翟艷輝

(河南省三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

0 引言

我國作為農(nóng)作物產(chǎn)出與種植大國，不同的地形對于農(nóng)用機(jī)械提出了更高的要求。在地勢不同的山地丘陵地區(qū)，山地拖拉機(jī)的作業(yè)優(yōu)勢更為明顯，為不斷推動農(nóng)業(yè)機(jī)械向先進(jìn)化與智能化方向發(fā)展，其設(shè)計(jì)與研發(fā)勢在必行。經(jīng)翻閱資料文獻(xiàn)可知，我國的山地拖拉機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)與國外研發(fā)相比有點(diǎn)落后，但近年來國內(nèi)相關(guān)學(xué)者已通過對山地拖拉機(jī)的應(yīng)用性能改進(jìn)取得了明顯進(jìn)展，圖1為山地拖拉機(jī)外形圖。由圖1可知：山地拖拉機(jī)較通用拖拉機(jī)應(yīng)具備高效的轉(zhuǎn)向性能與穩(wěn)定的機(jī)身平衡性能，筆者以進(jìn)一步提升山地拖拉機(jī)的工作效率為目標(biāo)，利用機(jī)電液一體化控制技術(shù)，以行走與轉(zhuǎn)向動作為設(shè)計(jì)切入點(diǎn)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

山地拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向通常由機(jī)械轉(zhuǎn)向與助力轉(zhuǎn)向兩大部分構(gòu)成，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以機(jī)械運(yùn)動為主，系統(tǒng)的工作較為單一且精度不高；將液壓控制與電氣控制相繼融合，形成了電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)向精度大幅度提升。表1列出了當(dāng)前國內(nèi)外山地拖拉機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的轉(zhuǎn)向控制應(yīng)用技術(shù)。在相對特殊的作業(yè)場合，如山地、丘陵、坡地等，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用的關(guān)鍵控制技術(shù)主要表征為液壓減振、HER電液懸掛與整機(jī)集成控制等。

圖1 專用山地拖拉機(jī)外觀圖Fig.1 AppearanceFigure of the special mountain tractor表1 山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向控制應(yīng)用技術(shù)Table 1 Main components and parameters of the mountain tractor

序號應(yīng)用場合關(guān)鍵控制技術(shù)拖拉機(jī)系列產(chǎn)品1山地、丘陵液壓提升擺動減振Geotrac4系列2山地HER電液懸掛CNH、一拖系列3山地、丘陵負(fù)載傳感靜液壓轉(zhuǎn)向Monty系列4坡地履帶行走、車身調(diào)平機(jī)構(gòu)STI-8系列5重載場合整機(jī)集成技術(shù)BD200-500系列6變地形變地隙行走控制北航研發(fā)中

電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是助力轉(zhuǎn)向控制方式之一，在電機(jī)的直接驅(qū)動下，液壓泵準(zhǔn)確動作，并給予拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)提供所需動力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。其間，涉及泵的流量與壓力大小控制，山地拖拉機(jī)行駛速度與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩角度等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

為更好地實(shí)現(xiàn)山地拖拉機(jī)電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，圖2給出了應(yīng)用于山地拖拉機(jī)的電機(jī)控制內(nèi)部形成機(jī)理。由圖2可知：以電磁轉(zhuǎn)矩控制原理為主線，在電機(jī)的定子勵磁繞組與中樞繞組間將d軸定義為主磁極基波磁場軸，q軸定義為交軸，在勵磁電流if的作用下，以ωr角速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，形成N、S兩極磁極，進(jìn)而構(gòu)成總轉(zhuǎn)矩恒定的換向器繞組，這在山地拖拉機(jī)電控中起到關(guān)鍵作用。

圖2 應(yīng)用于山地拖拉機(jī)的電機(jī)控制內(nèi)部形成機(jī)理Fig.2 Internal forming mechanism of motor control applied to mountain tractor

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

山地拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向動作基于電機(jī)控制技術(shù)，結(jié)合圖3所示的電機(jī)控制原理示意圖，為驅(qū)動山地拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲取準(zhǔn)確信號并動作。根據(jù)機(jī)械動力學(xué)運(yùn)動原理，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)運(yùn)動模型為

(1)

式中te—山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩；

Ωr—山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；

RΩ—山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻尼系數(shù)；

tL—電機(jī)所帶動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

J—山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量(包括轉(zhuǎn)子)。

設(shè)θΩ為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度(機(jī)械角度)，得

(2)

結(jié)合式(1)、式(2)，化簡得

(3)

圖3 電機(jī)控制原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of motor control principle

分析拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在行進(jìn)過程中核心參數(shù)，將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩與山地拖拉機(jī)的整機(jī)行進(jìn)速度作為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，分別表征基于電機(jī)控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)調(diào)速與伺服特性，形成如圖4所示的山地拖拉機(jī)電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。

圖4 山地拖拉機(jī)電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程簡圖Fig.4 Design progress brief diagram of the electric control hydraulic steering system of the mountain tractor

其主要融入轉(zhuǎn)向PID控制的核心算法，對轉(zhuǎn)速的傳感信號調(diào)節(jié)與傳遞、驅(qū)動電機(jī)電流的傳感信號調(diào)節(jié)與傳遞進(jìn)行實(shí)時控制，與預(yù)先設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比，根據(jù)測定信號調(diào)節(jié)及控制拖拉機(jī)的液壓泵的流量與流速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓缸運(yùn)動行程的精準(zhǔn)控制。

2.2 核心部件參數(shù)設(shè)計(jì)

基于電機(jī)控制與液壓執(zhí)行相結(jié)合的山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理分析，選取核心部件進(jìn)行參數(shù)值設(shè)計(jì)調(diào)整，列出如表2所示的核心部件參數(shù)的名稱及給定設(shè)計(jì)值。在保證轉(zhuǎn)向平衡度為75%的基礎(chǔ)上，利用拖拉機(jī)四輪驅(qū)動機(jī)理，設(shè)計(jì)前后液壓缸的作業(yè)行程，同時選定電液比例換向閥的工作壓力為25MPa，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電控液壓效率為90%。

表2 山地拖拉機(jī)電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)核心參數(shù)設(shè)計(jì)Table 2 Main parameters design of the electric control hydraulic steering system on the mountain tractor

根據(jù)山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)核心參數(shù)的選取，設(shè)計(jì)出包含電控單元、液壓控制回路與多種角度與位置傳感裝置構(gòu)成的電控液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。其中，依據(jù)拖拉機(jī)的輪胎偏轉(zhuǎn)角度與液壓缸執(zhí)行的伸縮量建立內(nèi)部的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行轉(zhuǎn)角動作。圖5為山地拖拉機(jī)電控液壓裝置的工作簡圖。其工作過程簡要概述為：山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向盤的變化，將產(chǎn)生不同大小的控制電流，從而帶動電液比例閥進(jìn)行不同的動作，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個角度的轉(zhuǎn)動與位移。此過程表現(xiàn)為輸出的轉(zhuǎn)角信號和拖拉機(jī)整機(jī)車速信號，經(jīng)處理變換后吸合閥芯的運(yùn)動方向不同。

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)平衡控制

山地拖拉機(jī)在實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確動作的同時，需考慮轉(zhuǎn)向過程中的平衡問題。傳感裝置設(shè)置匹配角度、溫度及系統(tǒng)壓力3類傳感器進(jìn)行測量以實(shí)現(xiàn)山地拖拉機(jī)在進(jìn)行轉(zhuǎn)向過程中的機(jī)身平衡控制。為此，選取CQ-450型號雙軸傾角傳感器；Pt100的溫度傳感器，測量范圍設(shè)定在-40～160°；PY208型液壓油壓力傳感器，進(jìn)行PLC觸摸屏實(shí)時顯示。

圖5 山地拖拉機(jī)電控液壓裝置工作簡圖Fig.5 Working brief diagram of the electric control hydraulic device of the mountain tractor

山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的平衡控制硬件配置圖，如圖6所示。選擇轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的壓力與溫度為山地拖拉機(jī)的車身平衡模擬量輸入信號，通過配備EM231和EM235模塊將信號傳遞至PLC中央控制系統(tǒng)模塊，通過實(shí)時調(diào)整機(jī)身，確保山地拖拉機(jī)整機(jī)在作業(yè)行進(jìn)過程中機(jī)身穩(wěn)定轉(zhuǎn)向。

圖6 山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)平衡控制硬件配置圖Fig.6 Hardware configuration diagram of balance control of steering system of mountain tractor

3 性能試驗(yàn)

3.1 條件設(shè)置

通過合理計(jì)算確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件的尺寸及相互配合關(guān)系，建立核心轉(zhuǎn)向部件的物理模型，并利用SolidWorks軟件運(yùn)動模擬與3Dmax軟件虛擬場景相結(jié)合，進(jìn)行山地拖拉機(jī)的電控液壓轉(zhuǎn)向仿真性能試驗(yàn)。試驗(yàn)需設(shè)置如下前置條件：

①設(shè)置試驗(yàn)場景與實(shí)際山地作業(yè)的場地相一致，近似度應(yīng)達(dá)90%以上；②保證各轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置正確；③試驗(yàn)過程中的基礎(chǔ)性條件保持不變等。

3.2 過程分析

試驗(yàn)過程逐一改變需要測定的轉(zhuǎn)向參數(shù)，依次從左轉(zhuǎn)向試驗(yàn)與右轉(zhuǎn)向試驗(yàn)進(jìn)行分析，圖7為山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)實(shí)景。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后得出如表3所示的山地拖拉機(jī)電控液壓轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)評價表。

(a) 左轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

(b) 右轉(zhuǎn)向試驗(yàn)圖7 山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能試驗(yàn)Fig.7 Performance test of the steering system of the mountain tractor表3 山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)評價Table 3 Key parameters evaluation of the mountain tractor steering performance test

序號轉(zhuǎn)向角設(shè)計(jì)值/(°)轉(zhuǎn)向角試驗(yàn)值/(°)誤差/(°)轉(zhuǎn)向平穩(wěn)性/%12524.36-0.6481.621514.65-0.3584.3355.94+0.9481.9400082.5

續(xù)表3

由表3可知：選定轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)角度與仿真試驗(yàn)角度范圍為-25°～25°，每次變化角度誤差控制在-0.64°～+0.94°的范圍內(nèi)，誤差較小，滿足設(shè)計(jì)要求；同時，針對轉(zhuǎn)向平穩(wěn)性，考慮了山地拖拉機(jī)的機(jī)身轉(zhuǎn)向平穩(wěn)機(jī)構(gòu)設(shè)定后，可確保轉(zhuǎn)向平穩(wěn)性控制在79.8%以上，整體機(jī)身平穩(wěn)的一致性程度保持較好。其中，當(dāng)轉(zhuǎn)向?yàn)?5°時，機(jī)身平穩(wěn)性可達(dá)84.7以上，說明仿真試驗(yàn)可行。

4 結(jié)論

1) 對山地拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行原理分析，并融入當(dāng)代電機(jī)控制理論，對其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)分析。在正確建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動模型的基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)計(jì)山地拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件參數(shù)，如液壓缸、活塞直徑及電液比例控制閥等，組裝成可進(jìn)行高效轉(zhuǎn)向的試驗(yàn)樣機(jī)。

2) 利用三維仿真設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明：在模擬山地拖拉機(jī)日常運(yùn)作的場景下，通過后臺轉(zhuǎn)向控制指令變換轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向角度，與預(yù)期的設(shè)定值間具有高度的一致性，誤差較小且轉(zhuǎn)角平穩(wěn)性滿足設(shè)計(jì)要求，大于設(shè)計(jì)要求75%。