基于AMESim的樹木移栽機負載敏感系統仿真研究

李志鵬，劉 洋，張劍琦

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

隨著城市現代化的飛速發展，人們對其賴以生存環境的保護意識也隨之增強，在暴露出來的生態環境矛盾面前，著力建設生態園林，大力加強城鄉綠化，建設和諧友好的人居生態環境迫在眉睫、勢在必行。

在城市綠化建設工程中，會涉及到成品樹苗栽種、多年老樹移栽、更新樹木品種等作業，傳統的移栽樹木的技術是全人工操作，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。如此的人工作業過程耗時耗力，人力勞動強度大，工作效率低，樹木移栽周期長，這些都直接影響被移栽的樹木成活率[1]。采用自動化、機械化和智能化作業可將功效提高幾十倍，幾百倍不止。因此，研制開發創新樹木移栽機具有十分重要的現實意義，產品的應用與推廣具有不可限量的空間。

本文對于樹木移栽機整體結構的新型設計理念，以及機械控制技術，末端執行機構部分組件等方面不做過多研究，而是將重點放在液壓動力系統部分的設計與分析，使得移栽過程人力、物力、資源都為最低消耗。文中還應用AMESim仿真系統對樹木移栽機工作過程中阻力所引發的問題，進行了建模和仿真分析。

1 樹木移栽機液壓系統工作原理

1.1 樹木移摘機的工作特點

樹木移摘機挖掘帶根樹木是在各有關部件和裝置協同動作下完成的。如圖1所示已說明樹木移摘機的工作過程。

圖1 樹木移栽機

1.2 樹木移摘機的操作步驟

將樹木移栽機行至要移栽樹木旁，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，并用鎖環鎖定樹木位置[2]。挖樹機構是由四個鏟刀協同工作，這個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 樹木移栽機的工作條件

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

1.4 樹木移栽機的鏟刀阻力

采用土壤——機械系統力學中常用的半經驗法[2]，以相似理論為基礎模型試驗建立并計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，分自然狀態下的容重和松散狀態下的容重；C為土壤內聚力，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，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)。

根據上述計算公式可以看出，樹木移栽機必須將阻力問題攻克，這樣才能使移栽機在不同土壤環境，不同濕度環境，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，達到最好的挖掘效果。由于各個樹木所處環境不同，挖掘時鏟刀所受阻力大小也不同，應用負載敏感液壓系統可以有效的解決壓力變化問題，使得樹木的移栽過程不會其受影響。

2 負載敏感系統

負載敏感壓力補償液壓系統是一種新型的液壓控制方式，它是具有壓力反饋的閉環系統，在流量指示條件下實現泵對負載壓力的隨動控制。負載敏感系統的突出特點是可以根據負載的大小隨時調節油泵的流量，也就是說此系統可以達到動力元件和執行結構的功率相適應的需求，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，這也突出了負載敏感系統的節能省力的優點。由此，負載敏感壓力補償液壓系統成為當今頗受重視的、目前已經廣泛應用于包括液壓挖掘機在內的各種工程機械和農業機械上的一種液壓系統控制方式。

負載敏感技術是一種新型高效的技術，當負載所需的壓力和流量與泵源的壓力流量相適應時，系統可以最大限度提高工作效率以達到預期的最佳效果。在提高系統工作時的功率利用效率方面需注意以下兩個方面，一是負載所需的壓力要與泵源的輸出壓力相適應，二是泵源的輸出流量恰好與負載驅動速度的需求相匹配，工作原理如圖2所示。

圖2 負載敏感系統工作原理

該回路的控制部分是由負載敏感變量泵1、負載變量缸敏感腔3、卸載調壓的恒壓閥4和反饋信號的Ls閥5組成。其中調節節流閥6來使得Ls閥5壓力與設定值有一定的偏差，產生Ls閥的壓力差等于彈簧的預緊力，其通過的流量根據伯努利方程為[3]

(2)

(3)

式中：Q為流過流量孔的流量，m3/s；K為常數；A為節流孔開口面積，m3；Δp為節流孔前后的壓力差，Pa；a為流量系數；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載變化的影響，而只與節流口的開口面積A有關。

無工作狀態下Ls閥5的受力平衡方程為：

(ps-pL)A=FS。

(4)

式中：A為Ls閥閥芯面積；FS為閥芯作用力。

當閥6關閉時，負載處于停止工作，系統處于準備進入工作狀態。此時的泵出口壓力Ps為閥5彈簧設定壓力，一般在1.4MPa左右，此時泵的功率接近于“零流量卸荷”的理想狀態，功率消耗幾乎為零[4]。

當系統處于過載或者保壓狀態時，系統無需或無法推動執行元件動作。此時，閥5由于彈簧壓力一直處于右位，泵的Ps處壓力逐漸上升，直到大于恒壓閥設定壓力，推動恒壓閥左位，油液通過閥4進入變量缸3，使泵的流量減小到維持系統本身控制和泄漏的消耗供應，達到“零流量”的狀態，斜盤角近零偏角，泵的功耗最小[6]。

當閥6的開度變大或者變小時，系統處于自適應狀態。當開度變大時，系統的負載增大，此時壓差Δp=pS-pL減小，使得閥5處于右位，變量缸3的油液經過閥5流回油箱，因此泵斜盤產生扭矩差，推動斜盤角增大，使得泵的流量增大，直到與負載所需達到均衡。相對應的，當節流閥6開度變小時，泵的輸出流量大于負載所需流量，使得油液通過Ls閥5向右和恒壓閥4向左運動，流向敏感腔3，此時，泵的斜盤角減小，流量的需求也會變小[7]。

3 AMESim簡介與仿真模型

AMESim全稱為Advanced Environment for Performing Simulations of Engineering Systems(高級工程系統仿真建模環境)，它是一款基于鍵合圖思想的液壓 / 機械高級建模仿真軟件，具有豐富的模型庫，用戶可以在AMESim平臺上研究任何元件或系統的穩態和動態性能，迄今己發展到10.0版本[8]。

對液壓系統進行仿真研究，目前常用的建模方法主要有解析法建模、液壓及其數學模型、狀態空間法建模和鍵合圖法建模[9-14]。本文應用基于功率鍵合圖的AMESim軟件進行建模仿真。如圖3所示為負載敏感系統工作原理的仿真圖。

圖3 負載敏感特性測試系統模型

為驗證模型建立的正確性及進行后續的仿真研究和動態特性分析，AMESim環境中，圖3模型是在建立一個負載敏感的測試回路，其中由比例溢流閥調節負載壓力模擬外負載變化，節流閥模擬外負載的流量需求，溢流閥的輸入信號變化及節流閥開度的大小由控制庫中的信號發生器給出。對負載敏感系統做了一定的簡化，忽略了泵、電機和液壓油的摩擦阻力[8]。

設置參數是AMESim中比較重要的步驟之一，負載敏感特性測試系統模型的部分參數設定見表1。

表1 系統模型的參數設定

4 仿真與結果分析

首先驗證模型靜態的特性曲線，選定的負載壓力范圍在0～30MPa，仿真時間設置為1s，采樣時間為0.001s。仿真結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驗證模型流量與壓力的曲線中，在節流閥全開的情況下，可以看出樣本曲線在壓力增大時，流量有個細微下降的過程，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該是一條平行直線，但是實際操作中由于恒壓閥的摩擦力、黏性阻力等因素的影響，才會造成圖4的結果。

同時，驗證Ls閥的正確性，分別調節溢流閥的模擬負載壓力為0MPa、5MPa、10MPa、15MPa、20MPa，看節流閥開度開到最大時，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，當泵能足夠流量的情況下，無論如何調節模擬負載以及節流閥開度的大小，泵的出口壓力與節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閥的壓差設定值有關，與外界流量需求和負載變化無關。所以，負載敏感系統應用在移栽機上的設想，可以忽略阻力的因素。

5 結束語

通過對樹木移栽機的認識與了解，結合液壓技術的相關知識，對其在不同環境下，系統提供壓力也是不同的這一論斷，提出了在樹木移栽機液壓系統中應用負載敏感系統的課題，來解決實際操作過程中存在的問題。經過仿真分析與證明充分的展示了樹木移栽機應用負載敏感系統的必要性，當外界負載的需求變大時，無需手動調節，依靠負載敏感系統就可以順利的完成各項工作，這同時也解決了壓力與外界負載變化無關的課題。

【參 考 文 獻】

[1]李耀建.“大樹進城”的問題與對策[J].浙江樹人大學學報，2003，3(1)：75-78.

[2]武 科，陳永成，畢新生.幾種典型的移栽機[J].新疆農機化，2009(3)：12-14.

[3]黃忠華，張明霞，錢雪強，等.基于AMESim的新型液壓抽油機系統仿真[J].液壓氣動與密封，2013(1)：41-43.

[4]周 杰.樹木移栽機機械結構設計與有限元分析[D].哈爾濱：東北林業大學，2013.

[5]李永旭.液壓挖掘機工作裝置與液壓系統設計的研究[D].上海：同濟大學，2006.

[6]吳正明，史青錄，白鵬偉，等.基于AMESim負載敏感系統的仿真分析[J].工程機械，2013(44)：38-41.

[7]金勝秋.基于AMESim的液壓同步閥的仿真分析及結構研究[D].長春：吉林大學，2009.

[8]劉海麗.基于AMESim的液壓系統建模與仿真技術研究[D].西安：西北工業大學，2006.

[9]周 杰.模型參考自適應電液位置伺服系統仿真[J].森林工程，2013，29(2)：68-73.

[10]楊紅義，潘 靜，楊紅梅.基于ANSYS圓鋸片動態性能研究[J].林業機械與木工設備，2010，38(4)：24-26.

[11]劉鳳波.基于Pro/E與ANSYS的小型電動汽車驅動橋殼設計[J].林業機械與木工設備，2010，38(5)：41-43.

[12]周兆兵，曹平祥.基于Pro/E和ANSYS的木工銑削刀具用液壓夾緊軸套薄壁結構的設計[J].林業機械與木工設備，2010，38(9)：42-44.

[13]戰 麗，宮乙帥，王毅亮.基于ANSYS的林間鋸段機進料凸輪機構設計[J].林業機械與木工設備，2012，40(4)：41-44.

[14]馮 剛，江峰.負載感應系統原理發展與應用研究[J].煤礦機械，2003(9)：27-29.