自走式蓝莓采摘机行走液压系统的设计与仿真

2022-12-29李健张皓瑜郭艳玲王扬威李志鹏

机床与液压 2022年23期

李健，张皓瑜，郭艳玲，王扬威，李志鹏

(1.东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040；2.东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 前言

蓝莓又名地果，有“黄金浆果”之称，蓝莓叶能制茶，根可入药，用途广泛，其果实的花青素含量居于所有果蔬首位[1-5]。随着蓝莓的功效被人们发掘出来，国内蓝莓种植的面积在持续增大，包括黑龙江、吉林、江苏、山东等省份都在种植培育[6]。随着国内对蓝莓采摘技术和理论的研究与引进，机械化蓝莓采摘逐步兴起，吴立国和郭艳玲[7]设计了GYL062型牵引振动式蓝莓采摘机，通过液压系统实现转向、采摘、升降、收集等功能。鲍玉冬等[6]设计了一款自走式蓝莓采收机，实现了行走、转向、采摘、收集、升降等功能。

随着液压技术在自走式采摘机械上的广泛应用，杜冬冬等[8]设计了一款自走式甘蓝收获机，配置专用动力底盘。崔中凯等[9]设计了4YZP-4X自走式玉米收获机的静液压驱动底盘。韩余等人[10]设计了双向变量泵与定量马达组成的闭式容积调速回路，作为自走式采茶机的行驶系统。

本文作者基于国内蓝莓采摘的工况[6]和采摘机防打滑工况的考虑，设计了一款采摘机行走液压系统，对主要液压元件进行选型，介绍系统原理，采用AMESim软件仿真了2种打滑工况，为蓝莓采摘机械行走液压系统的设计提供参考。

1 采摘机结构参数和整机工作原理

1.1 自走式蓝莓采摘机主要参数

自走式蓝莓采摘机主要参数如下：(1)外形尺寸(长×宽×高)：4 500 mm×2 800 mm×3 200 mm；(2)裸车重力16 000 N；(3)载重3 600 N；(4)轴距2 600 mm；(5)轮距2 500 mm；(6)最小转弯半径3 800 mm；(7)最大通过果树高度2 200 mm；(8)行驶速度：采摘工况下为0～3 km/h，行走工况下为0～15 km/h；(9)升降高度范围0～500 mm。

1.2 结构及原理介绍

采摘机结构如图1所示，主要由发动机、变量泵、车架、升降缸、转向缸和采摘齿梳等部件组成。该机的4个轮式马达可以在变量泵的控制下完成前进、停止、后退等功能。车身四周有4个升降缸，可同时进行升降，从而调整车身高度。车身上侧有2个转向缸，可以同时推动两侧的转向柱完成转向功能。采摘齿梳马达通过带动杆机构来带动采摘齿梳摆动，从而敲打蓝莓树枝。蓝莓落到接果板上，而后掉落到输送带上，输送带在输送马达的带动下，将蓝莓向采摘机后方运输，掉落到蓝莓收集箱中。

图1 采摘机结构示意

1.3 工作流程

采摘机主要按照下述步骤进行工作：

(1)启动发动机，解除轮式马达中的制动活塞。

(2)轮式马达切换为小排量，采摘机开往果园。

(3)4个升降缸同时动作，调整升降缸的高度，行走马达切换为大排量，车体中心与采摘中心对齐。

(4)打开1个采摘齿梳马达和2个输送马达。

(5)采摘机进行采摘作业，完成一行采摘。

(6)左、右转向缸动作，车体完成转向。

(7)继续采摘，重复步骤(3)、(5)、(6)。

(8)关闭采摘齿梳马达和输送带马达，采摘机高度恢复初始位置，轮式马达切换为小排量。

(9)到达厂房，关闭发动机。

2 行走液压系统设计

2.1 行走马达的选取

采摘机行走在道路上，必须克服行驶阻力，行驶阻力又分滚动阻力Ff、空气阻力Fw、加速阻力Fj、坡度阻力Fi[11]。

考虑到最大行驶阻力出现在低速上坡的过程中，故忽略空气和加速度阻力。为保证行走马达在采摘过程中的安全性，驱动力不仅需要大于行驶阻力，而且还要不超过采摘机的附着力。

所以最大行驶阻力∑F和附着力Fφ为

∑F=Ff·sinα+Fi

(1)

Ff=fW

(2)

Fi=tanα·W

(3)

Fφ=φW

(4)

式中：f为滚动阻力系数，取0.035；W为采摘机总重力，取19 600 N；α为坡度角，取25°；φ为附着系数，取0.7。

计算可得，最大行驶阻力∑F=9 429.547 N，Fφ=13 720 N。附着力大于行驶阻力，保证车辆有足够的抓地力。

选取最大行驶阻力为计算指标，为简单计算，设4个轮子的负载一样，可得单轮所受扭矩：

(5)

式中：R为车轮的静力学半径，为0.405 m。

计算得液压马达所需扭矩为954.742 N·m，考虑到机械效率，可得马达的实际输出扭矩：

(6)

式中：ηm为液压马达机械效率，取0.95。

可得马达实际输出扭矩为1 004.991 N·m。从而可以得到行走马达的排量：

(7)

式中：Δp为马达进出口压差，取18 MPa 。

计算得马达的排量为350.630 mL/r，选取南京恒通厂家排量为376 mL/r的双排量马达。

2.2 确定泵的型号

行走共有4个相同的轮式马达，液压系统为闭式系统，不考虑泄漏的情况下，泵的全部流量会进入轮式马达中，而后返回泵的回油口，因此计算4个轮式马达的流量q1和泵的排量Vp：

(8)

(9)

式中：V为马达排量,取376 mL/r；n为马达工作转速，取50 r/min；ηv为马达的容积效率，取0.85；ηvp为变量泵的容积效率，取0.92；n1为泵的转速，取1 400 r/min。计算得q1=88.471 L/min，Vp=68.688 mL/r。

考虑到泄漏，因此选取力士乐A4VG系列主泵排量为71 mL/r，内置补油泵排量为19.6 mL/r。

2.3 行走液压系统的工作原理

行走系统液压原理如图2所示，工作原理为：发动机给变量泵1的主泵和补油泵供油，主泵将流量分别供给前侧和后侧FD分流阀(元件4，7)，而后液压油到达4个轮式马达(元件5，6，9，10)中去，而后大部分液压油回到主泵的回油口，少部分进入到带保压的冲洗阀2中回到油箱。

图2 行走系统液压原理

补油泵的作用：(1)提供流量用来补充闭式回路的泄漏和进行热交换。(2)用来给控制活塞供油[12]，从而达到改变排量的目的。(3)将液压油注入到4个轮式马达中的制动活塞中，由于制动活塞的开启压力在1.5～2 MPa左右，需要一直保持住此压力，且需要流量较小，即可完成车辆的解除制动。(4)将液压油通过排量切换阀注入到轮式马达中。排量切换的原理是马达内部有一个可移动阀芯，当液压油推动阀芯的时候，就由大排量切换成小排量，也是由于管路中有液压油和马达切换的容积腔是个盲腔，需要保持2 MPa左右的压力，所需流量较小，不会对控制活塞造成长时间的影响。(5)FD分流阀开启时，需要一个开启压力克服弹簧阻力，从而打开FD分流阀实现强制分流的目的，且只需保持住压力即可。

考虑到采摘机会出现打滑工况，本文作者特地针对打滑现象的2种工况进行仿真：(1)左前轮单轮打滑工况；(2)左侧双轮同时打滑工况。液压仿真模型如图3所示。

图3 液压仿真模型

主要参数设置：柴油机转速1 400 r/min。主泵：排量71 mL/r，机械效率98%，容积效率92%。补油泵排量19.6 mL/r。车轮负载：大排量正常工况下输入扭矩1 005 N·m，车轮打滑输入扭矩0 N·m。带保压的冲洗阀开启压力2 MPa。轮式马达：排量376 mL/r，机械效率95%，容积效率85%。高压溢流阀开启压力30 MPa；低压溢流阀开启压力2.5 MPa；FD分流阀：开启信号60。

2.3.1 任意单轮打滑工况

仿真工况说明：0～2 s，左前轮发生打滑现象；2～6 s，开启前侧FD分流阀，前侧双轮强制分流；6～10 s，车身恢复正常，关闭前侧FD分流阀。

结果分析：由图4可知，在0～2 s内，左前轮马达发生打滑现象，不受负载，因此会导致A4VG71泵的流量大量分给左前轮马达，从而左前轮会高速旋转；2～6 s内，打开前侧的FD分流阀，前侧马达分得的总流量变小，从而左前轮转速下降，后侧马达得到流量，且可以正常输出转矩，来帮助车辆脱离打滑状态；6～10 s，车辆已经脱离打滑状态，关闭前侧分流阀，四轮转速基本一致，采摘机可正常行驶。由于FD分流阀有5%～10%的分流误差允许值，因此采摘机轮子的转速会有微小的差异。

图4 左前轮打滑工况

2.3.2 左侧双轮同时打滑

仿真工况说明：0～2 s，左侧双轮发生打滑；2～6 s，开启前侧和后侧FD分流阀；6～10 s，车身恢复正常，关闭前侧和后侧FD分流阀。

结果分析：由图5可知，在0～2 s内发生左侧双轮打滑现象，左侧双轮分得大部分流量，从而左侧双轮高速旋转；2～6 s内，开启前侧和后侧FD分流阀，四轮流量基本均分，右侧双轮可以正常输出扭矩，从而帮助车辆脱离打滑状态；6～10 s，车身已经脱离打滑状态，关闭前侧和后侧FD分流阀，而后四轮转速基本相同，可正常行驶。