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拖拉机液压悬挂机构自动控制系统
王会明 侯加林 赵耀华 李东民
  【摘要】 在原拖拉机半分置式液压悬挂机构中改善设计了自动控制系统。分别叙述了自动控制系统组成、工作原理、土壤阻力传感器、农具提升高度传感器、主控制阀位移传感器信号测取和处理和单片机控制实现。控制系统试验表明,拖拉机液压悬挂系统自动控制是有效。
关键词: 液压悬挂机构 换向阀 传感器 油缸 自动控制中图分类号:S219;O32.4
文件标识码:A
StudyonAutomaticControlSystemforHydraulic
HitchEquipmentofTractor
WangHuiming1
 HouJialin1
 ZhaoYaohua2
 LiDongmin
1
(1.ShandongAgriculturalUniversity 2.ShandongTractorManufactory)
Abstract
Asimplestructureofsemi-partitionhydraulichitchequipmentandconstitutingofautomatic
controlsystemwasprovided.Thesignalofsoilresistancesensorandtheimplementliftheightsensorandthecontrol-valvesensorweremeasuredandmanaged.Thesystemwasunderthecon-troloftheSCM.Finally,theanalyticresultswereprovided,whichshowedthattherelationshipbetweentractionandthecultivatingdeepnesswasthelinear,andthehydraulichitchsystemoftractorwasautomaticcontrolled.Theresultsofexperimentshowedthatthedesigningplanisre-liable,theautomationofthesystembasicallyrealized,operationcouldbemadeeasily,produc-tioncosthasbeenreducedanditissimpleandconvenienttoinstall.
Keywords Hydraulichitchequipment,Changevalve,Sensor,Cylinder,Automaticcontrol
收稿日期:
0729
王会明 山东农业大学机械和电子工程学院 教授,271018 泰安市侯加林 山东农业大学机械和电子工程学院 教授
赵耀华 山东拖拉机厂 工程师,27 泰安市李东民 山东农业大学机械和电子工程学院 硕士生
  引言
现有多数农用拖拉机液压悬挂系统,其农具提升和下降控制部分是机械式,由驾驶员经过操纵手柄和一套杆件机构以位移量形式输入信号,输出量则是经过弹簧、凸轮和力、位调整杠杆
机构转换成位移量,从而实现操纵主控制阀对农具位置调整。机械控制液压悬挂系统采取杆件和弹性元件,结构比较复杂,弹性元件迟滞、机械
摩擦和杆件胀缩会影响调整性能。进入二十一世纪后,拖拉机向大功率、低油耗、轻排放、智能化、密封和舒适性方向发展,机械式控制系统在结构部署和性能方面已不适应该代农机发展要求。
将农业机械装备技术融合现代液压技术、传感器技术、微电子技术和单片机控制技术,可极大地提升液压悬挂系统操作舒适性和简捷性,正确、快速地使用和调整液压悬挂系统,可提升生产率和作业质量。所以,对传统式液压悬挂系统技术改善势在

必行。
1 液压悬挂系统组成和工作
改善后液压悬挂系统组成图1所表示。它由液压悬挂系统、自动控制系统和信号检测和处理系统组成。
图1 电控液压系统原理图
Fig.1 Sketchofelectriccontrolhydraulicsystem
1.液压缸 2.下降速度调整阀 3.分配器 4.油泵 5.主控制阀 6.回油阀 7.安全阀 8.单向阀 9.小油缸 10.电磁换向阀 11.中央处理器 12.油缸 13.活塞杆 14.光电耦合器15.背压阀 16.减压阀 17.滤油器 18.位移传感器 19.角位移传感器 20.力传感器 21.控制面板

液压悬挂系统:由原液压悬挂系统油泵、分配器、液压油缸、提升臂、拉杆和弹簧等组成。关键完成液压油路控制,以完成农具提升、中立、下降过程[1]
。
控制系统:由电磁换向阀、减压阀、小油缸、控制面板等组成。关键完成控制信号输入,并由三位四通电磁换向阀和小油缸,完成份配器主阀移动位置控制。
信号检测和处理系统:由位移传感器、压力传感器、提升轴转角传感器、放大电路、CPU等组成,关键完成土壤阻力、农具提升高度和主阀位移量信号检测和数据处理。
工作中,操作控制面板上调整旋钮,电信号输入控制电路使电磁阀换向,改变小油缸中液压流向,使小油缸位移,推进主阀移动,农具提升或下降。主阀位移量则由位移传感器检测并控制。伴随农具提升(下降)高度改变,提升器轴转角传感器测得电信号不停改变,当转角信号(提升高度)和操纵信号进行比较量达成预定值时,CPU发出信号,操纵电磁阀动作,小油缸位移,主阀移动使农具处于中
立状态。
农具入土后,伴随耕深、土质和湿度不停改变,土壤阻力不停改变。该改变经上拉杆反应在弹簧总成上,并经过弹簧杆作用在压力传感器上。压力传感器测得其压力信号和预置参数相比较,当达成预值时,控制系统使电磁阀动作,改变油路,使小油缸带动主阀移动,改变分配器油路,使液压悬挂系统对农具进行对应提升或下降。力、位调整过程信号传输路线见图2所表示。
图2 力、位调整信号传输路线Fig.2 Delivercicuitofforce
2 液压回路设计及硬件选型
2.1 电控液压系统回路设计
应依据系统设计要求和液压实施元件工作情况设计液压基础回路,在电控液压悬挂系统自动控制中,所选择液压回路必需使液压实施元件实
现各项功效。依据农田作业中基础要求,电控液压悬挂系统需满足农具提升、中立、下降要求。电控液压回路图3所表示,由三位四通电磁阀、小油缸、分配器、油泵、减压阀和溢流阀等组成。设计时,应依据系统工作压力、流量、功率大小和系统对温升、工作平稳性等方面要求选择回路,以满足上述要求。因为所采取推进主控制阀弹簧最大负荷力为300N,所以控制主控制阀小油缸内油压大于400kPa即可,远小于油泵输出压力14MPa,为了系统安全和节能,悬挂系统中要有减压回路。在回油路中,控制分配器主阀小油缸出油口,假如直接和油箱相连接,系统会出现负值负载。为了减轻负值负载所造成不良影响,回油路上装有背压阀,在背压阀作用下,小油缸速度受到限制,预防出现速度失控现象。依据溢流阀特点和性能,可用溢流阀做背压阀。
因为小油缸要实现向左、右运动和中立3种状态,设计系统油路时,为实现系统自动控制,需要一个三位四通换向阀。
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 第10期王会明等:拖拉机液压悬挂机构自动控制系统

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图3 电控液压系统
Fig.3 Electriccontrolhydraulicsystem
1.液压缸 2.下降速度调整阀 3.分配器 4.油泵 5.主控制阀 6.回油阀 7.安全阀 8.单向阀 9.小油缸 10.电磁换向阀 11.活塞杆 12.背压阀 13.减压阀 14.滤油器

2.2 小油缸选型
电控液压系统中用小油缸活塞杆运动来控制分配器中主控制阀,以实现液压悬挂系统中油
路换向,进行农具相关操作。分配器中主控制阀位移量为13mm,分配器内弹簧对主控制阀负荷力为300N。在提升器中,小油缸安装空间为宽50mm,高98mm,长150mm,由此可初步确定小油缸最大外径不能超出50mm。经计算,小油缸工作压力为p=1.5MPa,缸径D=32mm,长度L=100mm,工作流量Q=0.5L/min,最大行程为16mm,确定小油缸型号为YGC32×16G。2.3 换向阀选择
换向阀是实现油路换向、次序动作及卸荷等功效阀门。依据小油缸控制分配器主阀完成提升、中立、下降需要及压力、流量和拖拉机采取直流电条件,选择SWHG02C2D2431FDC000型三位四通电磁换向阀。此电磁换向阀含有抗震耐水性能,优良电器防尘性能,很适适用于农业机械及车辆中。其最大流量为63L/min,最高压力35MPa,换向频率为250次/min。2.4 减压阀和溢流阀选择
减压阀是一个利用液流流过缝隙产生压降原理,使出口压力低于进口压力压力控制阀。在电控液压系统中,减压阀作为稳定油路工作压力调整装置,使油路压力不受油源压力影响。因为小油缸工作压力改变较小,选择定值减压阀型号为PRCV
G06110型。
溢流阀在液压悬挂系统中做背压阀用,背压阀装于液压系统回油路中,给液压系统形成一定背压力,以增加小油缸运动平稳性。依据油路流量确定其型号为RFG04130型。2.5 液压泵和分配器选择
电控液压悬挂系统中液压泵及分配器,使用
原泰山25型拖拉机半分置式液压系统液压泵及分配器。液压泵型号为CB306,工作压力14MPa,Q=6mL/r[1]。
3 信号处理电路设计
3.1 传感器选择
在电控液压悬挂系统中,需要把主控制阀位置信号、农具提升位置信号和土壤阻力对弹簧杆压力信号传给CPU,以进行数据处理和发出控制指令。主控制阀位置信号用位移传感器,农具提升位置信号用提升轴转角传感器,土壤阻力对弹簧杆压力信号用压力传感器。
农具提升时,油缸活塞杆推进内提升臂使提升臂轴转动,经外提升臂和上下拉杆带动农具提升。提升臂轴转角反应了农具提升高度,安装在提升臂轴上转角传感器,依据提升臂轴不一样转角输出不一样电量。传感器采取WYT2型转角传感器,其技术参数见表1所表示[2]。
表1 WYT2型转角传感器参数
Tab.1 Technicparametersofrotationalanglesensor
量程/(°)±45使用温度/℃-25～75输入电压/V2～12工作电流/mA≤5输入阻抗/k85±30%灵敏度/%/Vin>2.5/10分辨率/(°)
0.02
线性度/%
1.5
  拖拉机工作过程中农具提升、中立、下降由分配器主阀位置来确定,主阀位置是由小油缸活塞杆控制。主阀位置由位移传感器检测,位移传感器采取电感式,其技术参数如表2所表示[2]
。
表2 电感式位移传感器参数
Tab.2 Technicparametersofdisplacementsensor
工作电压/V10～18额定电流/mA200工作温度/℃-20～80
响应时间/ms<3检测距离/mm
20
绝缘电阻/k8
>20
  农具入土中土壤阻力测定,是经过上拉杆对力调整弹簧作用力来反应,该力经过弹簧杆作用在压力传感器上,当压力改变时,输出电量改变。压力传感器采取YYZ
2型,其技术参数见表3
所表示[2]。
表3 YYZ2型压力传感器技术参数Tab.3 Technicparametersofpressuresensor
量程/MPa0.1～350温度/℃-40～125精度/%F.S0.1零点输出/mV500±100电源/V
8～15
过载能力/%F.S
120
  另外,为了切断CPU和电磁换向阀间电气联络,二者间加入了光电耦合器。
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农 业 机 械 学 报 

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3.2 传感器信号放大电路和滤波器
因为传感器输出信号较弱,角位移传感器工作电流小于5mA,压力传感器输出电压为0.5V,信号需经放大电路放大。3个传感器输出采取同一个放大电路,图4所表示。放大电路为两级放大,两级全部是反向输入:第一级由LM358A组成差模放大,R1为调整电位器,由它输入一个赔偿电压,合适调整它大小,能够抵消放大器本身失调电压,消除传感器输入共模干扰信号。电路中取R2=R3=R4=R5;第二级由LM358B组成反向放大电路。图
中C1、R10、C2组成P型滤波电路,以滤除噪声[3]。
图4 传感器信号放大电路
Fig.4 Signalamplifyingcircuitofthesensor

3.3 光电耦合器和三极管放大电路
电路中包含到电磁换向阀。为了消除实施机构对CPU系统干扰,电路中使用光电耦合器进行信号传输,以隔离实施机构和单片机系统之间电气联络。光电耦合器输出电流较小(10～20mA),不能直接驱动大负载。所以,设计了三极管放大电路来驱动负载,而将光电耦合器放在驱动器前面。当光电耦合器前端为低电平时,光耦后接通三极管放大电路驱动电磁换向阀左(或右)端电磁铁,控制小液压缸向右(左)运动,进而控制农具升降,达成耕深自动调整目标。控制电路原理图图5所表示[3]。
图5 电磁换向阀控制电路原理图Fig.5 Electriccircuitofelectromagnetvalve

4 电控液压系统软件设计
电控液压悬挂系统主程序框图图6所表示。本控制系统设计了耕深3种调整控制方法:位调整控制、力调整控制和力位综合调整控制。控制方法选择由控制面板按键来实现。
5 试验和结论
电控液压悬挂系统,是以山东拖拉机厂生产
泰山25型拖拉机半分置式液压悬挂系统为基础
进行改善设计。系统能够实时采集包含牵引力、耕深、比阻等试验数据;并依据设定数据和采集信号,进行实时监控;传感器将采集信号经信号处理后传给单片机,单片机取得试验数据后,进行数据处理,实时对系统动态性能做出判定,并向实施机构发出信号进行纠正。
图6 主程序图Fig.6 Mainprogram

动态性能试验进行了位调整、力调整、力位综合调整等控制方法试验。当输入信号给定后,工作中不再改变。当土壤出现扰动力使农具上作用力偏离给定值,或因为发动机转速升高油液压力变大或油缸油液泄漏引发犁架升降时,控制系统就自动消除偏差以维持农具工作阻力或耕作深度。5.1 牵引阻力和耕深关系
作用在农具上牵引阻力Fx和单作用液压缸位移x及耕深改变量$d相关。试验过程中,在正常耕作深度范围内,经过调整旋钮来改变农具设定耕深,得到阻力和耕深改变曲线图7所表示,近似线性关系。
图7 耕深和牵引阻力关系Fig.7 Relationbetweencultivating
deepnessandtraction

5.2 力、位调整响应试验
在耕深为30cm稳定状态下,由耕深调整旋扭给出一个调整信号,得到系统瞬态响应特征图8所表示。从图中可看出位调整系统过渡时间为1s,没有超调量,静差小于5%,能够满足要求拖拉机耕作在±10%耕深范围要求。
(下转第49页)
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图5 斗齿轨迹示意图Fig.5 Trajectoryofbuckettip
基于以上事实,本区间控制策略确定为:首先以一定速度旋转铲斗到合适姿态,然后以较快速度提升动臂直至铲斗从物料脱出。
至此,3个区间控制策略全部得到。依据上述控制策略,即可完成基于实时轨迹计划自主铲装作业。   
4 结束语
将铲装作业循环划分为插入、铲取和上升3个区间,并分别提出了各个作业区间自主作业控制策略。3个区间中,铲取区间是整个作业循环关键。经过分析,提出了铲取区间水平等阻线概念,并建立了基于水平等阻线控制策略。本文结果为最大程度地发挥装载机能力,提升作业效率,实现自主作业高效低耗打下了基础,并使系统含有了智能环境识别能力,对装载机自主铲装作业实现含相关键理论意义及应用价值。
参
考
文
献
1 胡铁华,高秀华,孔德文,等.铲运机装载作业最小能耗轨迹研究[J].农业机械学报,1998,29(4):21～25.2 李成刚.装载机工作装置铲装轨迹分析和优化[D].长春:吉林大学,.
3 Biss󰀁E,HemamiA,BukasEK.Acomparisonoftherequiredenergyinloadingforfourscoopingstrategies[C]∥Proceedingsof3rdInternationalSymposiumonMineMechanizationandAutomation,1995.4 姚践谦,李政菊,彭才忠.装载机铲斗插入铲取机理和阻力[J].工程机械,1993(3):9～13.5 张纯宇.矿用装载机铲斗最大插入阻力研究[J].矿山机械,1991(5):2～5.
(上接第45页)
图8 位调整响应试验
Fig.8 Respondingexperimentationof
locationregulation

阻力控制系统是为了维持作用在农具上工作阻力恒定。当农具牵引阻力大于给定值时,便提升农具减小耕深。当农具阻力小于给定值时,便增加耕深。试验结果很好地反应了这一过程。阻力调整  
图9 力调整响应试验Fig.9 Respondingexperimentationofstrengthregulation
响应试验图9所表示,由图9能够看出它调整过程调整时间约为6s,显著大于位调整过程。
力位综合调整是将力调整控制和位调整控制特点综合应用调整方
法。当土壤阻力发生改变
时,耕深和牵引阻力同时发生改变。耕深和牵引力计算值和设定值进行实时比较,判定误差值是否在许可范围之内,假如不是则继续调整。经过试验证实,在设定耕深为20cm时,耕深波动范围为±1cm。在正常耕作深度范围内,能够得到很好控制效果。
参
考
文
献
1 高连兴.拖拉机和汽车:下册[M].北京:中国农业出版社,.
2 余成波.传感器和自动检测技术[M].北京:高等教育出版社,.
3 李象.拖拉机阻力控制系统室内动态仿真试验[J].北京农业工程大学学报,1989(4):46～53.4 薛祖德.液压传动[M].北京:中央广播电视大学出版社,.
5 方昌林.拖拉机悬挂系统电液控制理论和试验研究[J].农业机械学报,1994,25(3):6～11.6 吴国桢.拖拉机耕深自动监测和控制[J].农业机械学报,1993,24(3):31～34.
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