

李健，張皓瑜，郭艷玲，王揚(yáng)威，李志鵬

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 前言

藍(lán)莓又名地果，有“黃金漿果”之稱，藍(lán)莓葉能制茶，根可入藥，用途廣泛，其果實(shí)的花青素含量居于所有果蔬首位[1-5]。隨著藍(lán)莓的功效被人們發(fā)掘出來，國內(nèi)藍(lán)莓種植的面積在持續(xù)增大，包括黑龍江、吉林、江蘇、山東等省份都在種植培育[6]。隨著國內(nèi)對(duì)藍(lán)莓采摘技術(shù)和理論的研究與引進(jìn)，機(jī)械化藍(lán)莓采摘逐步興起，吳立國和郭艷玲[7]設(shè)計(jì)了GYL062型牽引振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)，通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、采摘、升降、收集等功能。鮑玉冬等[6]設(shè)計(jì)了一款自走式藍(lán)莓采收機(jī)，實(shí)現(xiàn)了行走、轉(zhuǎn)向、采摘、收集、升降等功能。

隨著液壓技術(shù)在自走式采摘機(jī)械上的廣泛應(yīng)用，杜冬冬等[8]設(shè)計(jì)了一款自走式甘藍(lán)收獲機(jī)，配置專用動(dòng)力底盤。崔中凱等[9]設(shè)計(jì)了4YZP-4X自走式玉米收獲機(jī)的靜液壓驅(qū)動(dòng)底盤。韓余等人[10]設(shè)計(jì)了雙向變量泵與定量馬達(dá)組成的閉式容積調(diào)速回路，作為自走式采茶機(jī)的行駛系統(tǒng)。

本文作者基于國內(nèi)藍(lán)莓采摘的工況[6]和采摘機(jī)防打滑工況的考慮，設(shè)計(jì)了一款采摘機(jī)行走液壓系統(tǒng)，對(duì)主要液壓元件進(jìn)行選型，介紹系統(tǒng)原理，采用AMESim軟件仿真了2種打滑工況，為藍(lán)莓采摘機(jī)械行走液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 采摘機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和整機(jī)工作原理

1.1 自走式藍(lán)莓采摘機(jī)主要參數(shù)

自走式藍(lán)莓采摘機(jī)主要參數(shù)如下：(1)外形尺寸(長×寬×高)：4 500 mm×2 800 mm×3 200 mm；(2)裸車重力16 000 N；(3)載重3 600 N；(4)軸距2 600 mm；(5)輪距2 500 mm；(6)最小轉(zhuǎn)彎半徑3 800 mm；(7)最大通過果樹高度2 200 mm；(8)行駛速度：采摘工況下為0～3 km/h，行走工況下為0～15 km/h；(9)升降高度范圍0～500 mm。

1.2 結(jié)構(gòu)及原理介紹

采摘機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵、車架、升降缸、轉(zhuǎn)向缸和采摘齒梳等部件組成。該機(jī)的4個(gè)輪式馬達(dá)可以在變量泵的控制下完成前進(jìn)、停止、后退等功能。車身四周有4個(gè)升降缸，可同時(shí)進(jìn)行升降，從而調(diào)整車身高度。車身上側(cè)有2個(gè)轉(zhuǎn)向缸，可以同時(shí)推動(dòng)兩側(cè)的轉(zhuǎn)向柱完成轉(zhuǎn)向功能。采摘齒梳馬達(dá)通過帶動(dòng)桿機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)采摘齒梳擺動(dòng)，從而敲打藍(lán)莓樹枝。藍(lán)莓落到接果板上，而后掉落到輸送帶上，輸送帶在輸送馬達(dá)的帶動(dòng)下，將藍(lán)莓向采摘機(jī)后方運(yùn)輸，掉落到藍(lán)莓收集箱中。

圖1 采摘機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1.3 工作流程

采摘機(jī)主要按照下述步驟進(jìn)行工作：

(1)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，解除輪式馬達(dá)中的制動(dòng)活塞。

(2)輪式馬達(dá)切換為小排量，采摘機(jī)開往果園。

(3)4個(gè)升降缸同時(shí)動(dòng)作，調(diào)整升降缸的高度，行走馬達(dá)切換為大排量，車體中心與采摘中心對(duì)齊。

(4)打開1個(gè)采摘齒梳馬達(dá)和2個(gè)輸送馬達(dá)。

(5)采摘機(jī)進(jìn)行采摘作業(yè)，完成一行采摘。

(6)左、右轉(zhuǎn)向缸動(dòng)作，車體完成轉(zhuǎn)向。

(7)繼續(xù)采摘，重復(fù)步驟(3)、(5)、(6)。

(8)關(guān)閉采摘齒梳馬達(dá)和輸送帶馬達(dá)，采摘機(jī)高度恢復(fù)初始位置，輪式馬達(dá)切換為小排量。

(9)到達(dá)廠房，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 行走液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 行走馬達(dá)的選取

采摘機(jī)行走在道路上，必須克服行駛阻力，行駛阻力又分滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、加速阻力Fj、坡度阻力Fi[11]。

考慮到最大行駛阻力出現(xiàn)在低速上坡的過程中，故忽略空氣和加速度阻力。為保證行走馬達(dá)在采摘過程中的安全性，驅(qū)動(dòng)力不僅需要大于行駛阻力，而且還要不超過采摘機(jī)的附著力。

所以最大行駛阻力∑F和附著力Fφ為

∑F=Ff·sinα+Fi

(1)

Ff=fW

(2)

Fi=tanα·W

(3)

Fφ=φW

(4)

式中：f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.035；W為采摘機(jī)總重力，取19 600 N；α為坡度角，取25°；φ為附著系數(shù)，取0.7。

計(jì)算可得，最大行駛阻力∑F=9 429.547 N，F(xiàn)φ=13 720 N。附著力大于行駛阻力，保證車輛有足夠的抓地力。

選取最大行駛阻力為計(jì)算指標(biāo)，為簡單計(jì)算，設(shè)4個(gè)輪子的負(fù)載一樣，可得單輪所受扭矩：

(5)

式中：R為車輪的靜力學(xué)半徑，為0.405 m。

計(jì)算得液壓馬達(dá)所需扭矩為954.742 N·m，考慮到機(jī)械效率，可得馬達(dá)的實(shí)際輸出扭矩：

(6)

式中：ηm為液壓馬達(dá)機(jī)械效率，取0.95。

可得馬達(dá)實(shí)際輸出扭矩為1 004.991 N·m。從而可以得到行走馬達(dá)的排量：

(7)

式中：Δp為馬達(dá)進(jìn)出口壓差，取18 MPa 。

計(jì)算得馬達(dá)的排量為350.630 mL/r，選取南京恒通廠家排量為376 mL/r的雙排量馬達(dá)。

2.2 確定泵的型號(hào)

行走共有4個(gè)相同的輪式馬達(dá)，液壓系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，不考慮泄漏的情況下，泵的全部流量會(huì)進(jìn)入輪式馬達(dá)中，而后返回泵的回油口，因此計(jì)算4個(gè)輪式馬達(dá)的流量q1和泵的排量Vp：

(8)

(9)

式中：V為馬達(dá)排量,取376 mL/r；n為馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速，取50 r/min；ηv為馬達(dá)的容積效率，取0.85；ηvp為變量泵的容積效率，取0.92；n1為泵的轉(zhuǎn)速，取1 400 r/min。計(jì)算得q1=88.471 L/min，Vp=68.688 mL/r。

考慮到泄漏，因此選取力士樂A4VG系列主泵排量為71 mL/r，內(nèi)置補(bǔ)油泵排量為19.6 mL/r。

2.3 行走液壓系統(tǒng)的工作原理

行走系統(tǒng)液壓原理如圖2所示，工作原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)給變量泵1的主泵和補(bǔ)油泵供油，主泵將流量分別供給前側(cè)和后側(cè)FD分流閥(元件4，7)，而后液壓油到達(dá)4個(gè)輪式馬達(dá)(元件5，6，9，10)中去，而后大部分液壓油回到主泵的回油口，少部分進(jìn)入到帶保壓的沖洗閥2中回到油箱。

圖2 行走系統(tǒng)液壓原理

補(bǔ)油泵的作用：(1)提供流量用來補(bǔ)充閉式回路的泄漏和進(jìn)行熱交換。(2)用來給控制活塞供油[12]，從而達(dá)到改變排量的目的。(3)將液壓油注入到4個(gè)輪式馬達(dá)中的制動(dòng)活塞中，由于制動(dòng)活塞的開啟壓力在1.5～2 MPa左右，需要一直保持住此壓力，且需要流量較小，即可完成車輛的解除制動(dòng)。(4)將液壓油通過排量切換閥注入到輪式馬達(dá)中。排量切換的原理是馬達(dá)內(nèi)部有一個(gè)可移動(dòng)閥芯，當(dāng)液壓油推動(dòng)閥芯的時(shí)候，就由大排量切換成小排量，也是由于管路中有液壓油和馬達(dá)切換的容積腔是個(gè)盲腔，需要保持2 MPa左右的壓力，所需流量較小，不會(huì)對(duì)控制活塞造成長時(shí)間的影響。(5)FD分流閥開啟時(shí)，需要一個(gè)開啟壓力克服彈簧阻力，從而打開FD分流閥實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制分流的目的，且只需保持住壓力即可。

考慮到采摘機(jī)會(huì)出現(xiàn)打滑工況，本文作者特地針對(duì)打滑現(xiàn)象的2種工況進(jìn)行仿真：(1)左前輪單輪打滑工況；(2)左側(cè)雙輪同時(shí)打滑工況。液壓仿真模型如圖3所示。

圖3 液壓仿真模型

主要參數(shù)設(shè)置：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min。主泵：排量71 mL/r，機(jī)械效率98%，容積效率92%。補(bǔ)油泵排量19.6 mL/r。車輪負(fù)載：大排量正常工況下輸入扭矩1 005 N·m，車輪打滑輸入扭矩0 N·m。帶保壓的沖洗閥開啟壓力2 MPa。輪式馬達(dá)：排量376 mL/r，機(jī)械效率95%，容積效率85%。高壓溢流閥開啟壓力30 MPa；低壓溢流閥開啟壓力2.5 MPa；FD分流閥：開啟信號(hào)60。

2.3.1 任意單輪打滑工況

仿真工況說明：0～2 s，左前輪發(fā)生打滑現(xiàn)象；2～6 s，開啟前側(cè)FD分流閥，前側(cè)雙輪強(qiáng)制分流；6～10 s，車身恢復(fù)正常，關(guān)閉前側(cè)FD分流閥。

結(jié)果分析：由圖4可知，在0～2 s內(nèi)，左前輪馬達(dá)發(fā)生打滑現(xiàn)象，不受負(fù)載，因此會(huì)導(dǎo)致A4VG71泵的流量大量分給左前輪馬達(dá)，從而左前輪會(huì)高速旋轉(zhuǎn)；2～6 s內(nèi)，打開前側(cè)的FD分流閥，前側(cè)馬達(dá)分得的總流量變小，從而左前輪轉(zhuǎn)速下降，后側(cè)馬達(dá)得到流量，且可以正常輸出轉(zhuǎn)矩，來幫助車輛脫離打滑狀態(tài)；6～10 s，車輛已經(jīng)脫離打滑狀態(tài)，關(guān)閉前側(cè)分流閥，四輪轉(zhuǎn)速基本一致，采摘機(jī)可正常行駛。由于FD分流閥有5%～10%的分流誤差允許值，因此采摘機(jī)輪子的轉(zhuǎn)速會(huì)有微小的差異。

圖4 左前輪打滑工況

2.3.2 左側(cè)雙輪同時(shí)打滑

仿真工況說明：0～2 s，左側(cè)雙輪發(fā)生打滑；2～6 s，開啟前側(cè)和后側(cè)FD分流閥；6～10 s，車身恢復(fù)正常，關(guān)閉前側(cè)和后側(cè)FD分流閥。

結(jié)果分析：由圖5可知，在0～2 s內(nèi)發(fā)生左側(cè)雙輪打滑現(xiàn)象，左側(cè)雙輪分得大部分流量，從而左側(cè)雙輪高速旋轉(zhuǎn)；2～6 s內(nèi)，開啟前側(cè)和后側(cè)FD分流閥，四輪流量基本均分，右側(cè)雙輪可以正常輸出扭矩，從而幫助車輛脫離打滑狀態(tài)；6～10 s，車身已經(jīng)脫離打滑狀態(tài)，關(guān)閉前側(cè)和后側(cè)FD分流閥，而后四輪轉(zhuǎn)速基本相同，可正常行駛。

圖5 左側(cè)雙打滑工況

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)一套自走式藍(lán)莓采摘機(jī)的行走液壓系統(tǒng)，通過計(jì)算選型，選取雙排量馬達(dá)和變量泵等主要元件；建立了AMESim的仿真模型，模擬了左前輪打滑和左側(cè)雙輪打滑的工況；仿真結(jié)果說明，整機(jī)符合防打滑的要求。

藍(lán)莓采摘機(jī)行走液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和防打滑工況的仿真，對(duì)藍(lán)莓及其他采摘機(jī)的行走液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種方案，有一定的參考意義。