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        拖拉機(jī)控制系統(tǒng)液壓驅(qū)動與電力驅(qū)動性能分析

        2018-08-10 10:58:18符曉芬
        農(nóng)機(jī)化研究 2018年9期
        關(guān)鍵詞:拖拉機(jī)液壓驅(qū)動

        符曉芬

        (海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,???571127)

        0 引言

        在我國農(nóng)機(jī)設(shè)備先進(jìn)控制技術(shù)及集成電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用下,隨著大力研發(fā)新型低能耗拖拉機(jī)設(shè)備熱情的高漲,拖拉機(jī)的控制驅(qū)動性能的提高和改進(jìn)亟待深入。拖拉機(jī)是在田間主要起到牽引、控制及帶動附屬農(nóng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行高效作業(yè)的驅(qū)動裝置,其性能的好壞、部件工作質(zhì)量與精準(zhǔn)程度直接影響后序設(shè)備的工作量大小及效率。為此,從應(yīng)用較為廣泛的液壓驅(qū)動與控制較為方便的電力驅(qū)動角度對拖拉機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行性能對比分析及改進(jìn),得出較為理想的拖拉機(jī)控制驅(qū)動系統(tǒng),提高拖拉機(jī)機(jī)體本身的機(jī)構(gòu)緊湊與功能先進(jìn)合理性,以進(jìn)一步提高拖拉機(jī)的動力性能及綜合經(jīng)濟(jì)性能。

        1 驅(qū)動控制系統(tǒng)

        目前,我國拖拉機(jī)的種類繁多,根據(jù)其作業(yè)環(huán)境及作業(yè)目標(biāo)的不同,所選型號及驅(qū)動控制系統(tǒng)的部件亦不盡相同。各拖拉機(jī)的驅(qū)動控制系統(tǒng)關(guān)鍵執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。整車驅(qū)動控制系統(tǒng)的核心在于電動機(jī),對于虛擬的控制程序及系統(tǒng),設(shè)置相應(yīng)的模擬輸入與輸出信號傳遞通道,數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理與功率放大控制電路。為保證拖拉機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與持續(xù)性,對欠壓過流及過熱保護(hù)電路應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以符合控制系統(tǒng)的各項(xiàng)工作要求。

        在整個(gè)驅(qū)動控制系統(tǒng)中,驅(qū)動電機(jī)裝置與提升裝置在足夠電源供給的條件下按照作業(yè)要求進(jìn)行工作,整車控制器起到核心控制作用,使各部件的液壓驅(qū)動與電力驅(qū)動實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化,完成控制執(zhí)行動作。

        圖1 拖拉機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵裝置簡圖

        2 驅(qū)動參數(shù)對比

        2.1 液壓驅(qū)動控制

        液壓驅(qū)動控制的拖拉機(jī),其工作原理主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)優(yōu)良的液壓回路,在液壓泵的帶動下進(jìn)行轉(zhuǎn)向、行進(jìn)及耕作等活動。此驅(qū)動控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于需要有能夠提供足夠動力的液壓缸推動傳遞裝置,不足之處在于需要合理考慮流量與所受壓力的不平衡與不穩(wěn)定性,且能耗較高。

        2.2 電力驅(qū)動控制

        電力驅(qū)動裝置的拖拉機(jī)可以有效降低能耗,加入驅(qū)動傳感元件,通過檢測不同程度信號信息,輸出不同流量及承受壓力的驅(qū)動力;但是,該驅(qū)動控制在執(zhí)行過程中存在僵硬現(xiàn)象,應(yīng)將兩者有效結(jié)合,對液壓系統(tǒng)進(jìn)行合理的元件選型和結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計(jì)組裝,通過電力控制,對需要控制的關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)精度化調(diào)整作業(yè)。

        2.3 聯(lián)合驅(qū)動控制

        拖拉機(jī)控制系統(tǒng)的液壓驅(qū)動與電力驅(qū)動各有利弊,對拖拉機(jī)控制系統(tǒng)的液壓驅(qū)動與電力驅(qū)動主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對比(見表1),包括牽引裝置、減速系統(tǒng)及電力驅(qū)動源等,主要對轉(zhuǎn)速、功率及容量進(jìn)行合理匹配。通過掌握其控制驅(qū)動原理及關(guān)鍵參數(shù)在實(shí)際田間作業(yè)的變化規(guī)律,在拖拉機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)中加入逆變器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集。在液壓裝備完善的基礎(chǔ)上,利用高靈敏的傳感器裝置,為達(dá)到拖拉機(jī)控制系統(tǒng)在整個(gè)驅(qū)動作業(yè)的過程中具備實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)的目標(biāo),并應(yīng)用PID算法(見圖2)進(jìn)行驅(qū)動控制的自適應(yīng)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動與液壓驅(qū)動的聯(lián)合控制目標(biāo),充分考慮拖拉機(jī)啟動、正常行駛及突發(fā)故障下的運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)一步融入將兩者有效銜接、形成自適應(yīng)調(diào)節(jié)的控制閉環(huán),即

        (1)

        表1 拖拉機(jī)控制系統(tǒng)液壓驅(qū)動與電力驅(qū)動主要技術(shù)參數(shù)對比

        圖2 應(yīng)用于拖拉機(jī)控制的PID算法簡易原理圖

        3 性能試驗(yàn)分析

        3.1 性能試驗(yàn)

        拖拉機(jī)控制系統(tǒng)性能的高低由多項(xiàng)因素影響并體現(xiàn),因此提出多參數(shù)的優(yōu)化模型,簡要列出其控制算法為

        ηT=ηm·ηf·ηδ

        φ=φmax(1-e-δ/δ*)

        Fq=φZq

        Zq=λGg

        u=u0(1-δ)

        (2)

        同時(shí),設(shè)置轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、傳動比等參數(shù)約束條件為

        拖拉機(jī)控制系統(tǒng)在執(zhí)行牽引驅(qū)動作業(yè)的過程中,克服各項(xiàng)阻力,包括機(jī)體自身與外部土壤條件等,不斷利用電力與液壓之間的有效結(jié)合,從比例、積分、微分3個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)調(diào)控,縮小測定值與所需目標(biāo)值之間的差距,實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)調(diào)速、牽引及驅(qū)動等環(huán)節(jié)工作裝置效率發(fā)揮最大化,耗能最小化,

        圖3為此次性能試驗(yàn)的驅(qū)動特性分析流程圖。在此試驗(yàn)分析環(huán)節(jié),重點(diǎn)考慮滑動旋轉(zhuǎn)率、驅(qū)動力的大小、 驅(qū)動效率等之間的關(guān)系, 將驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動轉(zhuǎn)速同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動特性分析。

        圖3 拖拉機(jī)驅(qū)動特性分析流程圖

        圖4為此次性能試驗(yàn)融入CVT技術(shù)的控制流程。在保留拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)液壓控制的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)條件下,優(yōu)化傳感電力控制裝置,并進(jìn)行準(zhǔn)確測試記錄。

        試驗(yàn)過程中,要充分考慮實(shí)際工況的復(fù)雜性與不可預(yù)測性,因而加入控制系統(tǒng)克服阻尼及慣性的驅(qū)動裝置動態(tài)模型,即

        τcαr+Kαr=α

        (3)

        3.2 對比分析

        選取將兩種驅(qū)動控制系統(tǒng)同時(shí)融合在一起的拖拉機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),主要包括智能儀表、先進(jìn)傳感監(jiān)控即電液共同驅(qū)動裝置等。性能測試主要實(shí)物裝置如圖5所示。

        圖4 拖拉機(jī)CVT控制流程簡圖

        1.試驗(yàn)拖拉機(jī) 2.智能儀表 3.傳感裝置 4.電力驅(qū)動裝置

        借助于軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明:在液壓控制驅(qū)動與電力控制驅(qū)動之下的拖拉機(jī)存在作業(yè)性能差異,且電力驅(qū)動較前者更為合適,可在底盤構(gòu)造、檔位變換、控制變速等方面取得良好的效果。通過分析,可以得到拖拉機(jī)控制系統(tǒng)的速度、牽引驅(qū)動力等多項(xiàng)作業(yè)性能指標(biāo),表明性能分析方法適應(yīng)于拖拉機(jī)驅(qū)動控制。

        通過對控制系統(tǒng)影響的關(guān)鍵因素提取并做多參數(shù)優(yōu)化處理(主要提取的參數(shù)有拖拉機(jī)試驗(yàn)行進(jìn)速度的調(diào)速范圍、拖拉機(jī)在各個(gè)行進(jìn)速度之下的牽引驅(qū)動力大小),找出在車速、驅(qū)動力及控制效能之間存在一定的連續(xù)跟隨變化關(guān)系,進(jìn)一步應(yīng)用CVT技術(shù),并將液壓驅(qū)動與電力驅(qū)動有效銜接,得到優(yōu)化前后控制效能可以提高約50%以上,性能試驗(yàn)可行。

        拖拉機(jī)驅(qū)動優(yōu)化前、后控制效能,如圖6和圖7所示。

        圖6 拖拉機(jī)驅(qū)動優(yōu)化前控制效能

        圖7 拖拉機(jī)驅(qū)動優(yōu)化后控制效能

        4 結(jié)論

        1)在液壓驅(qū)動控制與電力驅(qū)動控制原理基礎(chǔ)上,對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩及核心自調(diào)節(jié)控制算法進(jìn)行優(yōu)化組合試驗(yàn)及仿真,得出最佳綜合性能的拖拉機(jī)聯(lián)合驅(qū)動控制系統(tǒng)。

        2)電液驅(qū)動裝置之間性能利用與協(xié)調(diào)配合,可有效保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與時(shí)效精準(zhǔn)性使拖拉機(jī)整體工作性能得到提升,控制效能大大增進(jìn)。本研究對發(fā)揮拖拉機(jī)工作的最大效率有重要參考價(jià)值,亦可為拖拉機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件配置或其他類似農(nóng)機(jī)裝備深入研究與組合優(yōu)化提供一定的思路和方向。

        AbstractID:1003-188X(2018)09-0238-EA

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