丘陵山地拖拉機電液懸掛系統(tǒng)的設(shè)計與仿真分析

蔣 俊， 張 建， 馮貽江， 蔣榮聰， 彭秀英， 荊寶德

(1.浙江高宇液壓機電有限公司，浙江 臨海 317000；2.浙江師范大學 工學院，浙江 金華 321004)

0 引 言

在農(nóng)機作業(yè)過程中，拖拉機需通過液壓懸掛系統(tǒng)來實現(xiàn)對耕種深度的調(diào)節(jié).而為了實現(xiàn)拖拉機作業(yè)深度的均勻性，目前懸掛系統(tǒng)控制方式有機械阻力控制、位置控制和綜合控制3種，而使用最多的是機械阻力控制方式[1-3].機械阻力控制方式主要是駕駛員通過選擇“力調(diào)節(jié)”和“位置調(diào)節(jié)”方式來操作手柄的位置，使得機械式阻力位置調(diào)節(jié)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)機具位置/阻力的調(diào)節(jié).但是在作業(yè)過程中，經(jīng)常會碰到地形起伏,田埂、樹根等短期地形突變及阻力突變等情況，造成農(nóng)機具上下起伏，最終影響農(nóng)機作業(yè)的水平.隨著電子技術(shù)、信息化技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)正逐步采用電液控制.電液控制系統(tǒng)通過各個傳感器檢測的信號，調(diào)節(jié)左右懸掛油缸的伸縮量，實現(xiàn)配套農(nóng)機具耕作動力、耕作深度的自動調(diào)節(jié)[4-6].

目前國內(nèi)拖拉機的電控液壓懸掛系統(tǒng)只對懸掛系統(tǒng)的耕作深度進行開環(huán)調(diào)節(jié)，只能適用于地勢較平坦的地形.當拖拉機在丘陵、山地作業(yè)時，由于耕地坡度較大，拖拉機就很難自動調(diào)節(jié)并完成耕種任務(wù)，所以還需要設(shè)計適用于丘陵山地的拖拉機電控液壓懸掛系統(tǒng)[7-8].

針對上述問題，筆者設(shè)計了一種對丘陵山地適應(yīng)性強、且能保證配套農(nóng)機具在丘陵山地高質(zhì)量作業(yè)的電控液壓懸掛系統(tǒng)，本文將側(cè)重講述液壓系統(tǒng)部分的設(shè)計.

1 系統(tǒng)的設(shè)計要求

懸掛液壓系統(tǒng)是農(nóng)機設(shè)計的關(guān)鍵，也是農(nóng)機作業(yè)得以準確實現(xiàn)的保證，為了能夠完成拖拉機對丘陵地形的自適應(yīng)，該坡地自適應(yīng)懸掛液壓系統(tǒng)需要具備以下要求：

1)能夠完成基本工作需求.懸掛系統(tǒng)的2個提升油缸能夠完成舉升、下降、浮動3個基本動作.

2)準確性.在快速下降時，懸掛機構(gòu)與地面接觸前，機構(gòu)能夠快速下降；為了能夠根據(jù)地形準確調(diào)整農(nóng)具作業(yè)的深度，系統(tǒng)需要在與地面接觸后及油缸舉升時，它的執(zhí)行機構(gòu)能夠準確運動到目標位置而不受外負載壓力的影響，具有對丘陵坡地的高度適應(yīng)性，保證配套農(nóng)機具在丘陵山地的高質(zhì)量作業(yè).

3)自動化、智能化.懸掛系統(tǒng)應(yīng)具有自動化的控制手段及自我調(diào)整功能，實現(xiàn)配套農(nóng)機具對耕作阻力、耕作姿勢(高度及角度)的自適應(yīng)調(diào)節(jié).

4)低能耗.隨著全球能源的趨緊，人們的環(huán)境保護意識日趨增強，節(jié)能環(huán)保是每臺機器必要的設(shè)計理念.

2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

液壓系統(tǒng)是農(nóng)機設(shè)計的關(guān)鍵，也是農(nóng)機準確完成工作的保證.根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，懸掛液壓系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)快速下行，并且舉升下降也能夠準確定位，以保證油缸位移不受負載壓力影響，多個執(zhí)行機構(gòu)能夠同時動作且彼此不受影響.

2.1 液壓系統(tǒng)回路的設(shè)計

為了實現(xiàn)上述要求，設(shè)計時主要采用定流量負載敏感回路.圖1即為定流量負載敏感回路的原理圖，圖2是它的壓降圖.具體思路如下：

圖1 定流量負載敏感回路原理圖

1)定量泵作為液壓源在泵出口處有一旁路接的主定差閥D0，設(shè)定彈簧預(yù)緊力為ΔPD0.

2)負載信號壓力為PLS.如果換向閥在初始位置，那么PLS就是ΔPD0的壓力；如果換向閥在工作位，那么PLS就是負載口PA1或者PA2的壓力.

3)在換向閥后接有定差減壓閥D1,D2,通過調(diào)節(jié)閥D1,D2的閥口大小，維持換向閥前后壓差ΔP=Pp-Pci(i=1,2)為恒定，因此，通過換向閥的流量只取決于其閥口的面積，而與負載壓力無關(guān).

圖2 定流量負載敏感回路壓降圖

4)當換向閥在初始位時，PLS等于ΔPD0的壓力，因為換向閥此時關(guān)閉，所以，泵流量全部經(jīng)過旁路閥D0回到油箱;

5)各換向閥的反饋信號壓力PLS經(jīng)過單向閥，選出最高負載信號壓力PLS，作用在主定壓差閥D0，調(diào)節(jié)節(jié)流口大小，維持泵出口壓力Pp比負載最高壓力PLS高ΔPD0，并將泵多余流量卸荷回油箱.

根據(jù)上述設(shè)計思路及原理，結(jié)合懸掛系統(tǒng)實際工況，在提升及下降時都要準確控制油缸位置，最終懸掛液壓系統(tǒng)如圖3所示.

2.2 液壓系統(tǒng)的運行

該懸掛系統(tǒng)主要完成舉升、下降、浮動3個基本動作；其次，根據(jù)運動狀態(tài)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)不同的液壓閥，控制油缸運動.系統(tǒng)整體運行流程如圖4所示.

2.2.1 油缸舉升

比例流量控制閥的電磁鐵得電，并根據(jù)油缸位移反饋信號調(diào)節(jié)閥口開度，泵出口的油液依次經(jīng)比例流量控制閥、單向閥，到達舉升油缸大腔，推動油缸伸出，當油缸運動到指定位移時，位移傳感器反饋信號控制比例流量控制閥關(guān)閉，油缸運動停止，運動過程中的泵多余油液經(jīng)主定壓差閥卸荷回油箱；比例換向閥電磁鐵得電，工作在圖3中的右位，液壓缸小腔油液經(jīng)比例換向閥回到油箱.

2.2.2 油缸下降

1)在農(nóng)具與地面接觸之前，比例換向閥的電磁鐵調(diào)節(jié)比例閥的開口大小，控制油缸下降速度與位移，此時，比例流量控制閥的電磁鐵工作在最大控制電流，閥口全開，泵出口油液經(jīng)比例流量控制閥、單向閥進入提升油缸小腔，大腔油液經(jīng)比例換向閥回到油箱.

1.液壓齒輪泵;2.吸油過濾器;3.液位液溫計;4.恒流閥;5.主定壓差閥;6,7,22,23,24.比例流量控制閥;8,9,13,14,16,17,20,21.單向閥;10,12,15,19.比例換向閥;11.右提升油缸;18.左提升油缸;24.溢流閥;25.電磁換向閥;26.高壓過濾器

圖4 懸掛液壓系統(tǒng)運動流程圖

2)當農(nóng)具與地面接觸后，比例換向閥的電磁鐵工作在最大控制電流上，閥口全開，此時,比例流量控制閥的電磁鐵根據(jù)油缸位移反饋信號，調(diào)節(jié)比例閥閥口大小，進而控制油缸運動位移及速度，在運動過程中的泵多余油液經(jīng)主定壓差閥卸荷回油箱.當油缸運動結(jié)束后，所有電磁鐵失電，油缸負載壓力經(jīng)恒流閥卸荷，泵出口油液經(jīng)3位四通電磁換向閥的中位卸荷回油箱.

2.2.3 油缸浮動

當油缸大小的比例換向閥同時得電時，2個閥都工作在圖3中的右位，此時油缸大腔與小腔接通，系統(tǒng)工作在浮動狀態(tài).

2.3 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點

1)油缸速度位移控制精確.油缸舉升工況時，通過控制比例流量控制閥的輸入信號，實現(xiàn)油缸運動速度位移的精確控制，同時油缸運動速度不受工作負載壓力的影響；油缸下降工況時，通過比例換向閥精確控制油缸下降速度與位移.

2)油缸可復合動作.4個比例流量控制閥進油口為并聯(lián)，通過調(diào)節(jié)各比例流量控制閥的閥口大小，可使多個油缸同時工作，完成復合動作，不受負載壓力的影響.

3)低壓卸荷.在油缸完成運動后，主定壓差閥彈簧腔的油液通過恒流閥回油箱，使得系統(tǒng)油液通過主定壓差閥低壓卸荷，使系統(tǒng)更加節(jié)能.

3 控制系統(tǒng)的仿真

為研究電液懸掛液壓系統(tǒng)的工作特性，使用AMESim軟件建立了該液壓系統(tǒng)的計算模型.對圖3所示的液壓系統(tǒng)來說，其多數(shù)液壓元件都可以從AMESim軟件液壓庫中選取，但默認液壓模型無法設(shè)定閥開口面積及彈簧參數(shù)，這將會影響流量的分配關(guān)系，所以利用HCD(hydraulic component design)庫搭建比例流量閥、主定壓差閥的模型.其他機械元件從mechanical庫中選用，電磁閥均采用信號庫中的時序信號來實現(xiàn)控制.所建立的液壓系統(tǒng)仿真模型如圖5所示.

在仿真模式(simulation mode)下進行時域分析，主要元件參數(shù)的設(shè)置如表1所示.

設(shè)定左提升油缸負載5 MPa，右提升油缸負載10 MPa，同時讓控制提升的比例流量閥從第2秒開始，在10 s內(nèi)從關(guān)閉開啟到最大，計算系統(tǒng)的工作特性如圖6所示.

從圖6(a)可以看出，在左側(cè)油缸負載5 MPa、右提升油缸負載10 MPa的情況下，當比例流量閥逐漸開啟時，2個液壓缸的位移基本相同，左提升油缸運動到427 mm時，右提升油缸位移419 mm，相差8 mm.所以，油缸運動基本不受外負載影響.由圖6(b)可看出，主定壓差閥流量隨著比例流量閥的開啟而逐漸減小，當比例流量閥全開時，主定壓差閥剛好全關(guān)，定量泵流量全部供給油缸，此時無旁路卸荷；當運動結(jié)束時，比例流量閥關(guān)閉，主定壓差閥流量又回到最大值20 L/min.

圖5 懸掛液壓系統(tǒng)仿真模型

表1 系統(tǒng)主要元件仿真參數(shù)

設(shè)定比例流量閥開口一定，左側(cè)油缸負載從第2秒開始，在10 s內(nèi)從0增大到5 MPa，右側(cè)油缸負載從第2秒開始，在10 s內(nèi)從0增大到10 MPa，計算系統(tǒng)的工作特性，如圖7所示.

圖7(a)為兩油缸的運動速度曲線.由圖7(a)知，在比例流量閥開口一定時，油缸外負載逐漸增加，兩油缸負載不同；油缸運動速度基本保持恒定，而左右油缸壓力隨著其負載變化；在2～12 s時，左提升油缸平均速度為41 mm/s，右提升油缸平均速度為42 mm/s，二者基本一致.圖7(b)為主定壓差閥的旁路卸荷流量.由圖7(b)知，隨著負載的增加，旁路卸荷流量并沒有增加，維持在10 L/min左右，保證了定量泵在向執(zhí)行油缸提供流量時不隨負載變化.

(a)油缸位移曲線 (b)主定壓差閥旁路卸荷流量曲線

(a)油缸位移曲線 (b)主定壓差閥旁路卸荷流量曲線

4 結(jié) 論

本文從農(nóng)機在作業(yè)時的基本要求出發(fā)，設(shè)計了定流量負載敏感型的懸掛液壓系統(tǒng)，分析了其運行機理與控制方法.并通過AMESim軟件搭建了系統(tǒng)的仿真模型，在定負載與變負載工況下對懸掛液壓系統(tǒng)特性進行了計算分析.結(jié)果表明，懸掛左右油缸的位移及流量曲線均滿足設(shè)計預(yù)期，該系統(tǒng)基本滿足農(nóng)機的工作要求，可以不受外負載變化影響情況下實現(xiàn)2個油缸的復合動作，其速度誤差與位移誤差在5%以內(nèi).同時系統(tǒng)壓力為負載壓力與定壓差閥壓力之和，系統(tǒng)壓力隨負載的大小而變化.因此，該電液懸掛系統(tǒng)在使用過程中大大降低懸掛系統(tǒng)消耗的發(fā)動機功率，具有很好的推廣應(yīng)用價值.