1.1 课题的研究背景和研究意义
我国作为农业大国,对农业机械方面的需求量非常大,作为农机中的牵引驱动设备拖拉机发挥了很大的作用。随着农业生产方式的转变、国家对农业的扶持,农民人均收入的提高及农产品价格的提高,农业机械出现快速发展的趋势。我国拖拉机保有量达约 2500 万台,我国已成为全球农机装备使用大国和生产大国。虽近几年涨幅放缓,但是还有较高的需求。目前,我国低端农业机械产品供大于求,但是高端农业产品仍供不应求,市场上 90%以上的国产农业机械为中低端产品,已经不能满足国内现代化农业智能化和自动化、节能减排、驾驶舒适性、及耕作质量等发展的需要[2]。国内拖拉机生产厂家意识到仅通过规模上的竞争效果非常有限,为了吸引更多的用户,拖拉机行业的巨头最终通过用户的需求选择把产品做的更优,以技术来赢得更多的用户,将目标定位于将来的高端市场。但是相对于我国的拖拉机技术和制造水平和国际在智能化和信息化技术的发展还有不小的差距[3]。 拖拉机悬挂系统作为拖拉机牵引控制农具的装置,可以根据反馈的位置,牵引力选择不同的控制方式,以控制农具的耕作效果。传统的机械控制悬挂结构比较复杂,因为迟滞、摩擦、热胀冷缩等原因使性能大打折扣,相比电液悬挂系统在耕作效果、操作舒适性、智能化、节能大功率等方面的优势,机械悬挂已不适应现代化农业机械的发展。
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1.2 国内外研究现状
现代农业的发展基于高效的设备,尤其是高速高牵引力的拖拉机和农业机械,其中连接拖拉机和农具的三点悬挂发挥了很大的作用。起初随着拖拉机发动机的性能提升开始在在拖拉机上安装犁具。1925 年 Harry Ferguson 发明了牵引力控制的犁[4],这种做法得到了全世界的认可,这种原理到现在也还在使用,成为农业机械史上最成功的发明之一。如图 1.1,Ferguson 发明使用了一种三个点的链接机构来链接犁具和拖拉机,这个解决方案后来成了标准被全世界使用到现在。但是,发现在比较泥泞的农田,拖拉机的牵引力无法传递到犁具,因为轮胎打滑减少了拖拉机的牵引力,意识到并为了防止这种现象,做了一个闭环系统使犁具的位置随动。这个系统包含 4 个系统参数:三点链接机构的拉力,拖拉机牵引轴的扭矩,犁具的工作深度,提升缸的压力[5]。后来 Ferguson 在上连接点加入了弹簧作为传感器,通过弹簧的长度间接控制液压控制阀,形成了拉力控制模式。1936 年 Bosch 公司延伸出力控制模式和位置控制模式,使用这两种模式使牵引力恒定减少了轮胎打滑的出现,使拖拉机的能量更多的转化为牵引力。为了更好的作业必须弄清犁具耕深和牵引力之间的关系,使力的方向不再变化,因此牵引力控制系统控制的变量由上连接点力变为下链接点力的合力,为了测量这个力发明了很多不同的机械解决方案。但是这个力测量系统有个缺点,即在土壤环境巨大变化时,犁具耕作深度变化太大,为此 John Deere 发明了力-位置混合的控制模式,用以限制犁具在耕作过程中深度的变化。二战后美国和英国意识到了牵引力控制系统,在美国仅福特多年使用一个叫做负载监视的解决方案, 这个机械系统通过测量拖拉机后驱动轴的扭矩以改变犁深的变化。德国的拖拉机制造商 Hanomag发明了一种叫做 Hanomag-Pilot 的系统,如图 1.2,这个系统通过一个轮子测量犁具的耕作深度,然后将这个机械信号通过缆绳传递给液压闭式回路系统,但系统里的机械摩擦成了主要的问题,因此它的寿命只有几年。一些其他的德国制造商研发了一种叫做 Wheel-Force-Amplifier 方案,这是一个开环控制系统,主要调整控制阀到储能器之间的节流阀。这个系统将负载力传递为常数的问题解决了,但是长时间通过节流阀的油液导致了液压油发热的问题。
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第 2 章 拖拉机悬挂电液提升控制系统分析与设计
国家标准 GB/T 1593.2-2003 规定:下悬挂点后的 610mm 处作为加载点,每千瓦的牵引功率应提供大于 300N 的提升力。国家机械行业标准规定拖拉机液压提升器:操纵手柄应可以在规定位置定位,手柄操作力应小于 70N;静沉降值 30 分钟内小于整个行程的 4% ,提升时间小于 3 秒,耐久性试验 30 万次[28]。
2.1 拖拉机后悬挂的组成
现在市场上的中小型拖拉机主要以机械悬挂为主电液悬挂为辅,大中型拖拉机以电液悬挂为主,且越来越趋于智能化[29]。本文主要研究电液悬挂。悬挂系统由悬挂机构、液压系统、操纵机构三部分组成。悬挂机构有两点式悬挂和三点式悬挂,主流市场通常采用三点悬挂,图 2.1:由一根上拉杆、两根下拉杆,两根提升臂、两根提升杆、两根限位链以及连接销等辅助部件组成;液压系统由液压泵、控制阀、液压缸和连接管路等组成;操纵机构由操纵手柄和反馈机构组成[30]。其液压部分依据各个液压元件在拖拉机上的安装位置不同,分为整体式、半分置式和分置式,国内悬挂系统多为半分置式结构,依据分配器的安装位置又分为内置式和外置式。
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2.2 拖拉机悬挂系统具有的控制模式及功能
拖拉机悬挂电液控制系统具有多种工作模式,如位置控制,力控制模式,力位综合模式,浮动模式,减震模式,运输模式,快速提升下降功能等,这些功能可根据需要在控制面板选择。通过调节拖拉机和犁具的相对位置间接调节耕作深度。在位置控制模式下,位置传感器将检测到的犁具位置信号反馈给控制器,控制面板将位置控制旋钮的设定值也传递给控制器;系统首先计算两者的差值,通过差值的正负符号决定打开上升阀还是下降阀以决定农具的动作方向,通过差值的绝对值大小计算电比例阀的阀口开度;直至到犁具和拖拉机的相对位置达到指令对应的位置,泵卸荷系统等待下一个指令,其耕作效果如图 2.5。其优势是在平整的土地上耕作出的土地耕深均匀,且耕作深度随时可调,土壤阻力的变化不影响耕作深度;当土地不平整时,耕作的土地很难达到均匀的耕深,且牵引力也随地形变化;尤其是复杂地形时,耕深引起的土壤阻力变化很大,直接影响拖拉机的牵引力,严重时可使发动机熄火,当操作人员感觉发动机吃力时需要手动介入,对操作人员要求比较高。所以位置控制适用于较为平整且土壤软硬变化不大的土地。
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第 3 章 拖拉机悬挂电液提升控制系统建模.... 23
3.1 电液提升控制液压系统模型搭建 ........ 23
3.2 拖拉机悬挂电液控制系统位置控制模型 .... 25
3.3 拖拉机悬挂电液控制系统力控制、力位综合控制模型 .... 28
3.4 本章小结 ........ 35
第 4 章 拖拉机悬挂电液提升控制系统仿真.... 37
4.1 拖拉机悬挂电液控制系统提升阀模型仿真 ........ 37
4.2 拖拉机悬挂电液控制系统位置控制仿真 .... 37
4.3 拖拉机悬挂电液控制系统力、力位综合控制仿真 .... 42
4.4 仿真结果总结 ........ 47
4.5 本章小结 .... 48
第 5 章 实验研究 .... 49
5.1 试验台方案选择 .... 49
5.2 试验台的搭建 ........ 58
5.3 试验参数的优化 .... 59
第 5 章 实验研究
使用软件仿真只是对思路和原理的简单验证。因为实际系统中还存在液压介质在管路中和各阀口阀芯的流动阻力,液动力,液压源的流量饱和,超越负载,电磁铁的响应速度等液压问题;机械部件间的摩擦,各部件及整体的惯性,结构设计缺陷等机械问题;传感器的非线性误差,重复性误差,分辨率,迟滞,温漂,采样频率,电磁干扰等误差。以及控制器模拟量分辨率,运算速率等性能因素。整个系统的误差累计到一起很容易超过设计误差,尤其是拖拉机的使用环境非常恶劣,不能仅依据仿真环境。所以需要设计试验台,将机械、液压、电气结合到一起并将相应的机构简化,控制原理简化,通过实验数据验证仿真结果,发现设计缺陷,优化仿真模型。将仿真模型调试到与实验台一致,在此基础上继续仿真,节省调试时间,通过仿真结合实验的方法加快研发进度[64]。
5.1 试验台方案选择
液压悬挂系统是拖拉机标配的工作装置之一,现在很多大中型的拖拉机都适合安装电液控制的悬挂。但是电液控制系统的开发,需要在试验台上加载模拟犁具重力以及土壤阻力;产品出厂时需要严格的检测系统的提升时间,最大提升力,静沉降等参数[65] [66]。实验室现在的加载装置主要有重块加载和固定油缸加载,因为重块是分级的[67],所以载荷不能连续变化的;固定油缸加载只能加载垂直力,又因油缸摆动造成加载误差[68]。总结这些装置优缺点,一是只能加载垂直力,二是不能连续加载。为了测试和验证拖拉机提升系统的功能,加载系统应该具有以下功能:在两个方向上可调整大小的拉力;加载力可以连续变化以模仿工作时的土壤阻力;确保在试验期间加载力大小和方向可控。所以需要设计出一种新颖的加载方案,解决以前加载的不连续,误差大,响应速度慢,不能模拟土壤阻力,体积大,布局死板不