張彬彬 ，尹晨旭 ，井 儀 ，蔣亞波 ，程 乾

（第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471004）

0 引言

拖拉機(jī)是主要用于牽引和驅(qū)動各種配套機(jī)具，完成農(nóng)業(yè)田間作業(yè)、運(yùn)輸作業(yè)等的動力機(jī)械[1]。在不同作業(yè)環(huán)境以及拖拉機(jī)轉(zhuǎn)場運(yùn)輸過程中，拖拉機(jī)對自身輪胎的胎壓需求不同。

以東方紅某200 馬力四輪驅(qū)動拖拉機(jī)為例，出廠的輪胎壓力一般為180 kPa 左右，在深耕作業(yè)時前輪胎壓力一般為98 kPa~118 kPa，后輪胎壓力為98 kPa~118 kPa；在運(yùn)輸作業(yè)時前輪胎壓力一般為147 kPa~196 kPa，后輪胎壓力為147 kPa~196 kPa；不同作業(yè)環(huán)境下輪胎壓力相差多達(dá)50 kPa[2]。此外，不同馬力段的拖拉機(jī)在不同工況下的胎壓需求亦不相同，但相同工況下胎壓要求區(qū)別不大。

不同土壤形態(tài)對拖拉機(jī)的胎壓需求也不一樣[3]，針對不同的作業(yè)環(huán)境合理調(diào)節(jié)輪胎壓力，可提高拖拉機(jī)的作業(yè)能力，特別是在深耕作業(yè)時，將胎壓降至100 kPa，可提高牽引功率6%~8%，增大輪胎接地面積約5%，減少油耗約6%。在運(yùn)輸作業(yè)時，將胎壓升至170 kPa，可降低輪胎接地面積約5%，降低輪胎磨損程度，延長輪胎使用壽命，另外可減少油耗約6%[4]。

針對不同拖拉機(jī)工況及時調(diào)節(jié)合適的輪胎壓力至關(guān)重要，但由于拖拉機(jī)的作業(yè)環(huán)境和工況時常變化，且拖拉機(jī)在作業(yè)時大多數(shù)地區(qū)不具備對輪胎進(jìn)行充放氣的條件，在實(shí)際作業(yè)過程中基本沒有用戶對輪胎壓力進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。因此，本文致力于開發(fā)一種快捷方便的拖拉機(jī)輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)，以解決目前拖拉機(jī)作業(yè)過程中胎壓無法調(diào)節(jié)的問題。

1 設(shè)計(jì)過程

1.1 方案討論

要實(shí)現(xiàn)對行駛過程中的拖拉機(jī)胎壓的自動調(diào)整，需要解決氣源問題[5-10]。在本文中研究的胎壓控制系統(tǒng)以拖拉機(jī)氣泵為氣源。氣泵與拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)齒輪連接，在拖拉機(jī)啟動狀態(tài)下氣泵工作產(chǎn)生壓縮氣體，壓縮氣體經(jīng)過卸荷閥（也稱調(diào)壓閥）進(jìn)入儲氣筒，儲存在儲氣筒內(nèi)。當(dāng)儲氣筒中氣體充滿，系統(tǒng)壓力達(dá)到0.7 MPa 時，調(diào)壓閥開啟，開始卸荷，確保整個控制系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到需要充氣時，會控制換向閥動作，儲氣筒內(nèi)的壓縮空氣通過換向閥進(jìn)入輪胎實(shí)現(xiàn)充氣；當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到需要放氣時，同樣會控制換向閥動作，使輪胎和大氣氣路接通，實(shí)現(xiàn)輪胎放氣。

1.2 原理設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)原理圖如圖1 所示，拖拉機(jī)輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)包括控制器8、壓力傳感器6 和輪胎充放氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在控制器8 內(nèi)預(yù)設(shè)有多種對應(yīng)不同作業(yè)形態(tài)的輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值，壓力傳感器6 用于檢測輪胎壓力并將輪胎壓力值傳送給控制器8，控制器8 用于將壓力傳感器6 傳送來的輪胎壓力值與控制器8 內(nèi)對應(yīng)作業(yè)形態(tài)下的輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值相比較，并根據(jù)比較結(jié)果向輪胎充放氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出給輪胎充氣/放氣或者保持不動的命令，實(shí)現(xiàn)對輪胎壓力的智能控制。與控制器8 連接設(shè)有用于選擇作業(yè)形態(tài)的多態(tài)選擇開關(guān)9。

圖1 拖拉機(jī)輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)原理圖

輪胎充放氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括氣泵1 以及連接氣泵1的儲氣筒4，與儲氣筒4 連接設(shè)有四個氣動電磁換向閥7，四個氣動電磁換向閥7 分別對應(yīng)控制四個輪胎的充氣和放氣，并且四個氣動電磁換向閥7 分別通過各自的信號線（圖1 中雙點(diǎn)劃線表示的氣路控制線路）與控制器8 相連接；每個輪胎對應(yīng)設(shè)有一個壓力傳感器6，壓力傳感器6 設(shè)置在氣動電磁換向閥7 與對應(yīng)輪胎之間的空氣管路中，并且每個壓力傳感器6均通過各自的信號線（圖1 中虛線表示的氣壓傳感線路）與控制器8 相連接。

氣泵1 在拖拉機(jī)啟動狀態(tài)下不斷向整個控制系統(tǒng)提供0.8 MPa 的穩(wěn)定氣源，正常情況下，四組氣動電磁換向閥7 處于中位（O 型），氣體都儲存在儲氣筒4中，當(dāng)儲氣筒4 中氣體充滿，系統(tǒng)壓力達(dá)到0.7 MPa時，卸荷閥2 閥芯開啟，開始卸荷，確保整個控制系統(tǒng)壓力穩(wěn)定、安全。當(dāng)駕駛員通過多態(tài)選擇開關(guān)9 選擇相應(yīng)工作模式（對應(yīng)為作業(yè)形態(tài)）時，輪胎的實(shí)際壓力（即當(dāng)前輪胎壓力）通過壓力傳感器6 反饋至控制器8，控制器8 將當(dāng)前輪胎壓力與控制器中預(yù)設(shè)的對應(yīng)作業(yè)形態(tài)的輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值相比較，根據(jù)對比結(jié)果控制氣動電磁換向閥7 的啟閉，從而對輪胎進(jìn)行充氣或放氣。

當(dāng)輪胎壓力小于預(yù)設(shè)的輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值，需要充氣時，控制器8 控制相應(yīng)的氣動電磁換向閥7 左位處于作業(yè)形態(tài)，儲氣筒4 向相應(yīng)的輪胎充氣，輪胎壓力達(dá)到控制器8 中預(yù)設(shè)的輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值時，控制相應(yīng)的氣動電磁換向閥7 中位處于作業(yè)形態(tài)，即停止充氣。當(dāng)輪胎壓力大于預(yù)設(shè)的輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值，需要放氣時，控制器8 控制相應(yīng)的氣動電磁換向閥7 右位處于作業(yè)形態(tài)，輪胎內(nèi)的氣體通過氣動電磁換向閥7 右位排出，輪胎壓力達(dá)到控制器8 中預(yù)設(shè)的輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值時，控制相應(yīng)的氣動電磁換向閥7 中位處于作業(yè)形態(tài)，即停止放氣。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。其中，氣泵1 缸徑為65 mm，排量為100 L/min，額定排氣壓力為0.8 MPa，可為整套系統(tǒng)提供0.8 MPa 的穩(wěn)定氣源；卸荷閥2 設(shè)定卸荷壓力為0.7 MPa，系統(tǒng)的壓力超過0.7 MPa 時卸荷閥2 自動打開開始卸荷，保證整個系統(tǒng)的安全性。為了避免卸荷閥2 發(fā)生故障無法正常卸荷，導(dǎo)致儲氣筒4 中壓力一直升高產(chǎn)生爆裂，儲氣筒4 上還設(shè)置有安全閥5（開啟壓力為0.85 MPa）。在儲氣筒4 的底部設(shè)置有放水閥3，通過打開放水閥3 可快速排除儲氣筒4 內(nèi)積累的水、油污，保證系統(tǒng)氣源清潔。

圖2 拖拉機(jī)輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)儲氣筒的氣壓達(dá)到設(shè)定壓力后，卸荷閥靠自身的結(jié)構(gòu)切斷空壓機(jī)至儲氣筒之間的氣路，同時使空壓機(jī)排氣直接通往大氣，實(shí)現(xiàn)卸荷。卸荷閥具體工作原理如圖3 所示。

圖3 卸荷閥工作原理圖

壓縮空氣通過進(jìn)氣口A 進(jìn)入，經(jīng)過過濾網(wǎng)B、斜孔C，再經(jīng)過單向閥D 由出氣口2 口輸出。同時，一部分氣體經(jīng)反饋氣路E 分別作用在膜片F(xiàn) 和進(jìn)氣閥門G 上，當(dāng)2 口的氣壓達(dá)到調(diào)定的壓力時，氣壓推動膜片F(xiàn)、壓縮彈簧H，打開進(jìn)氣閥門G，進(jìn)入I 腔，推動排氣活塞J，打開排氣閥門K，使A 腔的壓縮空氣連同過濾網(wǎng)B 上濾下的水、雜質(zhì)一起從3 口排出，使空壓機(jī)處于空載狀態(tài)。

2 裝車驗(yàn)證

如圖4 所示，該系統(tǒng)中每個壓力傳感器均通過各自的傳感器固定裝置設(shè)置在相應(yīng)車輪的輪轂上。傳感器固定裝置包括一個與車輪輪轂固定連接的U 型支架，U 型支架的兩個支腳端部設(shè)有內(nèi)彎的下翻邊，所述的下翻邊通過連接螺栓與車輪的輪轂固定連接。在U 型支架的底部外側(cè)固定連接有一個外套筒，外套筒的一端與U 型支架的底部固定連接，外套筒內(nèi)套設(shè)有內(nèi)套筒，內(nèi)套筒與外套筒遠(yuǎn)離U 型支架的一端動密封配合安裝，內(nèi)套筒伸進(jìn)外套筒內(nèi)的長度小于外套筒的長度，從而使外套筒內(nèi)腔與內(nèi)套筒內(nèi)腔相連通。在內(nèi)套筒遠(yuǎn)離U 型支架的一端連接有一個氣路連接器，氣路連接器與氣動電磁換向閥之間通過空氣輸送管路連接，壓力傳感器也連接在氣路連接器上。在外套筒上連接有用于與輪胎充氣門連接的充氣管路，空氣輸送管路與充氣管路均為氣動電磁換向閥與對應(yīng)輪胎之間的空氣管路的一部分。

圖4 拖拉機(jī)輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)支架裝配圖

在外套筒和內(nèi)套筒之間設(shè)有軸承，外套筒與軸承外圈過盈配合，內(nèi)套筒與軸承內(nèi)圈過盈配合并由鎖緊螺母壓緊，鎖緊蓋板壓緊旋轉(zhuǎn)密封圈使外套筒內(nèi)部形成密封空間，氣路連接器通過過渡接頭與內(nèi)套筒連接，氣路連接器和內(nèi)套筒通過軸承與外套筒可進(jìn)行相對轉(zhuǎn)動。

3 結(jié)語

該系統(tǒng)中預(yù)設(shè)有多種對應(yīng)不同作業(yè)形態(tài)的輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值，通過分析對應(yīng)作業(yè)形態(tài)下的作業(yè)形式、土壤形態(tài)等多種因素對拖拉機(jī)牽引力的影響，對輪胎的摩擦力、剪切力等理論數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)不同農(nóng)機(jī)具工作時對牽引力的影響及需求，結(jié)合實(shí)際田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)得出不同作業(yè)形態(tài)的輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值如下：運(yùn)輸模式下，輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值為180 kPa~200 kPa；中耕模式下，輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值為210 kPa~220 kPa；旋耕模式下，輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值為120 kPa~130 kPa；犁耙模式下，輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值為90 kPa~100 kPa。以上各作業(yè)模式，對應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境，也即對應(yīng)不同作業(yè)形態(tài)。

不同作業(yè)環(huán)境下選擇相應(yīng)合理的輪胎壓力可提高牽引功率6%~8%，充分發(fā)揮拖拉機(jī)功率，從而發(fā)揮拖拉機(jī)最大牽引力，并可提高作業(yè)效率、降低油耗。此外，該系統(tǒng)操作簡單方便，駕駛員在駕駛室內(nèi)通過多態(tài)開關(guān)根據(jù)不同作業(yè)形式便可選擇相應(yīng)作業(yè)形態(tài)對應(yīng)的輪胎壓力標(biāo)準(zhǔn)值，在控制器的控制下自動調(diào)節(jié)胎壓以適應(yīng)當(dāng)前的作業(yè)形態(tài)。