卓曉冬,張華軍,徐玉峰

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京分院,南京 210019)

0 引言

聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)精準(zhǔn)控制是收割機(jī)作業(yè)控制的關(guān)鍵技術(shù)。工作時(shí),轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓傳動(dòng)的方式帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)傳動(dòng),液壓系統(tǒng)在傳感技術(shù)與PLC控制技術(shù)共同控制條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)控制[1-2]。聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)過(guò)程中,在不同硬度田地作業(yè)時(shí),轉(zhuǎn)向過(guò)程中土壤變形程度不同,其負(fù)載力矩也存在不同程度的差異,造成轉(zhuǎn)彎所需的驅(qū)動(dòng)力不同[3]。為此,從收割機(jī)轉(zhuǎn)向過(guò)程負(fù)載力矩入手,建立轉(zhuǎn)向過(guò)程前輪動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)負(fù)載值確定轉(zhuǎn)向過(guò)程所需的液壓驅(qū)動(dòng)載荷,選用液壓馬達(dá)作為動(dòng)力源,在PLC控制條件下進(jìn)行收割機(jī)轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)控制。

1 聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研分析可以得出,某聯(lián)合收割機(jī)的整體質(zhì)量不大于700kg,前后軸距為3000mm,輪距為1300mm,行駛速度不大于30km/h,最大轉(zhuǎn)彎半徑小于3.5m。聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向液壓缸組成,其轉(zhuǎn)向液壓缸一端與收割機(jī)車(chē)架固定,另一端與齒條連接,齒條可在設(shè)定的軌道內(nèi)滑動(dòng),帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn),使聯(lián)合收割機(jī)的車(chē)輪可在控制范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)的轉(zhuǎn)向[4～6]。聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖,如圖1所示。

聯(lián)合收割機(jī)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包含控制器和換向閥控制元器件,利用傳感器對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行采集,轉(zhuǎn)向執(zhí)行元器件采用轉(zhuǎn)向液壓缸;當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí),駕駛員操縱方向盤(pán),PLC控制器根據(jù)輸入指令進(jìn)行運(yùn)算后發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào),轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器對(duì)轉(zhuǎn)向信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算分析,向液壓換向閥發(fā)出電信號(hào),控制電磁閥閥芯進(jìn)行運(yùn)動(dòng),同時(shí)油泵向液壓系統(tǒng)提供恒壓液壓油[7];液壓油經(jīng)過(guò)油泵加壓后,通過(guò)換向閥流入液壓缸中,液壓缸在油壓作用下開(kāi)始伸長(zhǎng)或收縮,推動(dòng)轉(zhuǎn)向齒條滑動(dòng),轉(zhuǎn)向齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向控制。收割機(jī)車(chē)輪轉(zhuǎn)角傳感器用于對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)角位置信息進(jìn)行采集,并將信號(hào)信息反饋給PLC控制器,控制器將位置信息與分析得出的控制指令進(jìn)行對(duì)比,再發(fā)出控制指令,使收割機(jī)的轉(zhuǎn)向角度誤差在設(shè)計(jì)精度范圍內(nèi)[8-9]。

2 聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向過(guò)程示意圖如圖2所示。收割機(jī)沿著彎道轉(zhuǎn)向時(shí),前輪在控制系統(tǒng)指令下主動(dòng)轉(zhuǎn)向,收割機(jī)后輪隨動(dòng)轉(zhuǎn)向,兩個(gè)前輪轉(zhuǎn)向路徑圓心重合,且與后輪軸延長(zhǎng)線重合,在轉(zhuǎn)向過(guò)程中收割機(jī)4個(gè)車(chē)輪均是滾動(dòng)形式[10]。聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向過(guò)程的轉(zhuǎn)角關(guān)系可表示為

其中,BC表示聯(lián)合收割機(jī)輪距;AB表示收割機(jī)軸距。

圖2 聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of steering process of combine

當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)在硬質(zhì)地面轉(zhuǎn)向時(shí),主要克服收割機(jī)轉(zhuǎn)向輪繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力和車(chē)輪轉(zhuǎn)向過(guò)程中輪胎變形產(chǎn)生的阻力,且包含部分轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦力[11]。對(duì)以上阻力的計(jì)算非常困難,因此在計(jì)算過(guò)程中直接計(jì)算收割機(jī)轉(zhuǎn)向過(guò)程中的轉(zhuǎn)向阻力矩M1,即

其中,η表示收割機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)效率;G1表示收割機(jī)轉(zhuǎn)向輪質(zhì)量;ξ表示轉(zhuǎn)向過(guò)程綜合摩擦因數(shù);e表示轉(zhuǎn)向輪中心與轉(zhuǎn)向節(jié)銷(xiāo)軸之間的距離;k表示轉(zhuǎn)向過(guò)程當(dāng)量半徑。

當(dāng)收割機(jī)在軟地面轉(zhuǎn)向時(shí),不僅需要考慮轉(zhuǎn)向過(guò)程中的阻力矩,同時(shí)需要考慮地面變形產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力矩[12]。收割機(jī)在軟地面轉(zhuǎn)向過(guò)程中,破壞土壤結(jié)構(gòu),收割機(jī)車(chē)輪下陷,土壤在應(yīng)力作用下對(duì)車(chē)輪產(chǎn)生剪應(yīng)力。因此,在計(jì)算收割機(jī)轉(zhuǎn)向過(guò)程阻力矩時(shí),需要考慮土壤的剪切強(qiáng)度[13],則有

其中,qn表示土壤剪切強(qiáng)度;C表示土壤黏結(jié)力;φ表示土壤的內(nèi)摩擦角。

聯(lián)合收割機(jī)在軟地面轉(zhuǎn)向過(guò)程中克服土壤下陷的阻力矩M2可表示為

M2=qnAcosθ

其中,A表示收割機(jī)轉(zhuǎn)向輪與土壤之間的接觸面積;θ表示車(chē)輪轉(zhuǎn)角。

聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向過(guò)程中的最大阻力矩M可表示為

M=M1+M2

3 聯(lián)合收割機(jī)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓系統(tǒng)如圖3所示。工作過(guò)程中,液壓油經(jīng)過(guò)系統(tǒng)濾清器從油箱進(jìn)入變量泵,在調(diào)節(jié)溢流閥和節(jié)流閥作用下進(jìn)行回路內(nèi)油液和流量的控制,進(jìn)入轉(zhuǎn)向回路當(dāng)中控制聯(lián)合收割機(jī)的轉(zhuǎn)向[14]。

圖3 聯(lián)合收割機(jī)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)圖Fig.3 Hydraulic steering system diagram of combine harvester

聯(lián)合收割機(jī)行走過(guò)程中液壓馬達(dá)的理論設(shè)計(jì)排量V可表示為

其中,Δp表示液壓系統(tǒng)壓力值。

根據(jù)計(jì)算得出的轉(zhuǎn)向過(guò)程最大阻力矩、系統(tǒng)工作壓力及理論設(shè)計(jì)排量,選擇液壓馬達(dá)最大工作壓力為17MPa,最大轉(zhuǎn)速為n=653r/min,輸出扭矩為142N·m,理論排量為V0=80mL/r,該液壓馬達(dá)容積效率為ηM=90%,故可以計(jì)算出液壓馬達(dá)的實(shí)際流量qMmax為

液壓馬達(dá)的實(shí)際工作壓力pM為

轉(zhuǎn)向液壓缸直徑D可表示為

其中,F表示轉(zhuǎn)向液壓缸外部負(fù)載。

聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向過(guò)程中,液壓系統(tǒng)之間處于并聯(lián)狀態(tài),系統(tǒng)的工作壓力與液壓馬達(dá)和轉(zhuǎn)向液壓缸的最大工作壓力有關(guān),因此可以計(jì)算得出聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的工作壓力P為

P=Δp+∑ΔP

其中,∑ΔP表示轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的總壓降值。

當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓馬達(dá)和液壓缸同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,系統(tǒng)需要的流量qm可表示為

qm=K∑Q

其中,K表示泄露系數(shù);∑Q表示系統(tǒng)各液壓元件流量值。

在聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)中,安全閥用于在轉(zhuǎn)向過(guò)程中對(duì)液壓馬達(dá)緩沖回路中,因此選擇溢流量較小的溢流閥。其他有關(guān)控制閥根據(jù)系統(tǒng)工作壓力和流量選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓元器件。表1所示為聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)元器件明細(xì)。

表1 聯(lián)合收割機(jī)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)元器件明細(xì)Table 1 List of components of hydraulic steering system of combine

4 聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)方向盤(pán)上安裝有角位移傳感器,轉(zhuǎn)向過(guò)程中的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角位置作為PLC控制器的輸入?yún)?shù),經(jīng)控制器運(yùn)算后,得出當(dāng)前時(shí)刻的收割機(jī)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度目標(biāo)值;同時(shí),結(jié)合齒輪齒條傳動(dòng)比計(jì)算得出齒輪旋轉(zhuǎn)目標(biāo)弧長(zhǎng),該弧長(zhǎng)即表示齒條的位移量,也與轉(zhuǎn)向液壓缸的位移量相同。PLC控制器將位移量換算成位移傳感器位移值,將位置量與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算液壓缸的伸長(zhǎng)或縮短長(zhǎng)度;當(dāng)偏差值在目標(biāo)范圍內(nèi)時(shí),控制器保持當(dāng)前轉(zhuǎn)向控制狀態(tài)。圖4所示為聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制流程圖。

圖4 聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制流程圖Fig.4 Control flow chart of combine steering system

選擇的PLC控制器包含32個(gè)輸入輸出接口,輸入接口18個(gè),輸出接口14個(gè),輸入輸出接口采用8進(jìn)制的編碼方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

聯(lián)合收割機(jī)方向盤(pán)上的角位移傳感器在轉(zhuǎn)向過(guò)程中將轉(zhuǎn)角信號(hào)傳遞給PLC控制器,經(jīng)PLC控制器解調(diào)后生成轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的齒條位置信息。線位移傳感器用于對(duì)轉(zhuǎn)向齒條和轉(zhuǎn)向液壓缸的位移信息進(jìn)行采集。表2所示為位移傳感器技術(shù)參數(shù)。

5 結(jié)論

聯(lián)合收割機(jī)轉(zhuǎn)向過(guò)程中,車(chē)輪與土壤之間相互作用,尤其在黏濕田地作業(yè)時(shí),收割機(jī)前輪轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)與理論參數(shù)值之間存在較大偏差。為此,分別利用角位移傳感器和直線位移傳感器對(duì)轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移值進(jìn)行檢測(cè),反饋至PLC控制器進(jìn)行修正,以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向過(guò)程的精準(zhǔn)化控制。

表2 位移傳感器技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of displacement sensor