拖拉机液压悬挂耕深电液控制系统设计与试验解读

2008年8月
农业机械学报
第39卷第8期
拖拉机液压悬挂耕深电液控制系统设计与试验
杜巧连熊熙程魏建华
摘要从拖拉机液压悬挂耕深电液控制系统原理出发, 设计了一种以电液比例阀为主控制阀的耕深电液控制系统, 建立该系统数学模型, 分析其位控制和力控制特性, 并进行了试验验证。

试验结果表明:采用耕深电液控制系统, 其位控制过渡时间为0 65s, 静差为! 1 5cm; 力控制调节时间为7 5s; 力位综合控制耕深为20cm 时, 耕深的
波动范围为! 1cm 。

能够满足农机具田间作业时耕深的控制精度和稳定性要求。

关键词:拖拉机耕深电液控制系统设计试验中图分类号:S219 032 4; T H137 5 文献标识码:A
Design and Experiment on the Control System of Electro hydraulic
Plow Depth of Tractor Hydraulic Hitch Mechanism
Du Qiaolian 1
Xiong Xicheng 2
Wei Jianhua
2
(1 Zhej iang Norm al University , Jinhua 321019, China 2 Zhej iang University , H angz hou 310027, China
Abstract
A tractor electro hydraulic 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 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 fluctuating 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 hydraulic control system, Design, Ex periment
收稿日期:2008 03 10
杜巧连浙江师范大学机电技术研究中心主任副教授, 321019 金华市熊熙程浙江大学流体传动及控制国家重点实验室博士生, 310027 杭州市魏建华浙江大学流体传动及控制国家重点实验室教授博士生导师
引言
拖拉机液压悬挂系统有多种耕深控制方法供操作者选择, 其中位置控制、力控制、高度控制是3种基本控制方法。

电液控制的特点是:信号传递准确、快捷、可靠; 信号的比较、叠加和加权处理简单, 易于实现多参数调节的综合控制和自动控制; 操纵方便省力; 易于实现遥控和多点控制。

拖拉机液压悬挂系统正逐步采用电液控制[1], 它能按给定目标参数
进行位置、力和高度的闭环控制, 并已成为农用拖拉机的必备装置[2]。

本文从拖拉机液压悬挂耕深电液控制系统的原理出发, 研究一种以电液比例阀为
主控制阀的耕深电液控制系统, 建立该系统的数学模型, 分析其位控制和力控制特性, 并进行试验研究。

1 液压悬挂耕深电液控制原理
液压悬挂耕深电液控制原理如图1所示。

反映
耕深的负反馈信号来自差动变压器式位移传感器, 该传感器安装在拖拉机机体上, 通过杠杆机构, 与反映耕深变化的下拉杆相连接, 输出信号经放大器作前置放大后经A/D 转换作为位移反馈信号。

以与拖拉机耕深成正比的模拟信号作负反馈, 且与拖拉机耕深的给定信号组成闭环控制系统。

另一个负反馈信号是犁耕阻力, 由安装在上拉杆中的应变片式力传感器输出上拉杆受力信号, 经放大器放大、A/D 转换后作为力反馈信号。

以犁耕阻力作为力反馈信号, 构成有条件的第二反馈回路。

电液比例阀是拖拉机液压悬挂耕深电液比例控制系统的关键部件, 在微处理机输出的电压信号控制下, 改变液压油进出油缸的流量和流向, 控制悬挂提升机构的升降, 以
达到自动控制耕深的目的。

图1 耕深电液控制系统原理框图
F ig. 1 Pr inciple schematic of the tractor plow dept h
electro hydraulic control system
根据农田作业的基本要求, 电控液压悬挂系统需满足农具的固定、提升、浮动和下降的要求[3]。

对耕深电液控制系统进行设计时, 需符合系统执行
元件的工作状况, 实现液压执行元件各项功能。

应根据系统的工作压力、流量、功率以及系统对温升、工作平稳性等方面的要求选择回路, 以满足上述要求。

设计的耕深电液控制系统如图2
所示。

图2 耕深电液控制系统简图
Fig.2 Electro hydraulic control system of tractor plow depth
1. 液压泵
2. 电液比例阀
3. 液压缸
4. 随动凸轮
5. 变量连杆
6. 犁
7. 力测量弹簧
耕深控制的执行机构是一个单作用液压缸。

犁上升时, 液压泵向液压缸供油; 犁下降时, 靠犁的自重将液压缸的油排回油箱。

耕深控制阀是一种能按电信号输入控制液流方
, 关键性元件。

它带有一个输入值与实际值的机械式比较器。

输入值可用手工方法输入系统, 反馈值由控制杆传递给控制阀。

反馈与输入的偏差使液压缸活塞前进与后退, 直到犁的高度与输入位置或牵引力一致。

位置反馈值从行程随动凸轮引出。

牵引力反馈值由行程随动凸轮经测力弹簧比较后得到。

变量连杆可选择位置、牵引力或两者复合作为控制变量。

可见, 采用智能化控制技术可对拖拉机耕作作业中耕深进行自动控制, 以取代传统的机械式调节装置, 达到耕深均匀、工作平稳的目的, 使拖拉机及其农机具始终处于良好的工作状态, 提高耕作质量和经济效益
[4~5]。

2 阀控液压动力机构分析
液压动力机构是电液控制系统的核心部分, 其性能决定了整个液压控制系统的性能[6]。

液压动力机构通常指液压控制元件、液压执行元件及其负载的组合, 拖拉机电液悬挂控制系统采用了电液比例阀、单作用液压缸通及挂杆件来实现所要求的功
能, 其物理模型如图3, 其中A 和B 分别对应电液比例阀的两个工作油口。

图3 阀控动力机构简化模型
Fig. 3 Simplified model of tractor valve control actuating unit
(a上升模型 (b 下降模型
图中所示的阀控机构是一种三通阀控单作用液压缸机构。

假设供油压力p s 在设定耕深点恒定, 回油腔压力p T 为零, 发动机转速为常数, 忽略液态摩擦力, 而且将电液比例阀简化为具有锐边节流口的直动式滑阀, 各开口面积对称。

根据图3简化模型, 可得出3个基本方程[7]:
(1 液压缸流量平衡方程为
Q L =A
d t +C i p 1+t
e 1d t
(1
式中 C i ###阀控动力机构总内外泄漏系数,
(m 3/s /Pa
e ###阀控动力机构的有效体积弹性模量, Pa V t ###包括油道的总工作容积, m 3A ###液压缸无杆腔的有效面积, m
2
Y ###活塞位移, m
p 1#, 63
第8期杜巧连等:拖拉机液压悬挂耕深电液控制系统设计与试验
(2 液压缸力平衡方程(弹性加常值负载为p 1A =M 2d t
2+B m
d t +G Y +F L (2 式中 B m ###折算到活塞上的粘性阻尼系数,
N/(m/s
G ###负载弹簧刚度, N/m F L ###作用在活塞上的负载力, N M ###折算到活塞上的负载等效质量, kg (3 比例阀流量方程
假定比例阀节流口开启面积是对称的, 设比例阀阀芯死区重叠量为X d 。

则当阀芯位移X v 小于X d 时, 比例阀没有液压油通过。

当阀芯位移大于X d 时压力油经节流口通向液压缸进油腔, 则流量Q L 为
Q L =
(|X v |<|X d |
C d (X v -X d p s -p 1 (|X v |>|X d | (上升 C d (X v -X d
p s -p 1
(|X v |<-X d (下降
(3
式中 C d ###流量系数 ###面积梯度, m m
###油液密度, kg/m 3
对式(3 在设定耕深处附近进行线性化, 得Q L =
Q L v
X v +
Q L L
p L =K q X v +K c p L (4
式中 K q ###阀流量增益
K c ###阀流量压力增益
对以上公式进行拉氏变换, 联立后可得阀控动力机构的动态方程, 活塞位移与阀芯位移之间的传递函数为[6]
X v (s
=K q M V t e A
s 3
+M K ce A
+
B m V t e A
s 2
+
1+
B m K ce A
+
G V t e A
s +
GK ce A
(5
活塞位移与外负载力之间的传递函数为
F L (s
=-K ce 1+V t
e K ce
M V t e A
2s 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 A 2s +GK ce
A 2
(6
K ce K e t
式中 K ce ###系统总泄漏系数
从式(5 中可以看出, 活塞位移与阀芯位移之间的传递函数增益(系统开环增益与电液比例阀的流量增益成正关系, 与液压缸活塞面积成反关系, 从闭环系统稳定性考虑, 开环增益不能过大, 否则会出现稳定现象, 但同时不能过小, 否则过渡时间太长[8], 故设计拖拉机液压悬挂耕深电液控制系统时, 液压缸活塞面积与电液比例阀流量增益要达到最佳匹配。

从式(6 中可以看出, 活塞位移与外负载之间的传递函数与电液比例阀流量压力增益成正关系, 故在设计此类系统时, 可选用流量压力增益小的阀。

3 力、位控制的响应试验
电液比例阀为力士乐产比例阀, 液压缸活塞杆直径为90m m, 系统压力为8 5M Pa, 悬挂系的平均比例系数为6 3, 悬挂轴上提升质量为900kg 。

输入指令为耕深
30cm , 由耕深控制旋钮给出一个控制信号, 得到系统瞬态响应特性如图4所示。

从图中可看出, 指令给定时间为0 75s, 1 4s 左右达到稳定, 故其过渡时间为0 65s 左右, 没有太大的超调量, 静差为! 1 5cm, 小于5%, 能够满足拖拉机悬挂犁耕作时! 10%耕深范围的要求[9]。

图4 位控制试验瞬态响应曲线
F ig. 4 T r ansient response cur ve of position regulation
通过田间试验[10~
11]
研究牵引阻力与耕深的关
系。

作用在农具上的牵引阻力与单作用液压缸位移及耕深变化量有关。

在正常的耕作深度范围内, 通
过控制旋钮来改变农具的设定耕深, 得到的阻力与耕深变化曲线近似呈线性关系。

阻力控制系统是为了维持作用在农具上的工作阻力恒定。

当农具的牵引阻力大于给定值时, 便提升农具减小耕深; 当农具的阻力小于给定值时, 便增加耕深。

试验结果较好地反映了这一过程。

阻力控制试验的响应曲线如图5所示。

由图5可以看出, 指令给定时间为1s 左右, 阻尼稳定后时间为8 5s 左右, 故调节时间约为7 5s, 明显大于位控制过程。

64农业机械学报 2008年
图5 力控制试验瞬态响应曲线
Fig. 5 T ransient response curve of draft regulation
点的方法。

当土壤阻力发生变化时, 耕深和牵引阻力同时变化。

耕深和牵引力的计算值与设定值进行实时比较, 判断误差值是否在许可范围之内, 如果不是则继续调整。

试验证明, 在设定耕深为20cm 时,
耕深的波动范围为! 1cm 。

在正常耕作深度范围内, 能够得到较好的控制效果。

4 结束语
从拖拉机液压悬挂耕深电液控制系统原理出发, 设计了一种以电液比例阀为主控制阀的耕深电
液控制系统, 建立了系统数学模型, 分析了其位控制和力控制特性, 并进行了试验验证。

试验结果表明:采用耕深电液控制系统, 其位控制过渡时间为0 65s, 静差为!
1 5cm; 力控制调节时间为7 5s; 力位综合控制耕深为20cm 时, 耕深的波动范围为! 1cm, 设计的耕深电液控制系统能够满足农机具田间作业要求的控制精度和稳定性。

参
考
文
献
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