基于自动控制的拖拉机起步和换向方法研究.pdf

基于自动控制的拖拉机起步和换向方法研究王永，王建华，付田志，张钏钏，付世玉，吴利谦，（智能农业动力装备全国重点实验室，河南 洛阳 ；洛阳拖拉机研究所有限公司，河南 洛阳 ）摘要：以动力换向拖拉机为研究对象，介绍了一种动力换向拖拉机的换向系统及换向原理；针对介绍的动力换向拖拉机，设计一种拖拉机起步及动力换向控制方法，实现拖拉机的自动起步和动力换向功能；最后将介绍的控制方法在东方红 动力换挡和动力换向拖拉机上进行了整车验证。关键词：动力换向；自动控制；拖拉机中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，；，；，：；拖拉机作为一种非道路农用机械，在农业生产中扮演着重要角色。传统的机械拖拉机通过离合器踏板控制拖拉机的起步和换向，其基本原理是：拖拉机挂接好挡位后，踩下离合器踏板，此时，挂入相应的方向挡位，缓慢释放离合器踏板，车辆缓慢起步，该种起步方式，对驾驶员的操作技术有一定要求，离合器踏板释放的太慢，容易将拖拉机离合器烧坏，离合器释放的太快，则冲击太大，甚至由于离合器结合太快，导致发动机熄火 。此外，由于拖拉机的作业需求，需要拖拉机频繁的起步和调头，也增加了驾驶员的工作量，降低了工作效率。动力换向拖拉机作为一种较为高端的拖拉机机型，以其简单的操作，高效的换向能力、智能的起步和换向及良好的驾驶舒适性，具有很好的发展前景，同时也迎合了国家智能农机发展战略。本文介绍了一种动力换向拖拉机的换向系统及换向原理，针对介绍的换向系统，设计了一种自动起步和动力换向控制方法，最后对设计的控制方法进行了仿真研究和整车验证。动力换向系统动力换向系统主要分为液压源、湿式离合器系统和控制系统。液压源主要提供离合器结合和润滑的油源，本文研究的动力换向系统，液压系统压力是一个较为稳定的数值。湿式离合器系统作为被控对象，可以通过不同的结合方式，实现车辆的前进、后退和动力换向 。控制系统通过逻辑计算，控制湿式离合器液压油路上面的比例电磁阀的开度，进而控制作用在湿式离合器上面的压力，实现对离合器的控制 。整个系统的结构简图如图 所示。自动起步和动力换向原理介绍本文研究的动力换向系统，包含前进和后退两个湿式离合器，前进离合器结合，后退离合器断开，车辆向前运动，后退离合器结合，前进离合器断开，车辆向后运动。自动起步控制系统原理是：起步时，通过控制系统控制前进比例电磁阀的开度，进而控制前进离合器控制油路，进而控制作用在前进离合收稿日期：第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，图 动力换向系统结构简图 器上的压力，最终实现拖拉机的平稳起步。通过控制系统控制后退比例电磁阀的开度，进而控制后退离合器控制油路，进而控制作用在后退离合器上的压力，最终实现拖拉机的平稳起步。动力换向功能控制原理是：换向时，同时控制前进和后退比例电磁阀的开度，进而对前进和后退离合器压力进行精确控制，实现拖拉机前进至后退或者后退至前进的平稳换向。本文设计的控制方法，只需驾驶员对方向杆进行操作，就可以完成拖拉机的自动起步和动力换向，无需驾驶员进行其它操作。自动起步及动力换向控制方法设计作为自动起步和动力换向系统的控制中枢，控制器在动力换向控制系统中具有不可替代的作用，控制方法作为控制器的灵魂，其设计的好坏直接影响拖拉机的起步和换向性能。本文介绍的控制方法包括自动起步和动力换向两部分。自动起步控制本文将自动起步控制分为三个阶段。第一阶段为快速充油阶段，第二阶段为滑模阶段，第三阶段为电流快速上升阶段，自动起步离合器电磁阀电流曲线变化如图 所示。快速充油阶段是使离合器油腔快速地充满油，消除离合器活塞的空行程，离合器活塞空行程消除后，作用在离合器上的压力保持在 点，整个充油阶段离合器不传递扭矩。滑模阶段为控制过程的核心，滑模阶段控制策略的好坏，直接影响拖拉机的起步性能和舒适性，本文采用闭环控制的方法，实现离合器的精准控制，控制原理如图 所示。在控制策略判断快速充油结束后，离合器起步控制进入滑模控制阶段，此阶段，控制策略会根据当前车辆状态，计算一条合适的离合器从动端转速变化曲线，同时通过转速传感器采集离合器从动端的转速，进而采用 闭环控制方法 ，对离合器电磁阀电流进行调整，保证离合器结合过程中，离合器从动端的转速能够按照规定的转速变化曲线变化，进而保证离合器结合过程中车辆的舒适性。图 自动起步离合器电磁阀电流变化 图 闭合离合器滑模阶段闭环控制过程 当离合器主动端和从动端速差小于规定值时，即离合器主动端和从动端同步，此时，离合器结合进入电流快速上升阶段。由于此时离合器主从动端已经同步，要求离合器压力迅速增大至最大值，因此，此阶段离合器电磁阀的电流快速上升至最大值，离合器压力达至最大值并保持，起步阶段完成。王永等：基于自动控制的拖拉机起步和换向方法研究 动力换向控制换向是拖拉机作业过程中最常见的工况之一。动力换向功能是指拖拉机在动力不间断的情况下进行换向，换向过程中，无需将拖拉机的车速降至 再挂接反向挡位，只需将拖拉机的方向杆直接由前进置于后退或者由后退置于前进，即可完成拖拉机的动力换向。整个动力换向过程，将打开离合器和闭合离合器的操作，也各分为三个阶段，换向过程如图 所示。对于打开离合器器来说，第一阶段为离合器传递扭矩快速降至结合点扭矩阶段，此阶段，打开离合器实际传递的扭矩保持不变，离合器压力降低至恰好满足当前传递扭矩需求的压力。第二阶段为滑模阶段，此阶段仍然采用闭环控制，对离合器压力进行精准控制，保证车速缓慢较小至 附近，控制原理如图 所示。控制策略判断出打开离合器进入第二阶段后，首先将当前拖拉机速度保存，同时通过车速传感器实时采集拖拉机的实际车速，控制策略根据保存的车速计算一条车速减小的变化曲线。该曲线作为闭环控制计算中的给定曲线，同时结合实际车速，对打开离合器电磁阀电流进行 调整，实现车速较为舒适的下降。该阶段作为打开离合器控制过程中的重要阶段，保证拖拉机减速不至于过快，影响驾驶员的舒适性。当车速减小至 附近时，打开离合器控制进入第三阶段。此阶段为离合器压力快速下降阶段，此时，要求打开离合器快速分离，打开离合器压力将快速减小至 ，打开离合器电磁阀电流迅速减小至 。对于闭合离合器来说，第一阶段为准备阶段，主要进行快速充油，消除离合器油缸空行程，充油完成后，闭合离合器压力保持在 点位置，直至打开离合器完全打开。第二阶段为闭合离合器滑模阶段，该阶段仍旧采用 闭环控制的方法，对离合器压力进行精确控制，保证车速按一定曲线增加，保证换向舒适性，控制过程如图 所示。当闭合离合器主动端和从动端速差小于规定值时，即离合器主动端和从动端同步后，进入第三阶段，闭合离合器电磁阀的电流快速上升至最大值并保持，此时，动力换向完成。图 换向过程离合器电磁阀电流曲线变化 图 换向过程打开离合滑模阶段闭环控制过程 整车验证本文设计的自动起步和动力换向控制方法，在东方红 动力换挡及动力换向拖拉机上进行了验证，动力换挡拖拉机是中国一拖自主研发的动力换挡和动力换向拖拉机，该拖拉机换向部分结构与文中提到结构基本一致。图 动力换挡动力换向拖拉机 前进方向自动起步的情况如图 所示。当换向手柄由空挡方向变为前进挡时，前进离合器电磁阀电流按照设计的电流曲线进行变化，车速缓慢增大至稳定值，由车速变化曲线可知，车速变化过程中变化较为线性，舒适性较好。后退方向自动起步的情况如图 所示。由图 可知，当换向手柄由空挡方向变为后退方向时，后退离合器电磁阀电流按照设计的电流曲线进行变化，车速缓慢减小至稳定值。由车速变化曲线可知，车速变化过程中变化较为线性，舒适性较好。动力换向过程中前进变后退，前进离合器和后退离合器的电流变化情况及车速变化情况如图 所示。由图 可知，车辆正常前进时，将换向手柄直接由前进方向置于后退方向，前进离合器和后退离合器电磁阀电流能够按照设计的电流曲线变化，同时车速也可以从正向车速减小至 ，再反向增大拖拉机与农用运输车第 期 年 月至稳定车速。由车速变化曲线可知，车速变化较为线性，换向过程中车速没有明显的较长时间保持在 ，换向舒适性和动力衔接性都比较好。图 前进方向自动起步 图 后退方向自动起步 动力换向过程中后退变前进，前进离合器和后退离合器的电流变化情况及车速变化情况如图 所示。由图 可知，车辆正常后退时，将换向手柄直接由后退方向置于前进方向，前进离合器和后退离合器电磁阀电流能够按照设计的电流曲线变化，同时车速也可以从反向车速减小至 ，再正向增大至稳定车速。由车速变化曲线可知，车速变化较为线性，换向过程中车速没有明显的较长时间保持在 ，换向舒适性和动力衔接性都比较好。图 前进至后退动力换向 图 后退至前进动力换向 总结本文设计的自动起步和动力换向控制方法，实现了拖拉机便捷操作。驾驶人员操作过程中只需要操作换向手柄，就可以实现拖拉机的自动起步和动力换向，无需担心传统机械拖拉机离合器踏板操作不当引起的起步熄火等问题，简化了驾驶员的操作步骤，提升了驾驶舒适性，使驾驶员可以有更多的时间和更集中的精力进行农具操作和方向把控，提高了作业安全性和作业效率。通过整车验证，本文设计的控制方法能够使拖拉机平稳的自动起步和动力换向，具有较好的驾驶体验，未来动力换挡和动力换向拖拉机必然是大马力拖拉机的发展趋势，良好的控制策略，有利于拖拉机智能化的快速发展和普及。（下转第 页）王永等：基于自动控制的拖拉机起步和换向方法研究（）滑阀中立位置时调节并联溢流阀 ，实现远程调控被试多路阀的背压值。调节并联溢流阀 ，实现远程调控试验台的系统压力；连续动作被测阀操纵机构 次，检查是否有上升、中立、下降、浮动换向性能、阀杆回位是否灵活；观察各结合面有无外渗漏油现象；扳动操纵机构观察 口或 口压力表，调整安全阀全开启压力到规定值并锁死安全阀。（）滑阀快速移动到中立位置时，当压力变化稳定时开始计时，保压 ，记录 口或 口压力下降值，作为衡量拖拉机悬挂静沉降量的一个重要指标。若要抽检验证拖拉机悬挂静沉降真实数值，可以启动两位三通电磁阀，让提升器带动悬挂系统提升到最高值，关闭试验台齿轮泵，开始记时，记录半小时的下降数据。（）试验结束后清除阀体内腔余油，并整齐放置在指定器具上。对实验过程中出现的问题进行汇总，对实验数据进行分析 。总结通过对一种拖拉机液压多路阀试验工艺研究开发，可以达到以下几个目标：（）根据多路阀中立位保压试验的压降数值，可合理选取阀杆与阀体之间的工艺配磨间隙范围，保证了拖拉机悬挂的静沉降量。（）对阀孔和阀杆的实际所需圆柱度公差值提供了对比依据，为批量稳定珩磨阀孔和配磨高精度阀杆摸索出具体的数据范围。（）有效的杜绝了装配缺陷导致的?泄外漏油现象，如 型圈装配不当被切边、螺栓的坚固扭矩不同、阀体结合面损伤等。（）可检查到阀体毛坯内腔预铸油道有气孔、砂眼、裂纹等铸造缺陷而产生的?泄问题。（）可检验外购件质量是否合格，如大弹簧盖、操纵杆支座、滑阀弹簧等，在高压环境下会影响多路阀杆灵活复位。（）试验装置可以在不同温度下标定压力、流量参数，进行实时监控多路阀元件的质量特性，可实现多系列多路阀产品的出厂试验，为液压多路阀制造工艺过程控制提供有效试验数据，简单易行，值得推广应用。参考文献：林建亚，何存兴 液压元件 北京：机械工业出版社，王晓伟 多路阀总成 装配工艺卡 第一拖拉机股份有限公司中小拖公司，邹建华 液压与气动技术基础 北京：化学工业出版社，（编辑张晓超檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷）（上接第 页）参考文献：关振亮 拖拉机的基本驾驶操作技术 中国新技术新产品，（）：杨彦朋，翟营，孙天龙，等 拖拉机湿式离合器储备系数的计算与选择 拖拉机与农用运输车，（）：刘泉，胡友耀，王建华，等 离合器电磁阀控制器 拖拉机与农用运输车，（）：曾?昭，陈泽宇 论 与自耦 控制理论方法 控制理论与应用，（）：（编辑姜洪君）作者简介：王永（），男，硕士研究生，工程师，主要从事动力换挡及动力换向拖拉机传动系控制策略开发工作檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷。东方红 混合动力轮式拖拉机首次展出月 日，世界制造业大会在安徽合肥开幕，以“智造世界创造美好”为主题，集中展示制造业新模式、新业态、新技术、新产品。我国第一台新能源拖拉机产品，东方红 混合动力轮式拖拉机现身大会，这是东方红 混 合 动 力 轮 式 拖 拉 机 首 次 对 外 展 出。东 方 红 混合动力轮式拖拉机是中国一拖自主开发的新能源拖拉机产品，电控智能化控制操纵，无级变速行驶，具有田间作业、道路运输等模式，可以从事农场深耕、深松、联合整地等田间作业，可实现与其它农机的联合精准作业，适合国内外大型农场的日常一般农田作业，主要满足对拖拉机排放清洁度、控制精确性、舒适性要求较高的农场作业需求。拖拉机与农用运输车第 期 年 月