电动拖拉机液压悬挂装置设计

第一章绪论

1.1 引言

拖拉机液压悬挂系统主要用来在使用过程中根据外界条件或者特定要求对农机具

进行调节，对农机具调节的方式比较常用的有：位置调节，阻力调节，力位综合调节等，还有在非耕作情况下对农机具实现快速上升和下降的调节。在前面的调节方式中，位置调节则由提升器的位调节手柄或油缸限位卡箍来控制农具与拖拉机之间的相对位置，以保证农具在选定的耕深下工作。力调节的作用在于当土壤密度或地表面变化而使负荷增加时，提升器会自动将农具提升，当负荷减小时会自动将农具下降，通过自动升降农具保持工作负荷的稳定。同时考虑到在土壤比阻变化比较大的情况下，力调节只能保证发动机的负荷的稳定性而不能保证耕深的均匀性，因此提出了力位综合调节，综合调节法的基础是阻力控制法，在土壤比阻均匀条件下，还是要尽量保持发动机负荷稳定的，只是在比阻变化较大时，它才靠牺牲发动机负荷的稳定来保持耕深的比较稳定。传统的拖拉机液压悬挂机组的控制方式是机液控制系统，从70年代它逐渐被电液控制系统代替[1]。进入21世纪后，拖拉机向低排放、低油耗、大功率、智能化、舒适性方向发展，机械式的控制系统在结构布置和性能方面已不适应现代农机发展的要求。将农业机械装备技术融合现代液压技术、传感器技术、电子技术和单片机控制技术，可极大地提高液压悬挂系统操作的舒适性和简捷性，准确、快速地使用和调节液压悬挂系统，可提高生产率和作业质量。因此，对传统式液压悬挂系统的技术改进势在必行。

1.2 研究背景和研究意义

1.2.1 研究背景

农业机械化是现代农业的重要技术基础，是农业现代化的重要标志和内容。世界发达国家己在上世纪60年代至70年代就实现了农业现代化，各国农业现代化发展历程表明，农业机械化、智能化是农业现代化不可逾越的阶段。农业机械化作为现代化农业生产的载体，把计算机、自然科学等引入农业生产过程，使现代工程技术在现代农业生产中得以广泛应用，极大地改善了农业生态环境，促进了农业的可持续发展，大大提高农业劳动资源利用率、生产率和农业产品商品化率。

拖拉机是实现农业智能化、机械化和现代化不可缺少的重要机械。我国的拖拉机工业经过几十年的发展，已经取得了很大的进展。小型拖拉机的生产能力己超过200万台，目前大中型拖拉机的生产能力己超过10万台，各类拖拉机的拥有量已超过1000万台，。但随着我国加入世界贸易组织（WTO），大量具有高新技术装备并且性能优良的拖拉机产品将会涌入中国市场，这对产品技术含量相对较低的国内拖拉机工业来说，将会面临巨大的冲击。如何适应市场需要，进行产品结构调整，提高产品的科技含量，改善产品的技术性能，将是我国拖拉机工业所需要解决的重要问题。

1.2.2研究意义

随着新兴科学技术的不断创新，尤其是计算机技术、人工智能、电子控制、网络通讯等高新技术的迅速发展，对拖拉机工业的发展产生了很大的影响和渗透。各国研究人员都认识到拖拉机往智能方向发张是大势所趋，但是当前我国国内拖拉机电控液压悬挂系统还处于起步阶段，在电控液压悬挂系统控制技术的开发和设计上来说更是比较薄弱，所以我们还需努力改变这一现状。本课题选择拖拉机液压悬挂装置及其农具配套机组为主要对象，探讨和研究其在实现机--电--液智能控制方面的关键技术，从而有助于提高我国农业机械的自动化和智能化水平，有助于提高农业机械的生产效率和资源利用率的发展。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

对拖拉机的液压悬挂系统进行微机电子自动控制早在70年代就出现了，并且在市场上已经出现了可使用的产品，如日本芝浦公司的IC控制系统具有位调节、力调节控制功能外，还具有旋耕作业时控制旋耕深度的功能，拖拉机左右倾斜作业时，还具有在控制农机耕深的同时还保证农机具左右倾斜角的功能以保证耕作质量[2]．德国博世（BOSCH）公司提供的电液控制提升器已配置在戴姆勒·奔驰、麦赛·福格森等公司的大功率拖拉机上，它有利于提高拖拉机的效率，该系统具有位置调节、阻力调节、力位综合调节和高度调节控制功能。以富格森公司3000系列拖拉机所用的电液调节系统为例：它是利用一个小型微处理器把力、位传感器输出信号与驾驶室仪表盘上给定的数据进行均衡，自动完成必要的调节，系统中装有传感器开关、深度控制指针、灵敏度指示盘和升降指示灯[3]。

七、八十年广泛研究的悬挂牵引测力仪,以及计算机应用在悬挂系统中进行悬挂装

置的计算和设计。在牵引力控制系统中采用电液比例换向阀时，理论上算出的控制器的增益往往比较保守，通过试验发现，实际增益可以取得比理论值大[4]，这为建立控制系统的传递函数提供了参考。文献[5]提出以拖拉机的滑转率来控制变速档位、发动机状况、工作装置的力调节，使各方面配合以达到机器耕作高能效低油耗目的。文献[6]以牵引力数学模型来描述耕深、速度、土壤阻力三变量对牵引部分的影响，并考察了“耕深—力”、“速度—力”、“土壤阻力—力”三模型的动态特性，是进行设计液压悬挂控制系统的基础。电液比例换向阀逐渐被应用于农用机械中，首先对控制系统建模，然后进行了开环、闭环传递函数分析、室内试验和计算机仿真优化来验证及对比，得出系统在优化后对 25mm 的阶跃信号的响应时间为 250mm，比经验值提高了 23%，控制精度也增加不少。

1.3.2 国内研究现状

而在我国，拖拉机上运用带有阻力调节、位置调节、力位综合调节的液压悬挂系统出现的则比较晚。按时间划分下面几个阶段：第一阶段为初步研究阶段。在70年代中期，我国一些高等院校和科研机构对某些型号的拖拉机液压悬挂系统的性能进行了田间耕作试验，希望从中找出一些有规律的东西来，但是由于种种原因，如土质的影响，季节的影响，试验周期长，试验条件复杂从而没有达到预期的效果。到了70年代后期，国内才有学者从理论上对力控制系统的动态性能进行初步研究在这方面，洛阳工学院、江苏工学院都作了一些有益的工作。第二阶段为机液控制系统的室内模拟仿真及分析。进入80年代开始了拖拉机液压悬挂系统田间仿真试验，如基于动态性能的分析，提出一种拖拉机力调节系统建模与优化设计的方法，包括建立数学模型，分析稳定性和动、静态，求取动力机构的最佳匹配参数和系统的其它设计参数[7]；以及定性地分析了土壤阻力干扰对耕深的实际影响以及机组在实际耕作过程中各信号之间的传递关系，并建立了田间试验系统，进行了田间仿真试验，论述了仿真试验原理和模拟加载装置设计要点等[8]。从导致成了研究的高峰，此后不断有新的成果出现。80年代后期为了跟上国外先进技术，国内也开始了电子化自动控制技术的研究，在原机型液压系统的基础上进行改造，增加电液控制装置，并做了简单的试验工作。第三阶段为电液控制系统的研究开发。90年代，随着电子技术的飞速发展，计算机模拟、微计算机控制电子控制、电子控制的蓬勃兴起并应用于拖拉机液压悬挂系统的控制中。首先在室内试验中，提出一种新的纯牵引力传感器[9]，而且试验台的模拟加载控制和性能测试由一台微机来完成，

对原机型的机液控制系统进行了测试和评价其动态品质[10]。接着把单片机应用于拖拉机农具耕深控制中，对比了原机型的机液控制系统与新设计的数字式控制系统，而且提出位置控制、阻力控制、耕深控制和力位综合控制四种方式，进行了电液控制的初步探索。还进行了伺服自动控制与计算机控制耕深的试验比较[11]。文献[12]认为悬挂系统的工作特性一般属于继电器开关型，并在此基础上采用开关型电磁阀进行了研究。文献进一步研究了计算机控制系统，采用液压控制系统取代拖拉机原有的液压系统，运用MCS-51单片机控制器对拖拉机耕作作用的中的耕深进行自动控制，取代传统的机械式调节装置，并进行了田间试验。同时期一些研究者也提出了一种新的在室内研究和评价悬挂系统耕作性能的方法和建立耕作过程中土壤阻力数序模型以及阻力控制系统的室内模拟实验系统的方法。

从国内电控液压悬挂系统的发展中可以看出，目前在我国国内拖拉机电控液压悬挂系统的研究还存在下面的不足：（1）基本上是对悬挂系统进行单个研究，对拖拉机发动机，液压缸，液压系统，电控系统等的综合控制方面研究的比较少；（2）控制对象主要是牵引阻力和耕深，对多参数，如滑转率、行驶速度和发动机负荷的联合控制研究的比较少；（3）控制工具由单片机组成，还是在试验室试验阶段，加上传感器、控制总线技术和信息显示等各方面的影响，还没有形成产品化，国内只能从国外进口成套的系统使用；（4）多在室内仿真试验研究，由于还没有应用于实际中，因而在田间作业方面还没有得到有效的数据指标。

1.4 研究内容

鉴于我国拖拉机液压悬挂系统的发展水平和所面临的实际问题，本项研究拟选择电动拖拉机液压悬挂系统，主要是液压悬挂装置及挂载农具，作为主要研究对象。研究、探讨其在实现机--电--液一体化控制方面的关键技术，提出一套关于电动拖拉机液压悬挂装置及其自动控制机--电--液一体化控制系统的基本理论和方案，研究电动拖拉机液压悬挂装置及自动控制，使拖拉机作业机组能够在复杂多变的工作条件下自动化控制工作，最大限度提高整个拖拉机的工作效率。该研究具有很大的实际应用价值和研究意义，必将对我国的农业生产活动产生显著的经济效益和社会效益，为我国农业以及世界做出巨大贡献。

本课题主要完成内容有：

1、电动拖拉机悬挂系统结构解决方案。

2、电动拖拉机悬挂系统控制解决方案。

3、液压元件的选择，计算出所需的数据，合理选择液压元件，以达到最好的效果。

研究背景与意义

国内外文献分析，对当前作业

机组进行技术调查

提出研究的问题和思路

拖拉机悬挂机—电—液一体

化控制策略的确定

液压传动和液压控制系统的

研究

液压元件的选择与液压系统

设计

机械部分的受力分析

问题与展望

图1-1 研究流程图

1.5 本章小结

本章简要介绍了课题研究背景、研究意义以及国内外机—电—液一体化技在拖拉机液压悬挂机构上的应用现状，最后交代了本课题研究的主要内容和研究流程图。

第二章电动拖拉机液压悬挂装置

2.1 拖拉机的液压悬挂系统

农用拖拉机液压悬挂系统是用液压提升和控制农机具的整套系统，其功用分以下5点：1.连接和牵引农机具，2.操纵农机具的升降，3.控制农机具的耕作深度或提升高度，4.给拖拉机驱动轮增重以改善拖拉机的附着性能，5.输出液压能。农用拖拉机液压悬挂系统是由液压系统、操纵机构和悬挂机构三部分组成。液压系统是提升农机具的动力装置，除工作介质（例如液压油）外，液压系统是由液压泵、油缸、分配器等液压元件和附属装置组成。操纵机构是用来操纵分配器的主控制阀，以控制液压油的流动方向，它有手柄操纵机构和自动控制机构两部分组成。悬挂机构用于连接农机具，传递液压升降力和拖拉机对农机具的牵引力，并保证农机具的正常工作位置。由于液压悬挂机组比传统牵引机组操纵方便、机动性高，便于自动调节耕深，因此，液压悬挂系统普遍用在各种拖拉机上。

拖拉机要进行各种作业，就必须与相应的配套农具可靠地连接在一起。根据配套农具与拖拉机连接方式的不同，一般可分为牵引式、悬挂式和半悬挂式三种。

悬挂机构通过拖拉机液压系统获得动力，实现农具的上升和降落；农具依靠悬挂机构与拖拉机可靠地连接在一起。因此，拖拉机的液压系统、悬挂机构、农具三者构成一个整体，叫做“液压悬挂系统”

2.1.1 液压悬挂系统的组成

传统拖拉机液压悬挂系统主要由:悬挂农具、悬挂机构和液压部分组成，如图2-1所示。

图2-1 液压悬挂系统示意图

(1) 悬挂农具:它是农田作业的工作部件，通过悬挂机构连接在拖拉机上。悬挂农具的种类很多，目前常用的有犁、耙、播种机、收割机等。根据农具在拖拉机上挂接位置的不同，可分为前悬挂、后悬挂和侧悬挂三种，本论文研究对象是目前使用最广的后悬挂机组。

(2) 悬挂机构:它由连接农具的一些杆件机构所组成。按与拖拉机机体连结点数的不

同，后悬挂又有两种形式:三点悬挂和两点悬挂，如图2-2所示。

a)三点悬挂b）两点悬挂

图2-2 后悬挂的两种方式

三点悬挂：悬挂机构以三个铰接点与拖拉机机体联结。农机具随拖拉机直线行驶稳

定性好，中小功率拖拉机大多采用。

两点悬挂：悬挂机构以二个铰接点与拖拉机机体联结。在农机具作业时，能较轻便

地矫正行驶方向，大功率拖拉机上多采用两点悬挂

由于本课题研究的电动拖拉机为中小型拖拉机，所以采用三点悬挂机构，保证农具耕作的稳定性。

(3) 液压系统:它由油泵、油缸、分配器和附属装置组成。油泵和油缸将电动机的动力转换为液压能为农具提升提供所需要的力量。

传统液压悬挂的主要执行部件是分配器，通过机械推拉杠杆装置调节分配器位置控制油液的流量与流向，使农具处于不同的工作位置。

2.1.2液压悬挂系统类型

液压系统中，按油泵、分配器，油缸三个主要部件位置布置和组合方式的不同，分为分置式、半分置式和整体式三种类型，如图2一3所示。

(1) 分置式液压系统

油泵、油缸、分配器和油箱分别安装在拖拉机的不同位置上，相互间用油管连接。（典型应用有:东方红—802、铁牛55C／600L）这种液压系统的优点是：液压元件便于专业化批量生产，系列化产品的液压元件通用性强，液压元件故障已检查，维修方便。它的缺点是:连接管路较长，易出现油液的泄漏;操纵机构全部暴露在外面，易受损伤；不便实现农具耕深的力调节等，目前只用于少数型号较老的拖拉机上。

图2-3 液压系统类型

(2) 半分置式液压系统

除油泵单独布置外，其他液压元件（油缸、分配器）和操纵机构组成一个“提升器”，安装在后桥壳上。（代表应用有:铁牛650、东风50）提升器通常位于传动箱之上，驾驶座之下，并兼作传动箱的盖子。油泵单独安装在一个适宜的地方，由拖拉机的动力输出轴驱动。这种液压系统的优点是结构紧凑，油路较短，液压元件与操纵机构全部密封在壳体内，因而工作较为可靠；易于实现农具的力，位耕深调节。它的缺点是:个别液压元

件的故障检查不够方便。这种液压系统广泛应用于中、小型拖拉机上。

(3) 整体式液压系统

油泵、分配器、油缸等主要工作部件，都集中在拖拉机后桥壳体内，形成一个整体。丰收—35、上海—50等拖拉机的液压系统即属此种。这种液压系统的优点是:可采用力、位及高度调节法控制耕深，工作较可靠。但其结构复杂，体积较大，因而在拖拉机的布置上受到一定限制，拆装检查也相对麻烦，因而使用不广。

分置式液压系统结构简单易维修，但不可靠，整体式液压系统可靠，但结构复杂，维修困难，最后折中考虑选择半分置式液压系统进行进一步研究。

2.2 电液悬挂系统设计

2.2.1 设计方案的提出

悬挂系统的液压控制系统是控制农具提升的装置，是悬挂装置中的动力部分，它一般由液压泵、提升器、液压缸及其他一些阀类和辅助装置组成。为了实现对液压悬挂系统的多种调节方式，液压悬挂系统全都采用电液悬挂控制方式。

方案一：原拖拉机的分配器把主控制阀、回油阀和安全阀集成于一体，组成了一个总成，其输入口与液压泵通过油管连接，输出口直接与单作用液压缸无杆腔相连，这样安装既节省了空间，又减小了油道的长度。因此，为了尽量采用原拖拉机的液压元件，例如液压泵、液压缸、滤油器、油管等。我们提出采用电液比例方向阀、电磁溢流阀、单向节流阀、压力传感器等，代替原拖拉机的分配器，如图2-4，2-5所示。

图2-4 电控液压悬挂系统原理图a

图2-5 电控液压悬挂系统原理图b

电控液压悬挂系统由液压悬挂系统、自动控制系统和信号检测与处理系统组成。工作中，当电液比例换向阀左端电磁铁通电时，液压泵输出的高压油经过电液比例方向阀，

再经过单向节流阀的单向阀进入液压缸的无杆腔，使农机具提升；当电液比例换向阀右端电磁铁通电时，同时控制电磁溢流阀的电磁铁断电，则液压泵输出的油液经过电磁溢流阀流回油箱，液压泵处于卸荷状态。而在农机具自重作用下，液压缸无杆腔的液体被排出，使农机具下降，被排出的液体经单向节流阀、单向阀和电液比例方向阀流回油箱。

方案二：与方案一不同，不使用其它的液压元件代替原拖拉机的分配器，由于液压悬挂系统控制农机具的提升、中立、下降过程主要是通过控制分配器中主控制阀的移动位置来完成的，因此，为了为了尽量采用原拖拉机的液压元件，例如液压泵、液压缸、滤油器、油管包括原拖拉机的分配器。我们提出用简单的三位四通电磁换向阀组成的液压油路控制一小油缸的方案，通过小油缸活塞杆与主控制阀的固接及移动来控制分配器主控制阀的移动位置，近而达到设计目的，控制农机具的提升、中立、下降过程。如图2-6所示。

图2-6 电控液压悬挂系统原理图c

1．溢流阀 2．光电耦合器 3．电磁换向阀 4．中央处理器 5．控制面板 6．小油缸

7．力传感器 8．活塞杆 9．位移传感器 10．角位移传感器 11．回油阀 12．单向阀

13．液压缸 14．分配器 15．主控制阀 16．减压阀 17．油泵 18．滤油器 19．油缸 方案二中电控液压悬挂系统也包括液压悬挂系统、自动控制系统和信号检测与处理系统。

液压悬挂系统：由原液压悬挂系统的油泵、分配器、液压缸、提升臂、上拉杆和下拉杆等组成。主要完成液压油路的控制，以完成农具的提升、中立、下降过程。

自动控制系统：由电磁换向阀、减压阀、小油缸、溢流阀和各种传感器等组成。主要完成控制信号的输入，并由三位四通电磁换向阀来控制小油缸活塞杆行程，完成分配器主阀移动位置的控制。

信号检测与处理系统：由位移传感器、压力传感器、提升轴转角传感器、放大电路、CPU 等组成，主要完成土壤阻力、农具提升高度和提升轴旋转角度的信号检测与数据处理。工作中，操作控制面板上的调节旋钮，电信号输入控制电路使电磁阀换向，改变小油缸中的液压流向，使小油缸位移，推动主阀移动，农具提升（下降）。主阀的位移量则由位移传感器检测并控制。随着农具提升(下降)高度的变化，提升器轴转角传感器测得电信号不断变化，当转角信号(提升高度)到达操纵信号预定值时，CPU 发出信号，操纵电磁阀动作，小油缸位移，主阀移动使农具处于中立状态。

电磁阀

主阀 小油缸

油缸 提升臂 耕深

悬挂机构 农具 液压油泵

位移传感器 转角传感器 压力传感器 CPU 反馈

图2-7 力、位调节的信号传递路线方框图

农具入土后，随着耕深、土质和湿度的不断变化，土壤的阻力不断变化。该变化经上拉杆反应在弹簧总成上，并通过弹簧杆作用在压力传感器上。压力传感器测得其压力信号与预置参数相比较，当达到预值时，控制系统使电磁阀动作，改变油路，使小油缸带动主阀移动，改变分配器油路，使液压悬挂系统对农具进行相应的提升或下降。力、位调节过程的信号传递路线如图2-7所示。

2.2.2分配器详解

分配器如图2-8所示

图2-8

1.回油阀弹簧

2.回油阀大头

3.回油阀小头

4.回油阀套

5.O型密封圈

6.单向阀螺塞

7.钢球

8.单向阀弹簧

9.单向阀弹簧座10、11.O型密封圈12.下降速度调节阀13.滚珠总成14.垫片15.主控制阀弹簧16.阀门前盖17.回油阀前堵塞18.O型密封圈19.分配器壳体20.主控制阀套21.回油阀后堵塞22.主控制阀23.限位板

1.提升位置

力位调节杠杆控制端离开控制阀，由回位弹簧将其推至最后位置。第二道密封带将通往回油阀背腔油孔打开，使背部油腔与主控制阀的进油孔相通，在油压与弹簧的共同作用下，回油阀右移，关闭回油道，主控制阀的第三密封带封闭了油缸排油道。油泵来的高压油顶开单向阀进入油缸这时农具开始提升。如图2-9所示。

图2-9分配器提升位置

1.油缸

2.下降速度调节

3.分配器壳体

4.油泵

5.主控制阀

6.回油阀

7.安全阀

8.单向阀

2.中立位置

主控制阀自最大伸出位置被操纵杆向里压入5mm,第二密封带将回油阀背腔油孔稍微打开，使背油液通过主控制阀端部的中心孔流回传动箱。在前端油压的作用下，回油阀压缩弹簧左移，打开回油孔，从油泵来的高压油经回油孔流回油箱。此时，第三密封带仍然封闭着油缸排油道，单向阀在弹簧作用下，处于关闭。如图2-10所示。

图2-10分配器中立位置

1.油缸

2.下降速度调节

3.分配器壳体

4.油泵

5.主控制阀

6.回油阀

7.安全阀

8.单向阀

3.下降位置

主控制阀被操纵杠杆向里压入到极限，第二密封带将加压油阀背腔油孔完全打开，回油孔仍被打开，从油泵来的油经回油孔流流回油箱，第三密封带已将油缸排油道打开，油缸里的油液也经回油孔流流回油箱，农具在自重的作用下下降，下降速度可通过下降速度调节阀来控制。当顺时针转动阀的手轮时，则拧入螺纹杆，可以把阀体顶