農(nóng)業(yè)機械轉(zhuǎn)向自動控制技術(shù)及常用方案

謝偉麗

摘 要：智能農(nóng)機是農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的主要趨勢，隨著農(nóng)業(yè)機械化的不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)機械的自動化程度不斷提高，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的導(dǎo)航和自動化行駛，為農(nóng)業(yè)機械研究合理的自動轉(zhuǎn)向技術(shù)十分重要。通過對農(nóng)業(yè)機械自動轉(zhuǎn)向的研究過程進(jìn)行分析，說明了轉(zhuǎn)向自動控制技術(shù)的基本原理和常用方案，并對各種方案的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機械;轉(zhuǎn)向;自動控制;技術(shù);方案

中圖分類號：S223.91;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.011

現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)機械在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用，由于農(nóng)田作業(yè)過程中地面阻力和地表狀態(tài)的共同影響，使人工駕駛農(nóng)機的過程變得更為復(fù)雜，傳統(tǒng)的拖拉機轉(zhuǎn)向控制多采用全液壓助力技術(shù)，盡管如此，轉(zhuǎn)向過程中仍存在著方向盤沉重、轉(zhuǎn)向可靠性不足的問題，這在很大程度上增加了駕駛員的勞動負(fù)擔(dān)。加之農(nóng)業(yè)機械的自動化發(fā)展趨勢是全自動化作業(yè)，因此，就必不可少的要求農(nóng)業(yè)機械能夠?qū)崿F(xiàn)自動化導(dǎo)航行駛，這對轉(zhuǎn)向控制技術(shù)提出了新的要求。自動轉(zhuǎn)向技術(shù)不僅能夠有效提高農(nóng)機的自動化作業(yè)能力，還能夠提升農(nóng)機作業(yè)的精細(xì)程度，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得更加簡單輕便，有利于農(nóng)業(yè)機械新功能的研究與功能優(yōu)化。

1 農(nóng)業(yè)機械自動轉(zhuǎn)向的相關(guān)研究

近十年來，我國對于農(nóng)業(yè)機械的轉(zhuǎn)向控制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，也取得了十分顯著的成果，盡管相關(guān)技術(shù)還處于研究階段，自動轉(zhuǎn)向控制技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的必須技術(shù)，其在農(nóng)業(yè)機械上的應(yīng)用勢在必行。我國對于農(nóng)業(yè)機械自動轉(zhuǎn)向技術(shù)的典型研究如下：（1）西北農(nóng)林科技大學(xué)研究了拖拉機行駛路線自動變更技術(shù)與機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用伺服馬達(dá)控制方向盤并結(jié)合多種傳感器實現(xiàn)行駛路線的改變;（2）中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究了關(guān)于電控液壓動力自動轉(zhuǎn)向控制模型，通過兩位三通電磁換向閥能夠同時實現(xiàn)自動控制與人工控制，并利用步進(jìn)電機實現(xiàn)對前輪的轉(zhuǎn)向驅(qū)動;（3）中國科學(xué)院沈陽自動化研究所通過加裝減速齒輪的方式對進(jìn)口聯(lián)合收割機進(jìn)行改造，通過步進(jìn)電機完成轉(zhuǎn)向驅(qū)動，形成了現(xiàn)有農(nóng)機的改造方案;（4）中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院對現(xiàn)有拖拉機通過加裝電液比例換向閥的方式實現(xiàn)了控制轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的要求等?，F(xiàn)階段研究的趨勢趨向于通過控制技術(shù)與步進(jìn)電機的結(jié)合，實現(xiàn)現(xiàn)有農(nóng)機的改造升級（圖1），而未來的農(nóng)業(yè)機械自動轉(zhuǎn)向技術(shù)必將是多學(xué)科廣泛融合的產(chǎn)物。

2 農(nóng)業(yè)機械轉(zhuǎn)向自動控制主要裝置

根據(jù)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展情況和駕駛系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，改良并設(shè)計自動轉(zhuǎn)向控制的機械結(jié)構(gòu)和方案是實現(xiàn)相關(guān)功能研究的主要方法。農(nóng)業(yè)機械轉(zhuǎn)向自動控制基本裝置由液壓油泵、動力電機、液壓比例換向閥、角度傳感器、溢流閥、轉(zhuǎn)向液壓缸、其他輔助原件等構(gòu)成。實際工作中通過傳感器獲取機械狀態(tài)，并將相關(guān)信息傳遞給控制系統(tǒng)的處理器，經(jīng)運算和處理后轉(zhuǎn)換為農(nóng)業(yè)機械的轉(zhuǎn)向控制方案，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向輪向不同方向的轉(zhuǎn)向動作，同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)向幅度的檢測與控制（圖2）。

（1）液壓泵。作為農(nóng)業(yè)機械自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力元件之一，可通過柴油機或電機驅(qū)動，通過從液壓油箱內(nèi)部吸取油液，使之形成一定壓力后排出，從而將動力傳遞給執(zhí)行元件的工作部件。

（2）轉(zhuǎn)向液壓缸。通過將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能實現(xiàn)指定元件的位移，在農(nóng)機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，利用控制器將液壓油輸送進(jìn)轉(zhuǎn)向油缸的不同腔體內(nèi)，能實現(xiàn)不同方向的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向。

（3）動力電機。是液壓泵的動力元件，部分自動駕駛裝置也會使用電機作為方向盤或轉(zhuǎn)向軸的驅(qū)動力。

（4）角度傳感器。用以檢測輪胎的轉(zhuǎn)動角度，以獲得農(nóng)機的實際狀態(tài)，為自動駕駛提供參數(shù)依據(jù)，并驗證轉(zhuǎn)向動作的執(zhí)行情況。

（5）電磁閥。屬于電磁控制技術(shù)的工業(yè)設(shè)備，能有效實現(xiàn)流體的自動化控制，在農(nóng)機轉(zhuǎn)向的液壓系統(tǒng)中，作為液壓油的方向、流量、速度和其他的參數(shù)的調(diào)整工具，具有較高的精度和靈活性。

（6）溢流閥。能夠有效控制系統(tǒng)壓力，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過合理值時，起到溢流、穩(wěn)壓的安全保護(hù)作用。

3 轉(zhuǎn)向自動控制常用方案

3.1 傳統(tǒng)液壓技術(shù)升級方案

通過對現(xiàn)階段傳統(tǒng)農(nóng)機技術(shù)進(jìn)行研究，以農(nóng)機轉(zhuǎn)向的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依托，利用其液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)，在原農(nóng)機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增加液壓控制裝置來對液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動，其基本原理如圖3所示。在農(nóng)機正常工作模式下，可進(jìn)行人工操作和自動駕駛的選擇，當(dāng)電磁閥不通電時為人工操作模式，要進(jìn)行自動轉(zhuǎn)向，可通過自動模式進(jìn)行切換，此時電磁閥工作實現(xiàn)模式更換，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會從普通的手動控制油路變換到自動控制油路進(jìn)行工作。轉(zhuǎn)向控制器通過接收多種傳感器獲取的相關(guān)信號，經(jīng)分析和處理后控制換向電磁閥改變油路實現(xiàn)對前輪轉(zhuǎn)向的控制，同時與電控比例閥配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)向速度與行駛速度的合理化實施，并通過傳感器監(jiān)測確保轉(zhuǎn)向功能的妥善實施。

在自動行駛過程中，若沒有轉(zhuǎn)向命令，此時換向電磁閥處于不工作狀態(tài)，液壓油會通過三通壓力補償器流回油箱中。當(dāng)農(nóng)機需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向時，控制器會根據(jù)預(yù)先方案或?qū)嶋H情況控制換向電磁閥實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。當(dāng)三位四通換向閥控制油路時，左位左轉(zhuǎn)，右位右轉(zhuǎn)，油路控制后根據(jù)控制器計算得出的轉(zhuǎn)角所需流量大小，三位四通比例流量閥完成對響應(yīng)油路流量的控制。比例閥的流量通過節(jié)流閥開口的程度來實現(xiàn)，當(dāng)需要調(diào)整流量大小時，通過電流變化控制電磁鐵的磁力大小，磁力變化導(dǎo)致控制閥芯的位置變化，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)流閥開口的幅度變化，現(xiàn)代化的流量閥已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)流量的精細(xì)化控制。

3.2 電機驅(qū)動方案

電機驅(qū)動分為兩種方式，一是電機驅(qū)動方向盤工作，二是電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸工作。使用步進(jìn)電機驅(qū)動方向盤作業(yè)，主要是利用摩擦或齒輪傳動的方式帶動方向盤轉(zhuǎn)動，此方案的工作部件包括步進(jìn)電機、摩擦輪或齒輪副、支架、護(hù)罩等。這種驅(qū)動方式對農(nóng)業(yè)機械原結(jié)構(gòu)的改動小，但摩擦傳動存在打滑問題，效率低且使用壽命短;齒輪傳動雖然可靠性更好，但為減少傳動結(jié)構(gòu)占用的空間和降低傳動過程中電機的扭矩負(fù)擔(dān)，通常采用的傳動比很大，導(dǎo)致使用過程中存在著控制繁瑣、精度不高、反應(yīng)延遲等問題。通過電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸工作通常采用直驅(qū)電機作為轉(zhuǎn)向動力源，能夠通過控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向的功能要求，與電機驅(qū)動方向盤相比，直接對轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行驅(qū)動有效提升了控制精度并簡化了機械結(jié)構(gòu)，具有一定的推廣價值，但只能適用于對反應(yīng)速度要求不高的場合。

3.3 全液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)

全液壓自動轉(zhuǎn)向主要由換向閥、全液壓轉(zhuǎn)向器、步進(jìn)電機等結(jié)構(gòu)組成。與普通液壓控制類似，在自動行駛狀態(tài)下，當(dāng)不需要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時，液壓油經(jīng)全液壓轉(zhuǎn)向器中位直接流回油箱中，當(dāng)需要全液壓轉(zhuǎn)向器控制農(nóng)業(yè)機械轉(zhuǎn)向時，此時根據(jù)需要的轉(zhuǎn)動角度和實際轉(zhuǎn)動的角度之間的差值，由自動轉(zhuǎn)向控制器將需要流量大小傳遞給步進(jìn)電機，通過步進(jìn)電機聯(lián)動全液壓轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變，從而完成液壓流量的變化。全液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)具有較高的控制精度，能夠可靠的完成轉(zhuǎn)向工作，具有良好的技術(shù)可移植性，由于采用了步進(jìn)電機驅(qū)動全液壓裝置，反應(yīng)仍會存在一定的延遲。

4 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)機械的轉(zhuǎn)向自動控制技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)具備了豐富的技術(shù)儲備，能夠在一定程度上完成自動轉(zhuǎn)向的基本要求。但大多數(shù)的技術(shù)均依靠成熟農(nóng)機的機械結(jié)構(gòu)，利用多學(xué)科結(jié)合的整體技術(shù)突破相對較少，科技含量和穩(wěn)定性仍有待提高，這還需要相關(guān)研究人員的不懈努力才能實現(xiàn)。

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