自走式藍莓采摘機行走液壓系統的設計與仿真

李健，張皓瑜，郭艷玲，王揚威，李志鵬

(1.東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040；2.東北林業大學交通學院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 前言

藍莓又名地果，有“黃金漿果”之稱，藍莓葉能制茶，根可入藥，用途廣泛，其果實的花青素含量居于所有果蔬首位[1-5]。隨著藍莓的功效被人們發掘出來，國內藍莓種植的面積在持續增大，包括黑龍江、吉林、江蘇、山東等省份都在種植培育[6]。隨著國內對藍莓采摘技術和理論的研究與引進，機械化藍莓采摘逐步興起，吳立國和郭艷玲[7]設計了GYL062型牽引振動式藍莓采摘機，通過液壓系統實現轉向、采摘、升降、收集等功能。鮑玉冬等[6]設計了一款自走式藍莓采收機，實現了行走、轉向、采摘、收集、升降等功能。

隨著液壓技術在自走式采摘機械上的廣泛應用，杜冬冬等[8]設計了一款自走式甘藍收獲機，配置專用動力底盤。崔中凱等[9]設計了4YZP-4X自走式玉米收獲機的靜液壓驅動底盤。韓余等人[10]設計了雙向變量泵與定量馬達組成的閉式容積調速回路，作為自走式采茶機的行駛系統。

本文作者基于國內藍莓采摘的工況[6]和采摘機防打滑工況的考慮，設計了一款采摘機行走液壓系統，對主要液壓元件進行選型，介紹系統原理，采用AMESim軟件仿真了2種打滑工況，為藍莓采摘機械行走液壓系統的設計提供參考。

1 采摘機結構參數和整機工作原理

1.1 自走式藍莓采摘機主要參數

自走式藍莓采摘機主要參數如下：(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 結構及原理介紹

采摘機結構如圖1所示，主要由發動機、變量泵、車架、升降缸、轉向缸和采摘齒梳等部件組成。該機的4個輪式馬達可以在變量泵的控制下完成前進、停止、后退等功能。車身四周有4個升降缸，可同時進行升降，從而調整車身高度。車身上側有2個轉向缸，可以同時推動兩側的轉向柱完成轉向功能。采摘齒梳馬達通過帶動桿機構來帶動采摘齒梳擺動，從而敲打藍莓樹枝。藍莓落到接果板上，而后掉落到輸送帶上，輸送帶在輸送馬達的帶動下，將藍莓向采摘機后方運輸，掉落到藍莓收集箱中。

圖1 采摘機結構示意

1.3 工作流程

采摘機主要按照下述步驟進行工作：

(1)啟動發動機，解除輪式馬達中的制動活塞。

(2)輪式馬達切換為小排量，采摘機開往果園。

(3)4個升降缸同時動作，調整升降缸的高度，行走馬達切換為大排量，車體中心與采摘中心對齊。

(4)打開1個采摘齒梳馬達和2個輸送馬達。

(5)采摘機進行采摘作業，完成一行采摘。

(6)左、右轉向缸動作，車體完成轉向。

(7)繼續采摘，重復步驟(3)、(5)、(6)。

(8)關閉采摘齒梳馬達和輸送帶馬達，采摘機高度恢復初始位置，輪式馬達切換為小排量。

(9)到達廠房，關閉發動機。

2 行走液壓系統設計

2.1 行走馬達的選取

采摘機行走在道路上，必須克服行駛阻力，行駛阻力又分滾動阻力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。為保證行走馬達在采摘過程中的安全性，驅動力不僅需要大于行駛阻力，而且還要不超過采摘機的附著力。

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為滾動阻力系數，取0.035；W為采摘機總重力，取19 600 N；α為坡度角，取25°；φ為附著系數，取0.7。

計算可得，最大行駛阻力∑F=9 429.547 N，Fφ=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算指標，為簡單計算，設4個輪子的負載一樣，可得單輪所受扭矩：

(5)

式中：R為車輪的靜力學半徑，為0.405 m。

計算得液壓馬達所需扭矩為954.742 N·m，考慮到機械效率，可得馬達的實際輸出扭矩：

(6)

式中：ηm為液壓馬達機械效率，取0.95。

可得馬達實際輸出扭矩為1 004.991 N·m。從而可以得到行走馬達的排量：

(7)

式中：Δp為馬達進出口壓差，取18 MPa 。

計算得馬達的排量為350.630 mL/r，選取南京恒通廠家排量為376 mL/r的雙排量馬達。

2.2 確定泵的型號

行走共有4個相同的輪式馬達，液壓系統為閉式系統，不考慮泄漏的情況下，泵的全部流量會進入輪式馬達中，而后返回泵的回油口，因此計算4個輪式馬達的流量q1和泵的排量Vp：

(8)

(9)

式中：V為馬達排量,取376 mL/r；n為馬達工作轉速，取50 r/min；ηv為馬達的容積效率，取0.85；ηvp為變量泵的容積效率，取0.92；n1為泵的轉速，取1 400 r/min。計算得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，內置補油泵排量為19.6 mL/r。

2.3 行走液壓系統的工作原理

行走系統液壓原理如圖2所示，工作原理為：發動機給變量泵1的主泵和補油泵供油，主泵將流量分別供給前側和后側FD分流閥(元件4，7)，而后液壓油到達4個輪式馬達(元件5，6，9，10)中去，而后大部分液壓油回到主泵的回油口，少部分進入到帶保壓的沖洗閥2中回到油箱。

圖2 行走系統液壓原理

補油泵的作用：(1)提供流量用來補充閉式回路的泄漏和進行熱交換。(2)用來給控制活塞供油[12]，從而達到改變排量的目的。(3)將液壓油注入到4個輪式馬達中的制動活塞中，由于制動活塞的開啟壓力在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。(4)將液壓油通過排量切換閥注入到輪式馬達中。排量切換的原理是馬達內部有一個可移動閥芯，當液壓油推動閥芯的時候，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切換的容積腔是個盲腔，需要保持2 MPa左右的壓力，所需流量較小，不會對控制活塞造成長時間的影響。(5)FD分流閥開啟時，需要一個開啟壓力克服彈簧阻力，從而打開FD分流閥實現強制分流的目的，且只需保持住壓力即可。

考慮到采摘機會出現打滑工況，本文作者特地針對打滑現象的2種工況進行仿真：(1)左前輪單輪打滑工況；(2)左側雙輪同時打滑工況。液壓仿真模型如圖3所示。

圖3 液壓仿真模型

主要參數設置：柴油機轉速1 400 r/min。主泵：排量71 mL/r，機械效率98%，容積效率92%。補油泵排量19.6 mL/r。車輪負載：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：排量376 mL/r，機械效率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，左前輪發生打滑現象；2～6 s，開啟前側FD分流閥，前側雙輪強制分流；6～10 s，車身恢復正常，關閉前側FD分流閥。

結果分析：由圖4可知，在0～2 s內，左前輪馬達發生打滑現象，不受負載，因此會導致A4VG71泵的流量大量分給左前輪馬達，從而左前輪會高速旋轉；2～6 s內，打開前側的FD分流閥，前側馬達分得的總流量變小，從而左前輪轉速下降，后側馬達得到流量，且可以正常輸出轉矩，來幫助車輛脫離打滑狀態；6～10 s，車輛已經脫離打滑狀態，關閉前側分流閥，四輪轉速基本一致，采摘機可正常行駛。由于FD分流閥有5%～10%的分流誤差允許值，因此采摘機輪子的轉速會有微小的差異。

圖4 左前輪打滑工況

2.3.2 左側雙輪同時打滑

仿真工況說明：0～2 s，左側雙輪發生打滑；2～6 s，開啟前側和后側FD分流閥；6～10 s，車身恢復正常，關閉前側和后側FD分流閥。

結果分析：由圖5可知，在0～2 s內發生左側雙輪打滑現象，左側雙輪分得大部分流量，從而左側雙輪高速旋轉；2～6 s內，開啟前側和后側FD分流閥，四輪流量基本均分，右側雙輪可以正常輸出扭矩，從而幫助車輛脫離打滑狀態；6～10 s，車身已經脫離打滑狀態，關閉前側和后側FD分流閥，而后四輪轉速基本相同，可正常行駛。

圖5 左側雙打滑工況

4 結論

設計一套自走式藍莓采摘機的行走液壓系統，通過計算選型，選取雙排量馬達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雙輪打滑的工況；仿真結果說明，整機符合防打滑的要求。

藍莓采摘機行走液壓系統的設計和防打滑工況的仿真，對藍莓及其他采摘機的行走液壓系統設計提供了一種方案，有一定的參考意義。