拖拉机液压悬挂机构自动控制系统

1、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进设计了自动控制系统。分别阐述了自动控制系统的组成、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的测取与处理以及单片机控制的实现。控制系统试验表明,拖拉机液压悬挂系统的自动控制是有效的。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文献标识码:AStudyonAutomaticControlSystemforHydr

2、aulicHitchEquipmentofTractorWangHuiming1 HouJialin1 ZhaoYaohua2 LiDongmin1(1.ShandongAgriculturalUniversity 2.ShandongTractorManufactory)AbstractAsimplestructureofsemi-partitionhydraulichitchequipmentandconstitutingofautomaticcontrolsystemwasprovided.Thesignalofsoilresistancesens

3、orandtheimplementliftheightsensorandthecontrol-valvesensorweremeasuredandmanaged.Thesystemwasunderthecon-troloftheSCM.Finally,theanalyticresultswereprovided,whichshowedthattherelationshipbetweentractionandthecultivatingdeepnesswasthelinear,andthehydraulichitchsystemoftractorwasautomaticcontrolled.Th

4、eresultsofexperimentshowedthatthedesigningplanisre-liable,theautomationofthesystembasicallyrealized,operationcouldbemadeeasily,produc-tioncosthasbeenreducedanditissimpleandconvenienttoinstall.Keywords Hydraulichitchequipment,Changevalve,Sensor,Cylinder,Automaticcontrol收稿日期:20050729王会明 山东农业

5、大学机械与电子工程学院 教授,271018 泰安市侯加林 山东农业大学机械与电子工程学院 教授赵耀华 山东拖拉机厂 工程师,272000 泰安市李东民 山东农业大学机械与电子工程学院 硕士生  引言现有的多数农用拖拉机的液压悬挂系统,其农具的提升和下降的控制部分是机械式的,由驾驶员通过操纵手柄和一套杆件机构以位移量的形式输入信号,输出量则是通过弹簧、凸轮和力、位调节杠杆机构转换成的位移量,从而实现操纵主控制阀对农具位置的调整。机械控制的液压悬挂系统采用杆件和弹性元件,结构比较复杂,弹性

6、元件的迟滞、机械摩擦和杆件的胀缩会影响调节性能。进入21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,机械式的控制系统在结构布置和性能方面已不适应现代农机发展的要求。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,可极大地提高液压悬挂系统操作的舒适性和简捷性,准确、快速地使用和调节液压悬挂系统,可提高生产率和作业质量。因此,对传统式液压悬挂系统的技术改进势在 必行。1 液压悬挂系统的组成与工作改进后的液压悬挂系统的组成如图1所示。它由液压悬挂系统、自动控制系统和信号检测与处理系统组成。图1 电控液压系统原理图Fig.1&#

7、160;Sketchofelectriccontrolhydraulicsystem1.液压缸 2.下降速度调节阀 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

8、统:由原液压悬挂系统的油泵、分配器、液压油缸、提升臂、拉杆和弹簧等组成。主要完成液压油路的控制,以完成农具的提升、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。主要完成控制信号的输入,并由三位四通电磁换向阀和小油缸,完成分配器主阀移动位置的控制。信号检测与处理系统: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,主要完成土壤阻力、农具提升高度和主阀位移量的信号检测与数据处理。工作中,操作控制面板上的调节旋钮,电信号输入控制电路使电磁阀换向,改变小油缸中的液压流向,使小油缸位移,推动主阀移动,农具提升或下降。主阀的位移量则由位移传感器检测并控制。随

9、着农具提升(下降)高度的变化,提升器轴转角传感器测得电信号不断变化,当转角信号(提升高度)与操纵信号进行比较量达到预定值时,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,随着耕深、土质和湿度的不断变化,土壤的阻力不断变化。该变化经上拉杆反应在弹簧总成上,并通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与预置参数相比较,当达到预值时,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相应的提升或下降。力、位调节过程的信号传递路线见图2所示。图2 力、位调节的信号传递路线Fig.2 Del

10、ivercicuitofforce2 液压回路设计及硬件选型2.1 电控液压系统回路设计应根据系统的设计要求和液压执行元件的工作状况设计液压基本回路,在电控液压悬挂系统自动控制中,所选择的液压回路必须使液压执行元件实现各项功能。根据农田作业中的基本要求,电控液压悬挂系统需满足农具的提升、中立、下降的要求。电控液压回路如图3所示,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,应根据系统的工作压力、流量、功率的大小以及系统对温升、工作平稳性等方面的要求选择回路,以满足上述要求。由于所采用的推动主控制阀弹簧的最大负荷力为300N,因此控制主控制阀的小油缸内

11、的油压大于400kPa即可,远小于油泵的输出压力14MPa,为了系统的安全和节能,悬挂系统中要有减压回路。在回油路中,控制分配器主阀的小油缸的出油口,如果直接和油箱相连接,系统会出现负值负载。为了减轻负值负载所造成的不良影响,回油路上装有背压阀,在背压阀作用下,小油缸的速度受到限制,防止出现速度失控现象。根据溢流阀的特点和性能,可用溢流阀做背压阀。由于小油缸要实现向左、右运动和中立3种状态,设计系统油路时,为实现系统的自动控制,需要一个三位四通换向阀。43 第10期王会明等:拖拉机液压悬挂机构自动控制系统 var script = document.createElement(

12、9;script'); script.src = ' document.body.appendChild(script);图3 电控液压系统Fig.3 Electriccontrolhydraulicsystem1.液压缸 2.下降速度调节阀 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

13、缸的选型电控液压系统中用小油缸活塞杆的运动来控制分配器中的主控制阀,以实现液压悬挂系统中的油路换向,进行农具的相关操作。分配器中主控制阀的位移量为13mm,分配器内的弹簧对主控制阀的负荷力为300N。在提升器中,小油缸的安装空间为宽50mm,高98mm,长150mm,由此可初步确定小油缸的最大外径不能超过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,确定小油缸的型号为YGC32×16G。2.3 换向阀的选择换向阀是实现油路的换向、顺序动作及卸荷等功能的阀门。根据小油缸控制分配器主阀

14、完成提升、中立、下降的需要及压力、流量和拖拉机采用直流电的条件,选择SWHG02C2D2431FDC000型三位四通电磁换向阀。此电磁换向阀具有抗震耐水性能,优良的电器防尘性能,非常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 减压阀和溢流阀的选择减压阀是一种利用液流流过缝隙产生压降的原理,使出口压力低于进口压力的压力控制阀。在电控液压系统中,减压阀作为稳定油路工作压力的调节装置,使油路的压力不受油源压力的影响。由于小油缸工作压力变化较小,选择定值减压阀的型号为PRCVG06110型。溢流阀在液压悬挂系统中做背压阀用,背压

15、阀装于液压系统的回油路中,给液压系统形成一定的背压力,以增加小油缸的运动平稳性。根据油路的流量确定其型号为RFG04130型。2.5 液压泵和分配器的选择电控液压悬挂系统中的液压泵及分配器,使用原泰山25型拖拉机半分置式液压系统的液压泵及分配器。液压泵的型号为CB306,工作压力14MPa,Q=6mL/r1。3 信号处理电路设计3.1 传感器的选择在电控液压悬挂系统中,需要把主控制阀的位置信号、农具的提升位置信号和土壤阻力对弹簧杆的压力信号传给CPU,以进行数据处理和发出控制指令。主控制阀的位置信号用位移传感器,农具的提升位置信号用提升轴转角传感器,土壤阻力对弹簧

16、杆的压力信号用压力传感器。农具提升时,油缸的活塞杆推动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。提升臂轴的转角反映了农具的提升高度,安装在提升臂轴上的转角传感器,根据提升臂轴的不同转角输出不同电量。传感器采用WYT2型转角传感器,其技术参数见表1所示2。表1 WYT2型转角传感器参数Tab.1 Technicparametersofrotationalanglesensor量程/(°)±45使用温度/-2575输入电压/V212工作电流/mA5输入阻抗/k85±30%灵敏度/%/Vin>2.5/10分辨率/(°)

17、0.02线性度/%1.5  拖拉机工作过程中农具的提升、中立、下降由分配器主阀的位置来确定,主阀的位置是由小油缸的活塞杆控制的。主阀的位置由位移传感器检测,位移传感器采用电感式,其技术参数如表2所示2。表2 电感式位移传感器参数Tab.2 Technicparametersofdisplacementsensor工作电压/V1018额定电流/mA200工作温度/-2080响应时间/ms<3检测距离/mm20绝缘电阻/k8>20  农具入土中的土壤阻力测定,是通过上拉杆对力调节弹簧的作用力来反映的,该力通过弹簧杆作用在压力传

18、感器上,当压力变化时,输出电量变化。压力传感器采用YYZ2型,其技术参数见表3所示2。表3 YYZ2型压力传感器技术参数Tab.3 Technicparametersofpressuresensor量程/MPa0.1350温度/-40125精度/%F.S0.1零点输出/mV500±100电源/V815过载能力/%F.S120  此外,为了切断CPU和电磁换向阀间的电气联系,两者间加入了光电耦合器。44农 业 机 械 学 报2006年 下载文档到电脑，查找使用更方便2下载券 &

19、#160;18人已下载下载还剩2页未读，继续阅读3.2 传感器信号放大电路和滤波器由于传感器输出信号较弱,角位移传感器的工作电流小于5mA,压力传感器输出电压为0.5V,信号需经放大电路放大。3个传感器的输出采用同一种放大电路,如图4所示。放大电路为两级放大,两级都是反向输入:第一级由LM358A组成差模放大,R1为调节电位器,由它输入一个补偿电压,适当调节它的大小,可以抵消放大器本身的失调电压,消除传感器输入的共模干扰信号。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F

20、ig.4 Signalamplifyingcircuitofthesensor 3.3 光电耦合器和三极管放大电路电路中涉及到电磁换向阀。为了消除执行机构对CPU系统的干扰,电路中使用光电耦合器进行信号传递,以隔离执行机构与单片机系统之间的电气联系。光电耦合器输出电流较小(1020mA),不能直接驱动大的负载。因此,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的左(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,达到耕深自动调节的目的。控制电路原理图如图5所示3。图5

21、 电磁换向阀控制电路原理图Fig.5 Electriccircuitofelectromagnetvalve 4 电控液压系统的软件设计电控液压悬挂系统的主程序框图如图6所示。本控制系统设计了耕深的3种调节控制方式:位调节控制、力调节控制和力位综合调节控制。控制方式的选择由控制面板的按键来实现。5 试验与结论电控液压悬挂系统,是以山东拖拉机厂生产的泰山25型拖拉机的半分置式液压悬挂系统为基础进行改进设计的。系统可以实时采集包括牵引力、耕深、比阻等试验数据;并根据设定数据和采集信号,进行实时监控;传感器将采集的信号经信号处理后传给单片机,单片机获

22、得试验数据后,进行数据处理,实时对系统的动态性能做出判断,并向执行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节、力调节、力位综合调节等控制方式的试验。当输入信号给定后,工作中不再变化。当土壤出现扰动力使农具上的作用力偏离给定值,或由于发动机转速升高油液压力变大或油缸油液泄漏引起的犁架升降时,控制系统就自动消除偏差以维持农具的工作阻力或耕作深度。5.1 牵引阻力与耕深的关系作用在农具上的牵引阻力Fx与单作用液压缸位移x及耕深变化量$d有关。试验过程中,在正常的耕作深度范围内,通过调节旋钮来改变农具的设定耕

23、深,得到阻力与耕深的变化曲线如图7所示,近似线性关系。图7 耕深与牵引阻力的关系Fig.7 Relationbetweencultivatingdeepnessandtraction 5.2 力、位调节的响应试验在耕深为30cm稳定状态下,由耕深调节旋扭给出一个调节信号,得到系统瞬态响应特性如图8所示。从图中可看出位调节系统的过渡时间为1s,没有超调量,静差小于5%,能够满足规定的拖拉机耕作在±10%耕深范围的要求。(下转第49页)45 第10期王会明等:拖拉机液压悬挂机构自动控制系统图5 斗齿轨迹示意图Fig.5 

24、;Trajectoryofbuckettip基于以上事实,本区间的控制策略确定为:首先以一定的速度旋转铲斗到恰当的姿态,然后以较快的速度提升动臂直至铲斗从物料脱出。至此,3个区间的控制策略全部得到。根据上述控制策略,即可完成基于实时轨迹规划的自主铲装作业。   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的自主作业控制策略。3个区间中,铲取区间是整个作业循环的关键。通过分析,提出了铲取区间的水平等阻线的概念,并建立了基于水平等阻线的控制策略。本文的成果为最大限度地发挥装载机的能力,提高作业效率,实现自主作业的高效低耗打

25、下了基础,并使系统具备了智能环境识别能力,对装载机自主铲装作业的实现具有重要的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):2125.2 李成刚.装载机工作装置铲装轨迹的分析与优化D.长春:吉林大学,2002.3 Biss󰀁E,HemamiA,BukasEK.AcomparisonoftherequiredenergyinloadingforfourscoopingstrategiesCProceedingsof3rdInternationalSymposiumonMineMechanizationandAutomation,1995.4 姚践谦,李政