電液控制自動張緊系統(tǒng)在聯(lián)合收割機(jī)主離合上的應(yīng)用

郝良軍

（新疆新研牧神科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830026）

0 前言

在聯(lián)合收割機(jī)工作過程中，主離合皮帶主要擔(dān)負(fù)著由發(fā)動機(jī)傳遞工作動力給主工作部件，是整機(jī)系統(tǒng)中重要的組成部件，目前國內(nèi)主流機(jī)型的主離合傳動采用的方式主要有兩種，一種機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)的張緊輪手動控制系統(tǒng)，另外一種是利用液壓油缸結(jié)合張緊彈簧的張緊輪控制系統(tǒng)。這兩種方式都是通過調(diào)整彈簧的壓力來使張緊輪張緊皮帶的，皮帶的張緊程度往往與操作者的經(jīng)驗有關(guān)，經(jīng)常出現(xiàn)張緊力過大或者過小，皮帶的張緊力對其傳動效率、帶輪軸承的壽命和軸的疲勞強(qiáng)度都有很大影響。張緊力不足，傳遞載荷的能力降低，效率低，且使小帶輪急劇發(fā)熱、皮帶磨損；張緊力過大，則會使皮帶的壽命降低，軸和軸承上的載荷增大，軸承發(fā)熱和磨損。因此適當(dāng)?shù)膹埦o力是保證皮帶傳動正常工作的重要因素。

在整機(jī)工作過程中，主工作部件的負(fù)荷會隨著時間發(fā)生隨機(jī)的變化，常用的皮帶自動張緊方法主要是重力張緊方式[1]，這種方式適合小功率工況下及固定作業(yè)環(huán)境下的機(jī)械傳動系統(tǒng)，對于自走式聯(lián)合收割機(jī)的工況則會出現(xiàn)張緊力波動較大導(dǎo)致動力傳遞連續(xù)性不足等問題，使整機(jī)工作效能降低，另一種是以液壓元件或者液壓伺服機(jī)構(gòu)為主的液壓自動張緊系統(tǒng)[2]，整套系統(tǒng)使用液壓元件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本較高，目前在聯(lián)合收割機(jī)上實施難度還較大。

本文闡述了一種利用電液自動控制系統(tǒng)對油缸張緊輪控制系統(tǒng)的改進(jìn)方法。改進(jìn)過的張緊輪系統(tǒng)通過數(shù)字化技術(shù)檢測出皮帶張緊力大小后自動調(diào)節(jié)張緊輪到達(dá)合適的值，從而有效避免了動力傳遞皮帶的張緊力過大或過小引起的系列問題，另外隨著國家十三五的有關(guān)智能農(nóng)機(jī)的規(guī)劃，單片機(jī)控制器慢慢開始進(jìn)入主機(jī)控制系統(tǒng)，這就為本方案提供了實施可靠廉價的便利條件，使大范圍推廣成為可能。

1 工作原理及特點(diǎn)

由于聯(lián)合收割機(jī)系統(tǒng)一般工作部件比較多，負(fù)荷較大，為減少工作部件的沖擊一般要求慢結(jié)合和快分離，且為了安全考慮結(jié)合過程中還需要隨時中斷結(jié)合過程，這對整個系統(tǒng)軟件控制方面提出了更高的要求。

皮帶自動張緊的過程分為兩個過程：主離合結(jié)合初期，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)負(fù)荷較大，控制系統(tǒng)會控制液壓系統(tǒng)張緊皮帶輪，并且使皮帶張緊力達(dá)到一個較大值，等待系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)后，逐漸減小皮帶張緊力達(dá)到正常值；另一個是在系統(tǒng)正常工作的過程中由于負(fù)荷的變化或者新皮帶使用過程中的正常性拉長使皮帶張緊力超出了皮帶的張緊力范圍時，系統(tǒng)自動根據(jù)負(fù)載的變化調(diào)整皮帶張緊力至正常值，以保證動力傳遞的高效性，達(dá)到環(huán)保節(jié)油的目的。

圖1 系統(tǒng)流程圖

控制系統(tǒng)在接收到主離合結(jié)合信號后，通過判斷發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器或者發(fā)動機(jī)ECU通過CAN總線發(fā)來的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 200 rpm時，為了避免高轉(zhuǎn)速結(jié)合時對機(jī)械部件造成的沖擊，系統(tǒng)不執(zhí)行結(jié)合動作，并且通過HMI顯示器輸出錯誤代碼E01，提醒操作機(jī)手；反之直接輸出主離合結(jié)合信號。配備功率放大電路的單片機(jī)控制器相對應(yīng)端口直接輸出電力驅(qū)動主離合結(jié)合電磁閥，使電磁閥接通油路導(dǎo)通，油缸朝向結(jié)合方向運(yùn)動，主離合結(jié)合。結(jié)合過程中，壓力傳感器將采集到的回液壓管路的壓力值送入數(shù)據(jù)處理部分，數(shù)據(jù)處理部分根據(jù)壓力值和張緊力的置換算法后得到皮帶張緊力，當(dāng)張緊力達(dá)到設(shè)計值時單片機(jī)系統(tǒng)控制張緊油缸停止，此時皮帶張緊力依靠液壓回路的自鎖功能保持張緊輪的張緊力。整機(jī)工作工程中由于負(fù)荷的變化對液壓系統(tǒng)管路所造成的沖擊則由系統(tǒng)中配備的液壓蓄能器或者張緊彈簧所吸收，數(shù)據(jù)處理部分則對采集到的脈沖壓力值采用特定的卡爾曼濾波算法進(jìn)行濾波處理，處理后的數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)判斷張緊力是否超出合理范圍的依據(jù)，并采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)整策略對張緊力進(jìn)行調(diào)整。等主動輪和從動輪轉(zhuǎn)速由于彈性滑動和負(fù)載打滑的比例超過一定比例后，系統(tǒng)自動給蓄能器補(bǔ)充油液從而增大張緊輪壓力，反之減少蓄能器油液，簡要程序流程圖如圖1所示，電器原理圖如圖2所示，液壓原理圖如圖3所示。

圖2 電器原理圖

圖3 液壓原理圖

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要組成部分：液壓動力單元，電磁換向閥，壓力傳感器，單片機(jī)控制器，蓄能器，液壓油缸，流量調(diào)節(jié)閥，比例流量調(diào)節(jié)閥，主離合限位開關(guān)，操作開關(guān)，轉(zhuǎn)速傳感器，其他電路組成部分和油路組成部分。

液壓動力單元主要提供壓力油，換向閥用來驅(qū)動張緊輪油缸換向，蓄能器是為蓄能保壓和減緩沖擊作用，傳感器為了采集相關(guān)數(shù)據(jù)送入控制器來進(jìn)行控制策略的決策分析，比例流量調(diào)節(jié)閥用來控制張緊輪的張緊過程中的速度，以便在不同動作要求下達(dá)到需要的張緊速度，其主要控制方式通過控制器的PWM輸出端口來控制；流量調(diào)節(jié)閥用來控制張緊系統(tǒng)的結(jié)合速度，為省成本和實際應(yīng)用特點(diǎn)一般采用手動調(diào)節(jié)的流量調(diào)節(jié)閥，主離合限位開關(guān)為了給控制器提供主離合狀態(tài)信息；轉(zhuǎn)速傳感器用來檢測主動輪和被動輪的轉(zhuǎn)速，以供控制系統(tǒng)對打滑率進(jìn)行決策分析；液壓油缸用來推動張緊輪；張緊彈簧主要用來防止傳感器失效后的保護(hù)和提供足夠的張緊壓力和減緩沖擊壓力。

表1 控制器IO分配表

系統(tǒng)控制策略主要是由單片機(jī)控制器來完成，主要原理圖如圖3所示，輸入輸出IO配置如表1所示。整套系統(tǒng)通過HMI人機(jī)交互顯示器顯示系統(tǒng)運(yùn)行過程中的錯誤提示及報警系統(tǒng)，錯誤故障代碼如表2所示。

表2 錯誤代碼故障表

3 試驗及應(yīng)用

本套系統(tǒng)已經(jīng)在新疆牧神的4YZT-12籽粒聯(lián)合收割機(jī)系統(tǒng)中使用，整機(jī)配備濰柴247 kW的國三發(fā)動機(jī)，主離合皮帶為普通V帶C3720，數(shù)量為4根，整套系統(tǒng)安裝的壓力傳感器量程為0～20 Mpa、4～20 mA模擬量傳感器，通過主離合的機(jī)械結(jié)構(gòu)計算油缸的張緊拉力范圍為1 250～1 320 N，油缸缸徑25 mm，活塞直徑20mm，計算得到需求的液壓壓力范圍為5.6～5.9Mpa[1]，對應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)為7～7.4 mA。在工作現(xiàn)場通過程序的調(diào)試與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析后標(biāo)定了7～8 mA。整機(jī)下地試驗運(yùn)行超過300小時累計作業(yè)超過66.67hm2地，整個過程中未調(diào)整過皮帶，主離合系統(tǒng)部分沒有出現(xiàn)過泄露、軸承損壞皮帶損壞或嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，效果良好。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)通過CAN總線技術(shù)，單片機(jī)邏輯控制技術(shù)，結(jié)合HMI人機(jī)交互界面讓動力傳遞系統(tǒng)具有了穩(wěn)定、可靠特性的同時，還具備了自診斷功能，為將來的智能化農(nóng)機(jī)奠定了實踐和理論基礎(chǔ)，如果配置有GPS和GPRS系統(tǒng)，故障代碼上傳至服務(wù)器中，可成為將來的遠(yuǎn)程運(yùn)維的一個重要組成部分，而且系統(tǒng)硬件組成部分簡單，降低了維護(hù)難度、功能完善，值得借鑒和推廣。