树莓采摘机的液压行走驱动系统的设计与仿真

郑跃鹏

（1.中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

世界上公认的第一台采用静液压行走驱动系统的车辆是1954年由英国国立农业工程研究所研制的液压驱动农业拖拉机[1]，推动了静液压驱动技术在车辆驱动系统的发展，目前静液压行走驱动系统多用在工程机械如运梁车、 装载车、海底车， 其他领域也在进行液压驱动系统的研究，但国内在农用设备上的应用研究一直停滞不前。

由于树莓的种植和采摘特点，其传统驱动方式难以满足采摘要求，考虑静液压行走驱动系统的特点，运用到采摘机上具有一定的可行性。

1 采摘机静液压行走驱动系统的设计

1.1 静液压驱动系统

目前行走驱动系统主要有四种方式：机械驱动、液力驱动、电力驱动和静液压驱动。

静液压驱动系统主要由液压泵、液压马达和压力调节阀、流量调节阀等元件组成，基本的工作原理是：发动机直接带动齿轮泵，将机械能转化为液压能，高压油经管路和控制阀等传输到液压马达， 液压马达克服负载转矩达到所需的转速，再将液压能转化为机械能。 采用闭式回路系统构成的静液压驱动系统具有功率体积比大，结构较为紧凑，空气接触机会较少，但是油液的散热和过滤条件较差。 采用容积调速回路，无极调速范围大，与发动机功率匹配简便；输出转速和转矩可以在一定范围内与发动机转速进行无关的调节；液压转矩大，且利用系统自身实现制动。

1.2 静液压驱动系统的设计

静液压行走驱动系统按马达转速分为低速、中速、高速液压马达驱动三种情形。 低速液压马达直接驱动， 低速马达驱动具有安装空间小，可灵活布置，功率损失小，马达输出的转矩要与负载转矩相匹配，且驱动轮的径向、轴向载荷直接作用于液压马达上，对马达要求较高等特点。 中速液压马达（300～1000 r/min）经减速机构驱动,具有大扭矩、高转速等特点，但是工程应用比较少。高速液压马达（2000～3000 r/min）经行星轮系减速机构驱动，高速马达具有可高速启动，对马达要求较低，但比低速马达方案结构复杂，成本高。

静液压行走驱动系统按容积调速方式分为流量耦合一次调节和一、二次联合调节[2]，流量耦合一次调节包括“定量泵-变量马达”、“变量泵-定量马达”；流量一、二次联合调节是“变量泵-变量马达”。 “定量泵-变量马达” 具有流量损失严重，系统效率低、不能反向转动等特点，液压马达的转速与其排量成反比， 转矩与排量成正比，当负载转矩恒定时，回路的工作压力和马达输出功率都不随调速发生变化， 称为恒功率调速回路；“变量泵-定量马达”具有调节方式简单，调速范围较大等特点，液压马达的输出转矩和变量泵的调节参数无关， 仅与液压马达的进出口压差有关，又称为恒转矩调速回路；“变量泵-变量马达”具有传动效率高、液压系统简单、调速范围大等特点，是一个双输入单输出的双变量耦合本质非线性液压系统。

静液压行走驱动系统既可以是双泵双回路系统，也可以是单泵单回路系统。 此液压行走驱动系统采用单泵单回路的形式，节约成本，提高经济性。

行走液压泵采用比例电磁铁控制的闭式变量液压泵，可实现变量泵排量的无极调节。

1.3 静液压驱动系统的主要元件选型

1.3.1 马达选型

对于树莓采摘机驱动马达的选型计算，本文选择由萨奥公司提出的角功率法[3]，角功率

式中 Pj——树莓采摘机的总角功率，kW

Tmax——驱动轮的最大输出扭矩，N·m

nmax——驱动轮的最高转速，r/min

Fmax——最大牵引力，N

vmax——最大理论速度，km/h

由树莓采摘机总角功率计算满足要求的马达角功率

式中 Pmj——马达角功率，kW

z——马达数量，取z=2

ηm——马达的传动效率，取ηm=0.95

由马达的角功率公式可以计算得到马达排量的最小规格，马达排量规格根据下式确定

式中 Vmmax——马达排量，mL/r

nmmax——马达最大转速，r/min

Pmax——液压系统最高压力，MPa

查阅样本， 并参考相似车辆的设计经验后，液压系统的最高压力为32 MPa。

1.3.2 驱动液压泵选型

驱动液压泵选型的依据是能满足马达所需的流量， 根据马达的流量计算出液压泵的排量，本文的液压泵和液压马达的容积效率取0.95，液压泵和发动机直接连接，即泵的转速和发动机相等[4]，则

式中 Vpmax——液压泵的最大排量，mL/r

Vmmax——马达排量，mL/r

nmmax——马达最大转速，r/min

neh——发动机转速，r/min

z——马达数量，取z=2

通过选择与计算，得到该采摘机驱动系统的主要参数，见表1。

表1 驱动系统的主要参数

2 液压驱动系统的建模与仿真

图1 中，液压马达7 和另一个液压马达采用并联方式[5]，由于系统压力是由两个驱动轮中负荷最小的车轮的阻力所决定的，如果不改变驱动马达的输出转矩，那么每一个驱动轮上的驱动力都是一样的，采摘机的行走将会因为驱动轮的不同步而失控，根据分流集流阀10 的工作原理，把流量平均分配给液压马达的同时，会根据不同的行驶路面提供给驱动轮不同的驱动力，能使左右两侧轮胎同步，有利于直线行驶；但是当一侧车轮发生打滑时，此侧的液压马达流量变大而压力降低，由于并联的缘故，另一侧的压力也会降低，导致两侧轮胎都没有足够的转矩使车辆脱困。利用液阻原理， 在液压马达之间连接一个节流阀6，当两侧轮胎阻力不相同时，两侧压力会发生变化，节流阀两侧产生压差，节流阀开始工作，向压力低的一侧输送流量，而压力高的一侧，由于流量的减少，总功率不变，压力会随之增高，转矩变大，利于车辆脱困[6]。

图1 液压行走驱动系统原理图

液压行走驱动系统控制原理见图2， 基于AMESim 的液压系统模型见图3。

图2 液压行走驱动系统控制原理图

图3 基于AMESim 的液压系统模型

车辆转弯时，内外侧轮胎受力不同，内侧受到的侧向阻力大于外侧，所以内侧滚动阻力大于外侧，作用到液压上，内侧压力大于外侧，节流阀开始工作，流量由内侧向外侧流动，外侧流量增加，转速变快，实现差速。

车辆制动时，由补油泵提高动力，在补油泵通向制动系的回路中，加装电磁阀，当电磁阀收到信号后，驱动刹车系统，完成制动[7]。

3 结论

运用AMESim 软件对该树莓采摘机的液压行走系统进行建模和仿真分析，直线行驶时车轮的转速见图4，转向时内外侧车轮的转速见图5。结果表明该系统能够基本满足实际的采摘需要。本次设计采用了全液压行走驱动系统，省去了传统机械传动系统中的驱动桥和变速箱，方便进行总体布局，使树莓采摘真正实现机械化采摘。

图4 直线行驶时车轮的转速

图5 转向时内外侧车轮的转速