拖拉機(jī)液壓懸掛耕深電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)_圖文

1、2008年8月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第39卷第8期拖拉機(jī)液壓懸掛耕深電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)杜巧連 熊熙程 魏建華摘要 從拖拉機(jī)液壓懸掛耕深電液控制系統(tǒng)原理出發(fā), 設(shè)計(jì)了一種以電液比例閥為主控制閥的耕深電液控制系統(tǒng), 建立該系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型, 分析其位控制和力控制特性, 并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用耕深電液控制系統(tǒng), 其位控制過渡時(shí)間為0 65s, 靜差為! 1 5cm; 力控制調(diào)節(jié)時(shí)間為7 5s; 力位綜合控制耕深為20cm 時(shí), 耕深的波動(dòng)范圍為! 1cm 。能夠滿足農(nóng)機(jī)具田間作業(yè)時(shí)耕深的控制精度和穩(wěn)定性要求。關(guān)鍵詞:拖拉機(jī) 耕深 電液控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 試驗(yàn)中圖分類號(hào):S219 032 4; T H

2、137 5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesign and Experiment on the Control System of Electro hydraulicPlow Depth of Tractor Hydraulic Hitch MechanismDu Qiaolian 1Xiong Xicheng 2Wei Jianhua2(1 Zhej iang Norm al University , Jinhua 321019, China 2 Zhej iang University , H angz hou 310027, China AbstractA tractor electro hydrau

3、lic control system w as designed and studied based on the plowing depth system s principle of tractor hydraulic hitch mechanism. An electro hydraulic proportional valve was used as the m aster valve in this system. The mathem atic model of the tractor electro hydraulic control system w as set up and

4、 then the characteristic of load control and position control w as analyzed. Finally experimental research was performed. The experimental results showed that transient time of position regulation is 0 65s, and its static error is 1 5cm; the adjusting time of draft regulation is 7 5s; the fluctuatin

5、g scope is ! 1cm , when the plowing depth is 20cm in draft and position regulation. T his system could meet the challenge of plowing depth control system in formidable natural conditions, and the object of uniform plow ing depth and work stability were achieved.Key words Tractor, Plow depth, Electro

6、 hydraulic control system, Design, Ex periment收稿日期:2008 03 10杜巧連 浙江師范大學(xué)機(jī)電技術(shù)研究中心主任 副教授, 321019 金華市熊熙程 浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 博士生, 310027 杭州市魏建華 浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 教授 博士生導(dǎo)師引言拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)有多種耕深控制方法供操作者選擇, 其中位置控制、力控制、高度控制是3種基本控制方法。電液控制的特點(diǎn)是:信號(hào)傳遞準(zhǔn)確、快捷、可靠; 信號(hào)的比較、疊加和加權(quán)處理簡單, 易于實(shí)現(xiàn)多參數(shù)調(diào)節(jié)的綜合控制和自動(dòng)控制; 操縱方便省力; 易于實(shí)現(xiàn)遙控和多點(diǎn)控制。

7、拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)正逐步采用電液控制1, 它能按給定目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行位置、力和高度的閉環(huán)控制, 并已成為農(nóng)用拖拉機(jī)的必備裝置2。本文從拖拉機(jī)液壓懸掛耕深電液控制系統(tǒng)的原理出發(fā), 研究一種以電液比例閥為主控制閥的耕深電液控制系統(tǒng), 建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 分析其位控制和力控制特性, 并進(jìn)行試驗(yàn)研究。1 液壓懸掛耕深電液控制原理液壓懸掛耕深電液控制原理如圖1所示。反映耕深的負(fù)反饋信號(hào)來自差動(dòng)變壓器式位移傳感器, 該傳感器安裝在拖拉機(jī)機(jī)體上, 通過杠桿機(jī)構(gòu), 與反映耕深變化的下拉桿相連接, 輸出信號(hào)經(jīng)放大器作前置放大后經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換作為位移反饋信號(hào)。以與拖拉機(jī)耕深成正比的模擬信號(hào)作負(fù)反饋, 且與拖拉機(jī)耕

8、深的給定信號(hào)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。另一個(gè)負(fù)反饋信號(hào)是犁耕阻力, 由安裝在上拉桿中的應(yīng)變片式力傳感器輸出上拉桿受力信號(hào), 經(jīng)放大器放大、A/D 轉(zhuǎn)換后作為力反饋信號(hào)。以犁耕阻力作為力反饋信號(hào), 構(gòu)成有條件的第二反饋回路。電液比例閥是拖拉機(jī)液壓懸掛耕深電液比例控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件, 在微處理機(jī)輸出的電壓信號(hào)控制下, 改變液壓油進(jìn)出油缸的流量和流向, 控制懸掛提升機(jī)構(gòu)的升降, 以 達(dá)到自動(dòng)控制耕深的目的。圖1 耕深電液控制系統(tǒng)原理框圖F ig. 1 Pr inciple schematic of the tractor plow dept helectro hydraulic control system

9、根據(jù)農(nóng)田作業(yè)的基本要求, 電控液壓懸掛系統(tǒng)需滿足農(nóng)具的固定、提升、浮動(dòng)和下降的要求3。對(duì)耕深電液控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí), 需符合系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作狀況, 實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行元件各項(xiàng)功能。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力、流量、功率以及系統(tǒng)對(duì)溫升、工作平穩(wěn)性等方面的要求選擇回路, 以滿足上述要求。設(shè)計(jì)的耕深電液控制系統(tǒng)如圖2 所示。圖2 耕深電液控制系統(tǒng)簡圖Fig.2 Electro hydraulic control system of tractor plow depth1. 液壓泵 2. 電液比例閥 3. 液壓缸 4. 隨動(dòng)凸輪 5. 變量連桿 6. 犁 7. 力測量彈簧耕深控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)單作用液壓缸。犁

10、上升時(shí), 液壓泵向液壓缸供油; 犁下降時(shí), 靠犁的自重將液壓缸的油排回油箱。耕深控制閥是一種能按電信號(hào)輸入控制液流方 , 關(guān)鍵性元件。它帶有一個(gè)輸入值與實(shí)際值的機(jī)械式比較器。輸入值可用手工方法輸入系統(tǒng), 反饋值由控制桿傳遞給控制閥。反饋與輸入的偏差使液壓缸活塞前進(jìn)與后退, 直到犁的高度與輸入位置或牽引力一致。位置反饋值從行程隨動(dòng)凸輪引出。牽引力反饋值由行程隨動(dòng)凸輪經(jīng)測力彈簧比較后得到。變量連桿可選擇位置、牽引力或兩者復(fù)合作為控制變量?？梢? 采用智能化控制技術(shù)可對(duì)拖拉機(jī)耕作作業(yè)中耕深進(jìn)行自動(dòng)控制, 以取代傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)節(jié)裝置, 達(dá)到耕深均勻、工作平穩(wěn)的目的, 使拖拉機(jī)及其農(nóng)機(jī)具始終處于良好的工

11、作狀態(tài), 提高耕作質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益45。2 閥控液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)分析液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)是電液控制系統(tǒng)的核心部分, 其性能決定了整個(gè)液壓控制系統(tǒng)的性能6。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)通常指液壓控制元件、液壓執(zhí)行元件及其負(fù)載的組合, 拖拉機(jī)電液懸掛控制系統(tǒng)采用了電液比例閥、單作用液壓缸通及掛桿件來實(shí)現(xiàn)所要求的功能, 其物理模型如圖3, 其中A 和B 分別對(duì)應(yīng)電液比例閥的兩個(gè)工作油口。圖3 閥控動(dòng)力機(jī)構(gòu)簡化模型Fig. 3 Simplified model of tractor valve control actuating unit(a上升模型 (b 下降模型圖中所示的閥控機(jī)構(gòu)是一種三通閥控單作用液壓缸機(jī)構(gòu)。假設(shè)供油壓力p

12、s 在設(shè)定耕深點(diǎn)恒定, 回油腔壓力p T 為零, 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為常數(shù), 忽略液態(tài)摩擦力, 而且將電液比例閥簡化為具有銳邊節(jié)流口的直動(dòng)式滑閥, 各開口面積對(duì)稱。根據(jù)圖3簡化模型, 可得出3個(gè)基本方程7:(1 液壓缸流量平衡方程為Q L =Ad t +C i p 1+t e 1d t(1式中 C i #閥控動(dòng)力機(jī)構(gòu)總內(nèi)外泄漏系數(shù),(m 3/s /Pae #閥控動(dòng)力機(jī)構(gòu)的有效體積彈性模量, Pa V t #包括油道的總工作容積, m 3A #液壓缸無桿腔的有效面積, m2Y #活塞位移, mp 1#, 63第8期 杜巧連等:拖拉機(jī)液壓懸掛耕深電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)(2 液壓缸力平衡方程(彈性加常值負(fù)載

13、 為p 1A =M 2d t2+B md t +G Y +F L (2 式中 B m #折算到活塞上的粘性阻尼系數(shù),N/(m/sG #負(fù)載彈簧剛度, N/m F L #作用在活塞上的負(fù)載力, N M #折算到活塞上的負(fù)載等效質(zhì)量, kg (3 比例閥流量方程假定比例閥節(jié)流口開啟面積是對(duì)稱的, 設(shè)比例閥閥芯死區(qū)重疊量為X d 。則當(dāng)閥芯位移X v 小于X d 時(shí), 比例閥沒有液壓油通過。當(dāng)閥芯位移大于X d 時(shí)壓力油經(jīng)節(jié)流口通向液壓缸進(jìn)油腔, 則流量Q L 為Q L =(|X v |<|X d |C d (X v -X d p s -p 1 (|X v |>|X d | (上升 C

14、d (X v -X d p s -p 1(|X v |<-X d (下降 (3式中 C d #流量系數(shù) #面積梯度, m m#油液密度, kg/m 3對(duì)式(3 在設(shè)定耕深處附近進(jìn)行線性化, 得Q L =Q L vX v +Q L Lp L =K q X v +K c p L (4式中 K q #閥流量增益K c #閥流量 壓力增益對(duì)以上公式進(jìn)行拉氏變換, 聯(lián)立后可得閥控動(dòng)力機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)方程, 活塞位移與閥芯位移之間的傳遞函數(shù)為6X v (s=K q M V t e As 3+M K ce A+B m V t e As 2+1+B m K ce A+G V t e As +GK ce A(5

15、活塞位移與外負(fù)載力之間的傳遞函數(shù)為F L (s=-K ce 1+V te K ceM V t e A2s 3+M K ce A 2+B m V t e A 2s 2+1+B m K ce A 2+G V t e A2s +GK ceA 2(6 K ce K e t式中 K ce #系統(tǒng)總泄漏系數(shù)從式(5 中可以看出, 活塞位移與閥芯位移之間的傳遞函數(shù)增益(系統(tǒng)開環(huán)增益 與電液比例閥的流量增益成正關(guān)系, 與液壓缸活塞面積成反關(guān)系, 從閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮, 開環(huán)增益不能過大, 否則會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定現(xiàn)象, 但同時(shí)不能過小, 否則過渡時(shí)間太長8, 故設(shè)計(jì)拖拉機(jī)液壓懸掛耕深電液控制系統(tǒng)時(shí), 液壓缸活塞面積與電

16、液比例閥流量增益要達(dá)到最佳匹配。從式(6 中可以看出, 活塞位移與外負(fù)載之間的傳遞函數(shù)與電液比例閥流量壓力增益成正關(guān)系, 故在設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)時(shí), 可選用流量 壓力增益小的閥。3 力、位控制的響應(yīng)試驗(yàn)電液比例閥為力士樂產(chǎn)比例閥, 液壓缸活塞桿直徑為90m m, 系統(tǒng)壓力為8 5M Pa, 懸掛系的平均比例系數(shù)為6 3, 懸掛軸上提升質(zhì)量為900kg 。輸入指令為耕深30cm , 由耕深控制旋鈕給出一個(gè)控制信號(hào), 得到系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)特性如圖4所示。從圖中可看出, 指令給定時(shí)間為0 75s, 1 4s 左右達(dá)到穩(wěn)定, 故其過渡時(shí)間為0 65s 左右, 沒有太大的超調(diào)量, 靜差為! 1 5cm, 小于5%

17、, 能夠滿足拖拉機(jī)懸掛犁耕作時(shí)! 10%耕深范圍的要求9。圖4 位控制試驗(yàn)瞬態(tài)響應(yīng)曲線F ig. 4 T r ansient response cur ve of position regulation通過田間試驗(yàn)1011研究牽引阻力與耕深的關(guān)系。作用在農(nóng)具上的牽引阻力與單作用液壓缸位移及耕深變化量有關(guān)。在正常的耕作深度范圍內(nèi), 通過控制旋鈕來改變農(nóng)具的設(shè)定耕深, 得到的阻力與耕深變化曲線近似呈線性關(guān)系。阻力控制系統(tǒng)是為了維持作用在農(nóng)具上的工作阻力恒定。當(dāng)農(nóng)具的牽引阻力大于給定值時(shí), 便提升農(nóng)具減小耕深; 當(dāng)農(nóng)具的阻力小于給定值時(shí), 便增加耕深。試驗(yàn)結(jié)果較好地反映了這一過程。阻力控制試驗(yàn)的響應(yīng)

18、曲線如圖5所示。由圖5可以看出, 指令給定時(shí)間為1s 左右, 阻尼穩(wěn)定后時(shí)間為8 5s 左右, 故調(diào)節(jié)時(shí)間約為7 5s, 明顯大于位控制過程。64農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2008年 圖5 力控制試驗(yàn)瞬態(tài)響應(yīng)曲線Fig. 5 T ransient response curve of draft regulation點(diǎn)的方法。當(dāng)土壤阻力發(fā)生變化時(shí), 耕深和牽引阻力同時(shí)變化。耕深和牽引力的計(jì)算值與設(shè)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較, 判斷誤差值是否在許可范圍之內(nèi), 如果不是則繼續(xù)調(diào)整。試驗(yàn)證明, 在設(shè)定耕深為20cm 時(shí),耕深的波動(dòng)范圍為! 1cm 。在正常耕作深度范圍內(nèi), 能夠得到較好的控制效果。4 結(jié)束語從拖拉

19、機(jī)液壓懸掛耕深電液控制系統(tǒng)原理出發(fā), 設(shè)計(jì)了一種以電液比例閥為主控制閥的耕深電液控制系統(tǒng), 建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型, 分析了其位控制和力控制特性, 并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用耕深電液控制系統(tǒng), 其位控制過渡時(shí)間為0 65s, 靜差為! 1 5cm; 力控制調(diào)節(jié)時(shí)間為7 5s; 力位綜合控制耕深為20cm 時(shí), 耕深的波動(dòng)范圍為! 1cm, 設(shè)計(jì)的耕深電液控制系統(tǒng)能夠滿足農(nóng)機(jī)具田間作業(yè)要求的控制精度和穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)1 Weatherly E T , Bowers Jr C G. Automatic depth co ntrol of a seed planter based on soi

20、l drying front sensing J .T ransactions of t he ASA E, 1997, 40(2 :295305.2 Ayers P D, V anna K V , K ar im M N. Design and analysis of electrohydraulic draft control systemJ.T ransactions of the A SAE, 1989, 32(6 :18531855.3 周士昌. 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖集M . 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.4 程文祥. 拖拉機(jī)耕深微機(jī)控制系統(tǒng)的研究J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 1995, 26(

21、3 :1519.Cheng Wenx iang. Research on the microcomputer automatic controlling ploughing depth of a tractorJ. T ransactions of the Chinese Society for Agr icultur al M achinery , 1995, 26(3 :1519. (in Chinese5 方昌林, 吳建華. 拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)電液控制的理論和實(shí)驗(yàn)研究J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 1994, 25(3 :611.Fang Chang lin, Wu Jianhua. T heoreti

22、cal and exper imental r esearch on a tracto r lift system for electronic hydraulic control J. T ransactions of the Chinese So ciety for Ag ricultural M achiner y, 1994, 25(3 :611. (in Chinese 6 謝斌. 拖拉機(jī)農(nóng)具仿真作業(yè)機(jī)組懸掛系統(tǒng)電液控制技術(shù)的研究D.北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2000.Xie Bin. Study on electr ohy draulic control technology hitc

23、h system for t he tracto r implement combination D. Beijing:China Agricultural U niversity, 2000. (in Chinese7 路甬祥, 胡大弘. 電液比例控制技術(shù)M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1988.8 Jayawardhana Bayu, L ogemann Hartmut, R yan Eug ene P. P ID control of second orer systems with hyster esisC Proceedings of the 46th I EEE Conference on Decision and Control 2007, CDC, 2008:46264630. 9 王會(huì)明, 侯加林, 趙耀華, 等. 拖拉機(jī)液壓懸掛機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2006, 37(10 :4246.Wang Huiming , Hou Jialin, Zhao Yaohua, et a