張含思 張雪瑩 張?zhí)K 劉楓 董潤堅 國文慧 王新陽

(吉林省農業(yè)機械研究院，吉林 長春 130000)

前言

拖拉機作為農業(yè)機械化生產過程的主要動力機械，其性能決定著農機作業(yè)質量及農業(yè)生產效率。懸掛系統(tǒng)是拖拉機的核心組成部分，其工作性能直接影響到田間作業(yè)效果[1]。懸掛系統(tǒng)性能的檢測可以為懸掛系統(tǒng)的故障診斷，系統(tǒng)改進，控制算法的優(yōu)化提供依據(jù)。傳統(tǒng)的提升力檢測方式工作量大、耗時長、自動化水平低，不便于對數(shù)據(jù)的采集與處理，且無法對拖拉機電控液壓控制策略進行驗證[2]，為解決上述問題，本文設計了一套拖拉機電控液壓懸掛系統(tǒng)檢測及加載試驗臺的電液加載系統(tǒng)，可以提高檢測效率，加速農業(yè)機械檢測過程自動化和智能化進程。

1 設計依據(jù)

液壓加載系統(tǒng)的設計必須根據(jù)設計要求，一切從實際出發(fā)，遵循液力傳動系統(tǒng)的設計原則，設計出結構簡單，成本低，操作方便，跟隨性、穩(wěn)定性、低超調及快速響應性能好的加載系統(tǒng)。拖拉機電液懸掛系統(tǒng)的研究是以耕深、驅動輪滑轉率和作業(yè)阻力控制參數(shù)進行的綜合控制。本文所設計的液壓加載系統(tǒng)要以《農業(yè)拖拉機試驗規(guī)程第4部分：后置三點懸掛提升裝置》及拖拉機實際工作過程中農機具受力狀態(tài)為設計依據(jù)，最大限度還原拖拉機實際作業(yè)工況。由于田間作業(yè)環(huán)境復雜，拖拉機作業(yè)過程中，農機具受到的土壤阻力受氣候條件、土壤結構、土壤比阻等多種因素的影響[3]，對拖拉機作業(yè)工況進行分析，確定以下4種加載方式：恒阻力加載，模擬農機具作業(yè)深度為某一定值且土壤條件一致時，農機具受到的土壤阻力；階躍形式加載，模擬拖拉機實際作業(yè)中，由于地面不平導致的農機具作業(yè)深度由某一位置變換到另一位置，且土壤條件一致時，農機具受到的土壤阻力；脈沖形式加載，模擬在實際作業(yè)過程中，若農機具突然遇到石子等障礙物后又恢復到初始作業(yè)條件時農機具所受的土壤阻力，農機具所受的土壤阻力會突然增大，當農機具離開障礙物后，土壤阻力恢復到初始狀態(tài)；斜坡形式加載，此加載形式主要模擬拖拉機實際作業(yè)時，農機具作業(yè)深度持續(xù)穩(wěn)定加大時，土壤阻力變化狀態(tài)。

基于拖拉機懸掛系統(tǒng)，建立一個拖拉機電控液壓懸掛系統(tǒng)檢測試驗臺的電液加載系統(tǒng)。用于實現(xiàn)拖拉機后置三點懸掛裝置下懸掛點的提升力、框架上的提升力、靜沉降、提升行程、下懸掛點離地高度等多種性能的自動檢測，同時還可以模擬農機具在土壤作業(yè)中的各種阻力情況，并進行長時間機具田間作業(yè)模擬試驗，驗證拖拉機浮動控制、力控制、位控制及力位綜合控制策略；并對電液加載系統(tǒng)進行研究。拖拉機懸掛檢測試驗臺的整體結構如圖1所示。

1.拖拉機機身；2.懸掛系統(tǒng)；3.加載裝置；4.試驗平臺；5.農機具框架；6.提升力油缸；7.加載臺架；8.鏈條；9.鏈輪；10.左負載油缸；11.左負載位置調整油缸；12.提升力位置調整油缸；13.鏈輪底座；14.右負載位置調整油缸；15.右負載油缸

2 液壓系統(tǒng)設計

為模擬提升力檢測試驗中農機具重力及拖拉機實際作業(yè)工況中農機具所受的土壤阻力，結合拖拉機懸掛檢測試驗臺的設計要求，本文采用電液閥比例加載的方式對懸掛系統(tǒng)施加穩(wěn)態(tài)阻力，實現(xiàn)對拖拉機電液懸掛系統(tǒng)的測試，其液壓系統(tǒng)原理見圖2。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

2.1 液壓系統(tǒng)工作原理

啟動電機后，系統(tǒng)開始工作。液壓泵產生的液壓油通過高壓濾清器流向三通比例減壓閥及電磁換方向，最終到達加載油缸。ECU通過對電磁換向閥的控制，可以實現(xiàn)加載油缸油路的控制。通過控制電磁比例溢流閥開度，調整加載油缸加載力的大小。蓄能器用來為系統(tǒng)蓄能；高壓濾清器用于保證系統(tǒng)油液純凈度；壓力表用于對系統(tǒng)油壓進行實時監(jiān)測。此外，提升力檢測系統(tǒng)加載鏈條上的力傳感器及負載油缸活塞桿處的力傳感器實時將檢測到的力信號反饋給ECU控制器，ECU控制器以目標信號與力傳感器反饋信號的差值為依據(jù)，采用PID算法對輸出電壓進行處理，通過對電磁比例溢流閥的開度的調整，實現(xiàn)加載力大小的精準控制。

2.2 液壓油缸計算

加載液壓缸的選用以需要測試的拖拉機最大牽引力為依據(jù)。提升力油缸的選型以35馬力拖拉機設計參數(shù)為依據(jù)；電液加載系統(tǒng)最大加載能力能達到20kN，提升行程≥420mm。負載油缸的選型主要以該拖拉機牽引力為主要依據(jù)，加載力可提供單側小于等于20kN的阻力。

根據(jù)活塞桿的推力計算公式，計算加載系統(tǒng)的最大系統(tǒng)壓力：

F=(P1-P2)×A

(1)

式中，P1、P2為油缸左腔、右腔的油壓；A為液壓桿腔內面積。

油缸最大工作壓力為將數(shù)值帶入公式計算，得出提升力油缸所學最大工作壓力Pmax=10.1MPa，負載油缸最大工作壓力為Pmax1=15.9MPa。因此，本文選用壓力等級為18MPa，液壓油缸長度選擇500mm。

本試驗臺提升力測試系統(tǒng)中油缸壓力由外部載荷決定，油缸尺寸與系統(tǒng)流量，決定了活塞桿的運動速度。為使試驗臺滿足不同型號拖拉機后懸掛提升行程的要求，同時綜合考慮油缸安裝位置及拖拉機懸掛系統(tǒng)最低點離地高度，選擇行程為600mm的提升力加載油缸；選擇油缸型號HSGΦ40×Φ28×600；提升力位置調整油缸行程為150mm，HSGΦ50×Φ36×150。

農機具模擬負載試驗中，當農機具入土時，負載油缸的行程最短；當拖拉機后懸掛系統(tǒng)將農機具框架最高點時負載油缸達到行程最大值[4]，如圖3所示；電控液壓懸掛系統(tǒng)最小行程為494mm，最大行程為756mm；負載油缸活塞桿的行程約為141mm。本文選擇行程為150mm的單活塞桿液壓油缸，選擇負載油缸型號為HSGΦ40×Φ32×150；行程為150mm的負載位置調整油缸，油缸型號為HSGΦ40×Φ28×150。

表1 油缸參數(shù)選擇

圖3 拖拉機后懸掛系統(tǒng)油缸形成分析

2.3 驅動電機的選擇

液壓油泵所需的驅動功率：

(2)

式中，Pp為油泵最大工作壓力，MPa；Qp為所選泵的額定流量，L·min-1；ηp為泵的總效率，取0.9。

其中，液壓泵額定壓力依據(jù)系統(tǒng)最大工作壓力，選擇泵額定壓力20MPa，額定流量35mL·min-1。根據(jù)上述功率計算，提升力選取Y2-160M-4/B35型三相異步電動機，其額定功率為11kW，額定轉速為1460r·min-1。負載模擬系統(tǒng)選取Y2-140M-4/B35型電機，其額定功率為7.5kW，額定轉速為1460r·min-1。

2.4 閥的選擇

2.4.1 電磁比例溢流閥

對加載系統(tǒng)油路的設計可知，ECU控制器通過對電磁比例溢流閥輸入連續(xù)變化的電壓，來實現(xiàn)加載油缸加載力的連續(xù)，線性的變化。本試驗選用型號為DBEM10-30B/200YM的先導式電磁比例溢流閥，其具有根據(jù)輸入信號變化無級調節(jié)系統(tǒng)壓為的特點，同時具有高壓保護裝置，提高系統(tǒng)安全性。

表2 電磁比例溢流閥主要技術參數(shù)

2.4.2 比例減壓閥

比例減壓閥在ECU控制器的控制下，實現(xiàn)加載油缸負載保持作用及壓力溢流作用。本文選用型號為RZGO-AE-033的三通比例減壓閥。系統(tǒng)壓力受閥芯①控制，而①又受到先到比例溢流閥②的直接作用，中間的壓力補償流量控制插件③確保了壓力在變動時的常流量。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)控制原理

為實現(xiàn)拖拉機懸掛檢測試驗臺的最大提升能力檢測及拖拉機電控液壓懸掛系統(tǒng)控制策略的驗證。本試驗臺共包括3個控制閥臺，分別為提升力控制閥臺，加載油缸閥臺，位置調整閥臺。加載系統(tǒng)的工作原理：對拖拉機后懸掛系統(tǒng)分析，根據(jù)拖拉機后選懸掛系統(tǒng)最大提升能力的設計要求，確定施加給拖拉機后懸掛系統(tǒng)的加載力，將該信號傳給ECU，ECU控制器通過對信號的運算處理、輸出相應的控制電壓，控制電磁比例溢流閥的輸出壓力，控制油缸活塞桿輸出力。加載鏈條上的拉壓力傳感器用于檢測電液系統(tǒng)施加給拖拉機后懸掛的垂直向下的拉力，反饋給ECU，實現(xiàn)閉環(huán)控制。此外，通過安裝在連接平臺上的傾角傳感器及拉線傳感器，檢測出加載鏈條與豎直方向的偏轉角，反饋給ECU，通過ECU內部計算出提升力位置調整油缸需要輸出的位移，依據(jù)該信號控制電磁換向閥換向，使鏈條的加載力始終保持豎直向下，最終實現(xiàn)精確加載。試驗臺控制原理如圖4、圖5所示。

表3 比例減壓閥調節(jié)參數(shù)

圖4 試驗臺加載系統(tǒng)控制原理

圖5 位置調整系統(tǒng)控制原理

3.2 控制系統(tǒng)硬件設計

繼電器控制系統(tǒng)具有不穩(wěn)定、可靠性差等缺陷和不足。為避免上述情況，選用西門子S7-300系列的CPU314作為控制系統(tǒng)的核心組成部分，極大增強系統(tǒng)抗干擾能力。此外，系統(tǒng)具有分析和運算的功能，大大提升了系統(tǒng)的工作性能。該系統(tǒng)具體的控制結構配置如圖6所示。

圖6 檢測及加載控制系統(tǒng)硬件組成框圖

圖7 試驗臺操作界面

從圖6可以看出，拖拉機懸掛檢測及加載試驗臺控制系統(tǒng)需要的反饋信號主要是加載油缸的輸出壓力，根據(jù)實際的使用需求，還可以額外拓展模塊。設計其數(shù)字量輸入模塊1個，傳遞的信號包括電機啟動、電機關閉、回油過濾器堵塞報警、系統(tǒng)急停、壓力報警。其中，回油過濾器堵塞、系統(tǒng)壓力為報警信號。

該控制系統(tǒng)的數(shù)字量輸出模塊1個，輸出信號包括報警燈、蜂鳴器、LCD觸控顯示屏、中間繼電器。

該拖拉機懸掛檢測系統(tǒng)的模擬量輸入信號模塊有2個，分別是高壓泵出口壓力傳感器和油缸加載力傳感器。另外，還有傾角傳感器、農機具框架位移傳感器、油缸位移傳感器的信號處理模塊也能進行輸入。因此，在本系統(tǒng)配置的是1個RS485輸入端口，1個SM321型數(shù)字量輸入模塊，1個EM322型數(shù)字量輸出模塊，2個332型模擬量輸出模塊，2個331型模擬量輸入模塊共同組成，達到了系統(tǒng)的使用要求。

為了使操作更加便捷，簡便、可操控性高的人機交換界面是必不可少的。但由于PLC沒有此項功能，因此本文的控制系統(tǒng)通過LCD顯示屏作為輔助來實現(xiàn)人機交互。該系統(tǒng)還保留了可以對狀態(tài)進行顯示、監(jiān)測與對工作參數(shù)進行設置的通道。在出現(xiàn)故障時，可以快速響應，通過設定的處理方案，排除故障，確保試驗臺的智能化運行。

3.3 系統(tǒng)軟件設計

依據(jù)試驗臺的設計要求與功能需求，確立了系統(tǒng)各執(zhí)行機構的相互關系和動作順序，該檢測試驗臺的邏輯控制程序主要由傳感器、報警裝置開關、繼電器、電磁比例閥等元件的功能進行組合來構成。選用與SIEMENS S7-300系列PLC相配套的LCD顯示屏實現(xiàn)人機交互功能。

在該控制界面中，操作人員能夠選擇拖拉機懸掛檢測試驗臺的運行模式包括自動運行及手動運行。在開始的操作界面中，對試驗拖拉機的參數(shù)進行輸，進入操作系統(tǒng)后，點擊相應的加載油缸，可以對加載油缸的目標值進行設定。選擇相應的試驗，可以對拖拉機電控液壓懸掛系統(tǒng)進行驗證。本試驗臺的全部運行狀態(tài)都顯示在LCD觸控顯示屏上，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測。本系統(tǒng)在初始界面當中能夠顯示試驗臺各加載缸的長度、角度、拉壓力、壓力等值；可測試試驗過程中農機具框架傾角，并實時顯示在控制界面上。在拖拉機后懸掛提升能力檢測試驗過程中，可以顯示傳動鏈條加載角度及拉壓力、農機具框架垂直移動距離等在觸控顯示屏上。

4 小結

通過對試驗臺加載系統(tǒng)的設計及控制目標進行分析，確定試驗臺總體加載方案及整體結構布置后，對液壓系統(tǒng)油路進行設計，并對液壓系統(tǒng)的關鍵元件進行設計選型。對控制系統(tǒng)的軟、硬件進行設計。所設計的控制系統(tǒng)布線清晰，結構簡單，操作便捷，測試精度高，更加智能化；采用基于PID調節(jié)器的閉環(huán)控制，穩(wěn)定性及抗干擾能力強；與大部分拖拉機后懸掛系統(tǒng)的匹配度高。經試驗運行檢測結果表明，該拖拉機懸掛檢測試驗臺控制系統(tǒng)的設計具有非常實際的使用價值。