鄭躍鵬

（1.中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

世界上公認的第一臺采用靜液壓行走驅動系統(tǒng)的車輛是1954年由英國國立農(nóng)業(yè)工程研究所研制的液壓驅動農(nóng)業(yè)拖拉機[1]，推動了靜液壓驅動技術在車輛驅動系統(tǒng)的發(fā)展，目前靜液壓行走驅動系統(tǒng)多用在工程機械如運梁車、 裝載車、海底車， 其他領域也在進行液壓驅動系統(tǒng)的研究，但國內(nèi)在農(nóng)用設備上的應用研究一直停滯不前。

由于樹莓的種植和采摘特點，其傳統(tǒng)驅動方式難以滿足采摘要求，考慮靜液壓行走驅動系統(tǒng)的特點，運用到采摘機上具有一定的可行性。

1 采摘機靜液壓行走驅動系統(tǒng)的設計

1.1 靜液壓驅動系統(tǒng)

目前行走驅動系統(tǒng)主要有四種方式：機械驅動、液力驅動、電力驅動和靜液壓驅動。

靜液壓驅動系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓馬達和壓力調(diào)節(jié)閥、流量調(diào)節(jié)閥等元件組成，基本的工作原理是：發(fā)動機直接帶動齒輪泵，將機械能轉化為液壓能，高壓油經(jīng)管路和控制閥等傳輸?shù)揭簤厚R達， 液壓馬達克服負載轉矩達到所需的轉速，再將液壓能轉化為機械能。 采用閉式回路系統(tǒng)構成的靜液壓驅動系統(tǒng)具有功率體積比大，結構較為緊湊，空氣接觸機會較少，但是油液的散熱和過濾條件較差。 采用容積調(diào)速回路，無極調(diào)速范圍大，與發(fā)動機功率匹配簡便；輸出轉速和轉矩可以在一定范圍內(nèi)與發(fā)動機轉速進行無關的調(diào)節(jié)；液壓轉矩大，且利用系統(tǒng)自身實現(xiàn)制動。

1.2 靜液壓驅動系統(tǒng)的設計

靜液壓行走驅動系統(tǒng)按馬達轉速分為低速、中速、高速液壓馬達驅動三種情形。 低速液壓馬達直接驅動， 低速馬達驅動具有安裝空間小，可靈活布置，功率損失小，馬達輸出的轉矩要與負載轉矩相匹配，且驅動輪的徑向、軸向載荷直接作用于液壓馬達上，對馬達要求較高等特點。 中速液壓馬達（300～1000 r/min）經(jīng)減速機構驅動,具有大扭矩、高轉速等特點，但是工程應用比較少。高速液壓馬達（2000～3000 r/min）經(jīng)行星輪系減速機構驅動，高速馬達具有可高速啟動，對馬達要求較低，但比低速馬達方案結構復雜，成本高。

靜液壓行走驅動系統(tǒng)按容積調(diào)速方式分為流量耦合一次調(diào)節(jié)和一、二次聯(lián)合調(diào)節(jié)[2]，流量耦合一次調(diào)節(jié)包括“定量泵-變量馬達”、“變量泵-定量馬達”；流量一、二次聯(lián)合調(diào)節(jié)是“變量泵-變量馬達”。 “定量泵-變量馬達” 具有流量損失嚴重，系統(tǒng)效率低、不能反向轉動等特點，液壓馬達的轉速與其排量成反比， 轉矩與排量成正比，當負載轉矩恒定時，回路的工作壓力和馬達輸出功率都不隨調(diào)速發(fā)生變化， 稱為恒功率調(diào)速回路；“變量泵-定量馬達”具有調(diào)節(jié)方式簡單，調(diào)速范圍較大等特點，液壓馬達的輸出轉矩和變量泵的調(diào)節(jié)參數(shù)無關， 僅與液壓馬達的進出口壓差有關，又稱為恒轉矩調(diào)速回路；“變量泵-變量馬達”具有傳動效率高、液壓系統(tǒng)簡單、調(diào)速范圍大等特點，是一個雙輸入單輸出的雙變量耦合本質(zhì)非線性液壓系統(tǒng)。

靜液壓行走驅動系統(tǒng)既可以是雙泵雙回路系統(tǒng)，也可以是單泵單回路系統(tǒng)。 此液壓行走驅動系統(tǒng)采用單泵單回路的形式，節(jié)約成本，提高經(jīng)濟性。

行走液壓泵采用比例電磁鐵控制的閉式變量液壓泵，可實現(xiàn)變量泵排量的無極調(diào)節(jié)。

1.3 靜液壓驅動系統(tǒng)的主要元件選型

1.3.1 馬達選型

對于樹莓采摘機驅動馬達的選型計算，本文選擇由薩奧公司提出的角功率法[3]，角功率

式中 Pj——樹莓采摘機的總角功率，kW

Tmax——驅動輪的最大輸出扭矩，N·m

nmax——驅動輪的最高轉速，r/min

Fmax——最大牽引力，N

vmax——最大理論速度，km/h

由樹莓采摘機總角功率計算滿足要求的馬達角功率

式中 Pmj——馬達角功率，kW

z——馬達數(shù)量，取z=2

ηm——馬達的傳動效率，取ηm=0.95

由馬達的角功率公式可以計算得到馬達排量的最小規(guī)格，馬達排量規(guī)格根據(jù)下式確定

式中 Vmmax——馬達排量，mL/r

nmmax——馬達最大轉速，r/min

Pmax——液壓系統(tǒng)最高壓力，MPa

查閱樣本， 并參考相似車輛的設計經(jīng)驗后，液壓系統(tǒng)的最高壓力為32 MPa。

1.3.2 驅動液壓泵選型

驅動液壓泵選型的依據(jù)是能滿足馬達所需的流量， 根據(jù)馬達的流量計算出液壓泵的排量，本文的液壓泵和液壓馬達的容積效率取0.95，液壓泵和發(fā)動機直接連接，即泵的轉速和發(fā)動機相等[4]，則

式中 Vpmax——液壓泵的最大排量，mL/r

Vmmax——馬達排量，mL/r

nmmax——馬達最大轉速，r/min

neh——發(fā)動機轉速，r/min

z——馬達數(shù)量，取z=2

通過選擇與計算，得到該采摘機驅動系統(tǒng)的主要參數(shù)，見表1。

表1 驅動系統(tǒng)的主要參數(shù)

2 液壓驅動系統(tǒng)的建模與仿真

圖1 中，液壓馬達7 和另一個液壓馬達采用并聯(lián)方式[5]，由于系統(tǒng)壓力是由兩個驅動輪中負荷最小的車輪的阻力所決定的，如果不改變驅動馬達的輸出轉矩，那么每一個驅動輪上的驅動力都是一樣的，采摘機的行走將會因為驅動輪的不同步而失控，根據(jù)分流集流閥10 的工作原理，把流量平均分配給液壓馬達的同時，會根據(jù)不同的行駛路面提供給驅動輪不同的驅動力，能使左右兩側輪胎同步，有利于直線行駛；但是當一側車輪發(fā)生打滑時，此側的液壓馬達流量變大而壓力降低，由于并聯(lián)的緣故，另一側的壓力也會降低，導致兩側輪胎都沒有足夠的轉矩使車輛脫困。利用液阻原理， 在液壓馬達之間連接一個節(jié)流閥6，當兩側輪胎阻力不相同時，兩側壓力會發(fā)生變化，節(jié)流閥兩側產(chǎn)生壓差，節(jié)流閥開始工作，向壓力低的一側輸送流量，而壓力高的一側，由于流量的減少，總功率不變，壓力會隨之增高，轉矩變大，利于車輛脫困[6]。

圖1 液壓行走驅動系統(tǒng)原理圖

液壓行走驅動系統(tǒng)控制原理見圖2， 基于AMESim 的液壓系統(tǒng)模型見圖3。

圖2 液壓行走驅動系統(tǒng)控制原理圖

圖3 基于AMESim 的液壓系統(tǒng)模型

車輛轉彎時，內(nèi)外側輪胎受力不同，內(nèi)側受到的側向阻力大于外側，所以內(nèi)側滾動阻力大于外側，作用到液壓上，內(nèi)側壓力大于外側，節(jié)流閥開始工作，流量由內(nèi)側向外側流動，外側流量增加，轉速變快，實現(xiàn)差速。

車輛制動時，由補油泵提高動力，在補油泵通向制動系的回路中，加裝電磁閥，當電磁閥收到信號后，驅動剎車系統(tǒng)，完成制動[7]。

3 結論

運用AMESim 軟件對該樹莓采摘機的液壓行走系統(tǒng)進行建模和仿真分析，直線行駛時車輪的轉速見圖4，轉向時內(nèi)外側車輪的轉速見圖5。結果表明該系統(tǒng)能夠基本滿足實際的采摘需要。本次設計采用了全液壓行走驅動系統(tǒng)，省去了傳統(tǒng)機械傳動系統(tǒng)中的驅動橋和變速箱，方便進行總體布局，使樹莓采摘真正實現(xiàn)機械化采摘。

圖4 直線行駛時車輪的轉速

圖5 轉向時內(nèi)外側車輪的轉速