基于AMESim的采伐机液压行走系统设计与仿真.docx

    基于AMESim的采伐机液压行走系统设计与仿真    周冉 沈嵘枫 陈鑫 彭慧纯 陈昌众摘 要：针对我国南方林区的作业环境与轮式采伐机底盘结构的技术特点，分析采伐机液压行走系统工作原理，参考国外设计方案，设计与研究采伐机半变量静液压复合传动行走系统在建立采伐机林区坡地行驶的地面力学模型的基础上，进行液压系统元件选型，同时对2种方案采用AMESim平台进行液压行走系统建模与仿真仿真结果表明，相同工况下，变量马达方案较定量马达控制更复杂，行驶速度与理论相比误差更大定量马达方案液压行走系统能分别以6.8 km/h爬上20°坡道，以22.25 km/h平稳行驶在平坦林道，参数基本达到理论设计要求所设计系统具有良好的可行性，可为采伐机行走机构液压系统创新设计提供参考关键词：采伐机;行走系统;半变量液压传动;地面力学;液压元件选型;AMESim：S776.3    ：A   ：1006-8023（2022）02-0087-08Design and Simulation of the Hydraulic Walking System ofthe Harvester Based on AMESimZHOU Ran， SHEN Rongfeng*， CHEN Xin， PENG Huichun， CHEN Changzhong（College of Transportation and Civil Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350108， China）Abstract：According to the working environment of the southern forest region of China and the technical characteristics of the chassis structure of the wheeled harvester， the working principle of the hydraulic running system of the harvester is analyzed， and the semi variable hydrostatic compound transmission walking system of the harvester is designed and studied with reference to the foreign design scheme. Based on the terramechanics model of harvester driving on forest slope， the components of the hydraulic system are selected， and the hydraulic walking system is modeled and simulated by AMESim terrace for the two schemes. The simulation results indicate that under the same working conditions， the scheme of variable displacement motor is more complicated to control than the scheme of fixed displacement motor， and the error of driving speed is greater than that of theory. The hydraulic traveling system of fixed displacement motor scheme can climb the 20 ° ramp at 6.8 km/h， drive smoothly on the flat forest road at 22.25 km/h respectively. The parameters basically meet the theoretical design requirements， and the designed system is known to be good feasibility. It can provide a reference for the innovative design of the hydraulic system of the walking mechanism of the harvester.Keywords：Harvester; walking system; semi-variable hydraulic transmission; terramechanics; selection of hydraulic components; AMESim0 引言目前，聯合采伐机（简称采伐机）被认为是森林作业中最现代化的采伐运输设备。

国外采伐机逐渐发展完善，已成熟地应用机电液一体化技术，作业与行驶等可以适应本国的地形工况我国采伐机技术相对不成熟，且我国南方林区丘陵密布、地貌复杂多变，采伐机在林区作业时机动性能差静液压-机械复合传动具有无级变速、超低稳定车速和底盘布置灵活等优点，有利于提高车辆的通过性，易于实现自动化和遥控，可以更好地适应山地丘陵作业环境，因此，普遍应用在各类农林机械上鲍玉冬等基于轮壤接触模型设计出蓝莓采摘机的闭式液压行走系统，并得出通过性的影响因素有土壤特性、车轮结构参数和行驶速度，但未考虑是否存在不同作业坡度的因素由于机械传动的底盘存在构造复杂、布置不灵活和离地间隙低等缺点，刘志刚等设计出喷雾机底盘液压传动系统;相较于机械传动，纯液压传动效率略低我国目前采用的轮式采伐机底盘改装自轮式装载机底盘，主要靠液力机械式传动，其构造复杂、造价高静液压传动系统通常为变量泵驱动变量马达，系统工作过程相当于变量泵控制定量马达，即先进行变量泵-定量马达调速， 待变量泵排量达到最大值时， 再进行定量泵-变量马达调速，控制更加复杂此外，相同排量下，定量马达体积小于变量马达，机械效率高，有利于装备安装与轻量化等为提高采伐机底盘通过性，本研究进行半变量静液压与轮边减速器复合传动的行走系统设计，深入分析不同工况下系统的动态性能，对开发出适应我国南方林区地形的采伐机液压行走系统具有重要的意义。

1 液压行走系统工作原理轮式采伐机底盘行走机构主要由车桥、车架、车轮、转向架和液压元件等构成液压传动系统设计为静液压-机械复合传动，一般有轮边驱动与中央驱动2种方式，六轮采伐机采用轮边驱动液压部分设计方案为变量泵-定量马达的半变量静液压传动系统传动路线为发动机经过机械变速箱变速后驱动变量泵，泵与定量马达串联传递，马达扭矩输出经过转向架传递，最终由轮边减速器减速增扭后驱动车轮如图1所示，整机行驶时，前桥为带有转向架的门式行星异型驱动桥，转向架则串联两侧轮对，两液压马达分别安装在驱动桥差速器总成两端，变量泵驱动两马达，差速总成与马达相连再传到轮边，两副轮对为驱动轮后桥为行星减速刚性桥，后车轮为从动轮不同行驶速度对马达转速要求不同，在平地行驶时马达为高速状态，爬坡越障时则需要马达降低转速增加扭矩不同于其他林业机械的后驱或全驱，六轮采伐机采取独特的前轮对驱动图2为液压驱动系统原理图，1个变量柱塞泵与2个相同的定量马达构成独立的闭式容积调速回路，通过阀4可以串或并联2个定量马达完成行驶速度切换回路中各元件对称放置，由三位四通电磁换向阀5控制油液方向的变量泵2可以变换供油方向，实现马达3的正反向旋转;高压溢流阀8和9使系统高压侧压力不超过允许值，避免系统出现超负荷情况，保证系统安全运行;定量泵10与变量泵2同轴连接，为系统低压侧补油的补油泵，安全阀11用于调定补油压力，回路中一部分热油经液动阀6从低压溢流阀7排出，并与补油泵10提供的冷油通过液动阀6进行热交换。

单向阀13、14用于系统回路低压侧补油由图2可知，当二位三通阀4断电，三位四通电磁换向阀5两端任一侧磁铁通电，2个液压马达3都会并联连接，进入2个马达的流量即为总流量的一半，输出轴低速转动，输出扭矩大;整机有更大的牵引力;若二位三通阀4通电，无论三位四通电磁换向阀5两端任一侧电磁铁通电，2个液压马达3串联连接，输出轴高速转动，整机可高速行驶，则输出转矩相应减小，牵引力变为一半回路串联时与并联输出功率相同液压系统启动时，泵输出轴经差速器总成到马达，再到轮边减速器驱动车轮转动，实现采伐机的行走2 采伐机林区坡路地面力学模型与液压系统元件选型2.1 地面力学模型为适应南方林区，设计采伐机的爬坡坡度为20°采伐机底盘在林区行驶的动力性能与林区土壤特性密切相关，即与林区土壤的承压特性与剪切特性相关联因此，基于Bekker、Wong-reece等提出的半经验地形力学模型，对轮-壤相互作用进行分析，建立轮式采伐机林区坡路地面力学模型，如图3所示当采伐机车轮在正压力、驱动扭矩的作用下，采伐机可以正常行驶于林区坡道图3中，ω为车轮角速度;T为半轴转动产生的扭矩;Fp为车轮正壓力;Fu为挂钩牵引力;θ为车轮的接触角;θ1为接近角;θ2为离去角;θm表示最大应力点的接近角;Z为土壤的下陷量;h为土壤的弹性变形量。

车轮与土壤接触区域内的任一点P的应力可分解为切向剪应力τ和法向正应力σ，正应力满足以下关系式σ1θ=rn（kcb+kφ）（cosθ-cosθ1）n （1）σ2θ=rnkcb+kφ（cos （θ1-θθmθ1-θm）-cosθ1n） （2）式中：kc为土壤黏性变形模量;kφ为土壤摩擦变形模量;r为轮胎半径;b为轮胎宽度;n为变形指数，通常取1根据JANOSI的塑性土壤剪切模型，切应力关系式为τθ=（c+σ（θ）tanφ）1-exp-rK（θ1-θ1-ssinθ1-sinθ）3）式中：c为土壤的内聚力;φ为土壤的内摩擦角;K为土壤的切变模量;s为滑移率根据坡道准静力平衡关系，挂钩牵引力Fu=Gsinφ与Fp=Gcosφ可得Fp=rb∫θmθ2σ2（θ）cosθdθ+∫θ1θmσ1θcosθdθ+∫θmθ2τ2θsinθdθ+∫θ1θmτ1θsinθdθ 4）Fu=rb∫θmθ2τ2（θ）cosθdθ+∫θ1θmτ1θcosθdθ-∫θmθ2σ2θsinθdθ-∫θ1θmσ1θsinθdθ-Gsinφ 5）式中：G为重力;φ为爬坡坡度设计最大坡度为36.4%时对应的坡度角，即φ=20°采伐机整机设计参数为满载质量18 000 kg，G=176 400 N;轮胎采用Trelleborg 伐木机型轮胎，轮胎宽0.6 m，半径为0.625 m;接近角为30°，离去角为40° ，设最大应力点为车轮最先接触土壤的前端突出点，即最大接近角。

林区主要分布为红壤土，由文献得，当塑限范围为21.6～25.0时，内聚力c的取值范围为22.5～94 kPa，内摩擦角ψ为13.5～16.8°，切变模量K与2个变形模量对应c-ψ取值由于模型为半经验型，需要结合实验与理论鉴于土壤实验设备等限制，为便于进行软件模拟，故根据极限工况与经验各取中值为参数，可得挂钩牵引力约为108 kN，综合考虑其他可变因素，放大挂钩牵引力取为120 kN2.2 液压系统元件选型2.2.1 行走马达选型角功率定义的是一种极限状态，即最大驱动扭矩与最大转速的乘积，当传动机构具备装备要求的角功率能力时，则其扭矩与转速两参数经过调节变换，总可以分别找到满足装备要求的扭矩最大值和转速最大值，并且两值都在元件的设计允许值内。