拖拉機控制系統(tǒng)液壓驅動與電力驅動性能分析

符曉芬

(海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術學院，?？?571127)

0 引言

在我國農(nóng)機設備先進控制技術及集成電子技術的發(fā)展與應用下，隨著大力研發(fā)新型低能耗拖拉機設備熱情的高漲，拖拉機的控制驅動性能的提高和改進亟待深入。拖拉機是在田間主要起到牽引、控制及帶動附屬農(nóng)機設備進行高效作業(yè)的驅動裝置，其性能的好壞、部件工作質(zhì)量與精準程度直接影響后序設備的工作量大小及效率。為此，從應用較為廣泛的液壓驅動與控制較為方便的電力驅動角度對拖拉機的控制系統(tǒng)進行性能對比分析及改進，得出較為理想的拖拉機控制驅動系統(tǒng)，提高拖拉機機體本身的機構緊湊與功能先進合理性，以進一步提高拖拉機的動力性能及綜合經(jīng)濟性能。

1 驅動控制系統(tǒng)

目前，我國拖拉機的種類繁多，根據(jù)其作業(yè)環(huán)境及作業(yè)目標的不同，所選型號及驅動控制系統(tǒng)的部件亦不盡相同。各拖拉機的驅動控制系統(tǒng)關鍵執(zhí)行裝置結構簡圖如圖1所示。整車驅動控制系統(tǒng)的核心在于電動機，對于虛擬的控制程序及系統(tǒng)，設置相應的模擬輸入與輸出信號傳遞通道，數(shù)據(jù)的實時處理與功率放大控制電路。為保證拖拉機驅動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與持續(xù)性，對欠壓過流及過熱保護電路應進行優(yōu)化設計，以符合控制系統(tǒng)的各項工作要求。

在整個驅動控制系統(tǒng)中，驅動電機裝置與提升裝置在足夠電源供給的條件下按照作業(yè)要求進行工作，整車控制器起到核心控制作用，使各部件的液壓驅動與電力驅動實現(xiàn)最優(yōu)化，完成控制執(zhí)行動作。

圖1 拖拉機控制系統(tǒng)關鍵裝置簡圖

2 驅動參數(shù)對比

2.1 液壓驅動控制

液壓驅動控制的拖拉機，其工作原理主要體現(xiàn)在設計優(yōu)良的液壓回路，在液壓泵的帶動下進行轉向、行進及耕作等活動。此驅動控制的關鍵點在于需要有能夠提供足夠動力的液壓缸推動傳遞裝置，不足之處在于需要合理考慮流量與所受壓力的不平衡與不穩(wěn)定性，且能耗較高。

2.2 電力驅動控制

電力驅動裝置的拖拉機可以有效降低能耗，加入驅動傳感元件，通過檢測不同程度信號信息，輸出不同流量及承受壓力的驅動力；但是，該驅動控制在執(zhí)行過程中存在僵硬現(xiàn)象，應將兩者有效結合，對液壓系統(tǒng)進行合理的元件選型和結構緊湊的設計組裝，通過電力控制，對需要控制的關鍵參數(shù)實現(xiàn)精度化調(diào)整作業(yè)。

2.3 聯(lián)合驅動控制

拖拉機控制系統(tǒng)的液壓驅動與電力驅動各有利弊，對拖拉機控制系統(tǒng)的液壓驅動與電力驅動主要技術參數(shù)進行對比(見表1)，包括牽引裝置、減速系統(tǒng)及電力驅動源等，主要對轉速、功率及容量進行合理匹配。通過掌握其控制驅動原理及關鍵參數(shù)在實際田間作業(yè)的變化規(guī)律，在拖拉機驅動控制系統(tǒng)中加入逆變器進行相關數(shù)據(jù)采集。在液壓裝備完善的基礎上，利用高靈敏的傳感器裝置，為達到拖拉機控制系統(tǒng)在整個驅動作業(yè)的過程中具備實時調(diào)整參數(shù)的目標，并應用PID算法(見圖2)進行驅動控制的自適應調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電力驅動與液壓驅動的聯(lián)合控制目標，充分考慮拖拉機啟動、正常行駛及突發(fā)故障下的運行狀態(tài)，進一步融入將兩者有效銜接、形成自適應調(diào)節(jié)的控制閉環(huán)，即

(1)

表1 拖拉機控制系統(tǒng)液壓驅動與電力驅動主要技術參數(shù)對比

圖2 應用于拖拉機控制的PID算法簡易原理圖

3 性能試驗分析

3.1 性能試驗

拖拉機控制系統(tǒng)性能的高低由多項因素影響并體現(xiàn)，因此提出多參數(shù)的優(yōu)化模型，簡要列出其控制算法為

ηT=ηm·ηf·ηδ

φ=φmax(1-e-δ/δ*)

Fq=φZq

Zq=λGg

u=u0(1-δ)

(2)

同時，設置轉矩、轉速、傳動比等參數(shù)約束條件為

拖拉機控制系統(tǒng)在執(zhí)行牽引驅動作業(yè)的過程中，克服各項阻力，包括機體自身與外部土壤條件等，不斷利用電力與液壓之間的有效結合，從比例、積分、微分3個環(huán)節(jié)實時調(diào)控，縮小測定值與所需目標值之間的差距，實現(xiàn)拖拉機調(diào)速、牽引及驅動等環(huán)節(jié)工作裝置效率發(fā)揮最大化，耗能最小化，

圖3為此次性能試驗的驅動特性分析流程圖。在此試驗分析環(huán)節(jié)，重點考慮滑動旋轉率、驅動力的大小、 驅動效率等之間的關系， 將驅動轉矩與驅動轉速同時進行驅動特性分析。

圖3 拖拉機驅動特性分析流程圖

圖4為此次性能試驗融入CVT技術的控制流程。在保留拖拉機驅動系統(tǒng)液壓控制的結構優(yōu)點條件下，優(yōu)化傳感電力控制裝置，并進行準確測試記錄。

試驗過程中，要充分考慮實際工況的復雜性與不可預測性，因而加入控制系統(tǒng)克服阻尼及慣性的驅動裝置動態(tài)模型，即

τcαr+Kαr=α

(3)

3.2 對比分析

選取將兩種驅動控制系統(tǒng)同時融合在一起的拖拉機進行試驗，主要包括智能儀表、先進傳感監(jiān)控即電液共同驅動裝置等。性能測試主要實物裝置如圖5所示。

圖4 拖拉機CVT控制流程簡圖

1.試驗拖拉機 2.智能儀表 3.傳感裝置 4.電力驅動裝置

借助于軟件對試驗結果進行統(tǒng)計分析，結果表明：在液壓控制驅動與電力控制驅動之下的拖拉機存在作業(yè)性能差異，且電力驅動較前者更為合適，可在底盤構造、檔位變換、控制變速等方面取得良好的效果。通過分析，可以得到拖拉機控制系統(tǒng)的速度、牽引驅動力等多項作業(yè)性能指標，表明性能分析方法適應于拖拉機驅動控制。

通過對控制系統(tǒng)影響的關鍵因素提取并做多參數(shù)優(yōu)化處理(主要提取的參數(shù)有拖拉機試驗行進速度的調(diào)速范圍、拖拉機在各個行進速度之下的牽引驅動力大小)，找出在車速、驅動力及控制效能之間存在一定的連續(xù)跟隨變化關系，進一步應用CVT技術，并將液壓驅動與電力驅動有效銜接，得到優(yōu)化前后控制效能可以提高約50%以上，性能試驗可行。

拖拉機驅動優(yōu)化前、后控制效能，如圖6和圖7所示。

圖6 拖拉機驅動優(yōu)化前控制效能

圖7 拖拉機驅動優(yōu)化后控制效能

4 結論

1)在液壓驅動控制與電力驅動控制原理基礎上，對轉速、轉向、轉矩及核心自調(diào)節(jié)控制算法進行優(yōu)化組合試驗及仿真，得出最佳綜合性能的拖拉機聯(lián)合驅動控制系統(tǒng)。

2)電液驅動裝置之間性能利用與協(xié)調(diào)配合，可有效保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與時效精準性使拖拉機整體工作性能得到提升，控制效能大大增進。本研究對發(fā)揮拖拉機工作的最大效率有重要參考價值，亦可為拖拉機控制系統(tǒng)的軟硬件配置或其他類似農(nóng)機裝備深入研究與組合優(yōu)化提供一定的思路和方向。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0238-EA