拖拉機輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)淺析

張彬彬 ，尹晨旭 ，井 儀 ，蔣亞波 ，程 乾

（第一拖拉機股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471004）

0 引言

拖拉機是主要用于牽引和驅(qū)動各種配套機具，完成農(nóng)業(yè)田間作業(yè)、運輸作業(yè)等的動力機械[1]。在不同作業(yè)環(huán)境以及拖拉機轉(zhuǎn)場運輸過程中，拖拉機對自身輪胎的胎壓需求不同。

以東方紅某200 馬力四輪驅(qū)動拖拉機為例，出廠的輪胎壓力一般為180 kPa 左右，在深耕作業(yè)時前輪胎壓力一般為98 kPa~118 kPa，后輪胎壓力為98 kPa~118 kPa；在運輸作業(yè)時前輪胎壓力一般為147 kPa~196 kPa，后輪胎壓力為147 kPa~196 kPa；不同作業(yè)環(huán)境下輪胎壓力相差多達50 kPa[2]。此外，不同馬力段的拖拉機在不同工況下的胎壓需求亦不相同，但相同工況下胎壓要求區(qū)別不大。

不同土壤形態(tài)對拖拉機的胎壓需求也不一樣[3]，針對不同的作業(yè)環(huán)境合理調(diào)節(jié)輪胎壓力，可提高拖拉機的作業(yè)能力，特別是在深耕作業(yè)時，將胎壓降至100 kPa，可提高牽引功率6%~8%，增大輪胎接地面積約5%，減少油耗約6%。在運輸作業(yè)時，將胎壓升至170 kPa，可降低輪胎接地面積約5%，降低輪胎磨損程度，延長輪胎使用壽命，另外可減少油耗約6%[4]。

針對不同拖拉機工況及時調(diào)節(jié)合適的輪胎壓力至關重要，但由于拖拉機的作業(yè)環(huán)境和工況時常變化，且拖拉機在作業(yè)時大多數(shù)地區(qū)不具備對輪胎進行充放氣的條件，在實際作業(yè)過程中基本沒有用戶對輪胎壓力進行合理調(diào)節(jié)。因此，本文致力于開發(fā)一種快捷方便的拖拉機輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)，以解決目前拖拉機作業(yè)過程中胎壓無法調(diào)節(jié)的問題。

1 設計過程

1.1 方案討論

要實現(xiàn)對行駛過程中的拖拉機胎壓的自動調(diào)整，需要解決氣源問題[5-10]。在本文中研究的胎壓控制系統(tǒng)以拖拉機氣泵為氣源。氣泵與拖拉機發(fā)動機齒輪連接，在拖拉機啟動狀態(tài)下氣泵工作產(chǎn)生壓縮氣體，壓縮氣體經(jīng)過卸荷閥（也稱調(diào)壓閥）進入儲氣筒，儲存在儲氣筒內(nèi)。當儲氣筒中氣體充滿，系統(tǒng)壓力達到0.7 MPa 時，調(diào)壓閥開啟，開始卸荷，確保整個控制系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。當控制系統(tǒng)檢測到需要充氣時，會控制換向閥動作，儲氣筒內(nèi)的壓縮空氣通過換向閥進入輪胎實現(xiàn)充氣；當控制系統(tǒng)檢測到需要放氣時，同樣會控制換向閥動作，使輪胎和大氣氣路接通，實現(xiàn)輪胎放氣。

1.2 原理設計

拖拉機輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)原理圖如圖1 所示，拖拉機輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)包括控制器8、壓力傳感器6 和輪胎充放氣執(zhí)行機構。在控制器8 內(nèi)預設有多種對應不同作業(yè)形態(tài)的輪胎壓力標準值，壓力傳感器6 用于檢測輪胎壓力并將輪胎壓力值傳送給控制器8，控制器8 用于將壓力傳感器6 傳送來的輪胎壓力值與控制器8 內(nèi)對應作業(yè)形態(tài)下的輪胎壓力標準值相比較，并根據(jù)比較結果向輪胎充放氣執(zhí)行機構發(fā)出給輪胎充氣/放氣或者保持不動的命令，實現(xiàn)對輪胎壓力的智能控制。與控制器8 連接設有用于選擇作業(yè)形態(tài)的多態(tài)選擇開關9。

圖1 拖拉機輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)原理圖

輪胎充放氣執(zhí)行機構包括氣泵1 以及連接氣泵1的儲氣筒4，與儲氣筒4 連接設有四個氣動電磁換向閥7，四個氣動電磁換向閥7 分別對應控制四個輪胎的充氣和放氣，并且四個氣動電磁換向閥7 分別通過各自的信號線（圖1 中雙點劃線表示的氣路控制線路）與控制器8 相連接；每個輪胎對應設有一個壓力傳感器6，壓力傳感器6 設置在氣動電磁換向閥7 與對應輪胎之間的空氣管路中，并且每個壓力傳感器6均通過各自的信號線（圖1 中虛線表示的氣壓傳感線路）與控制器8 相連接。

氣泵1 在拖拉機啟動狀態(tài)下不斷向整個控制系統(tǒng)提供0.8 MPa 的穩(wěn)定氣源，正常情況下，四組氣動電磁換向閥7 處于中位（O 型），氣體都儲存在儲氣筒4中，當儲氣筒4 中氣體充滿，系統(tǒng)壓力達到0.7 MPa時，卸荷閥2 閥芯開啟，開始卸荷，確保整個控制系統(tǒng)壓力穩(wěn)定、安全。當駕駛員通過多態(tài)選擇開關9 選擇相應工作模式（對應為作業(yè)形態(tài)）時，輪胎的實際壓力（即當前輪胎壓力）通過壓力傳感器6 反饋至控制器8，控制器8 將當前輪胎壓力與控制器中預設的對應作業(yè)形態(tài)的輪胎壓力標準值相比較，根據(jù)對比結果控制氣動電磁換向閥7 的啟閉，從而對輪胎進行充氣或放氣。

當輪胎壓力小于預設的輪胎壓力標準值，需要充氣時，控制器8 控制相應的氣動電磁換向閥7 左位處于作業(yè)形態(tài)，儲氣筒4 向相應的輪胎充氣，輪胎壓力達到控制器8 中預設的輪胎壓力標準值時，控制相應的氣動電磁換向閥7 中位處于作業(yè)形態(tài)，即停止充氣。當輪胎壓力大于預設的輪胎壓力標準值，需要放氣時，控制器8 控制相應的氣動電磁換向閥7 右位處于作業(yè)形態(tài)，輪胎內(nèi)的氣體通過氣動電磁換向閥7 右位排出，輪胎壓力達到控制器8 中預設的輪胎壓力標準值時，控制相應的氣動電磁換向閥7 中位處于作業(yè)形態(tài)，即停止放氣。

1.3 結構設計

拖拉機輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)結構圖如圖2 所示。其中，氣泵1 缸徑為65 mm，排量為100 L/min，額定排氣壓力為0.8 MPa，可為整套系統(tǒng)提供0.8 MPa 的穩(wěn)定氣源；卸荷閥2 設定卸荷壓力為0.7 MPa，系統(tǒng)的壓力超過0.7 MPa 時卸荷閥2 自動打開開始卸荷，保證整個系統(tǒng)的安全性。為了避免卸荷閥2 發(fā)生故障無法正常卸荷，導致儲氣筒4 中壓力一直升高產(chǎn)生爆裂，儲氣筒4 上還設置有安全閥5（開啟壓力為0.85 MPa）。在儲氣筒4 的底部設置有放水閥3，通過打開放水閥3 可快速排除儲氣筒4 內(nèi)積累的水、油污，保證系統(tǒng)氣源清潔。

圖2 拖拉機輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)結構圖

當儲氣筒的氣壓達到設定壓力后，卸荷閥靠自身的結構切斷空壓機至儲氣筒之間的氣路，同時使空壓機排氣直接通往大氣，實現(xiàn)卸荷。卸荷閥具體工作原理如圖3 所示。

圖3 卸荷閥工作原理圖

壓縮空氣通過進氣口A 進入，經(jīng)過過濾網(wǎng)B、斜孔C，再經(jīng)過單向閥D 由出氣口2 口輸出。同時，一部分氣體經(jīng)反饋氣路E 分別作用在膜片F(xiàn) 和進氣閥門G 上，當2 口的氣壓達到調(diào)定的壓力時，氣壓推動膜片F(xiàn)、壓縮彈簧H，打開進氣閥門G，進入I 腔，推動排氣活塞J，打開排氣閥門K，使A 腔的壓縮空氣連同過濾網(wǎng)B 上濾下的水、雜質(zhì)一起從3 口排出，使空壓機處于空載狀態(tài)。

2 裝車驗證

如圖4 所示，該系統(tǒng)中每個壓力傳感器均通過各自的傳感器固定裝置設置在相應車輪的輪轂上。傳感器固定裝置包括一個與車輪輪轂固定連接的U 型支架，U 型支架的兩個支腳端部設有內(nèi)彎的下翻邊，所述的下翻邊通過連接螺栓與車輪的輪轂固定連接。在U 型支架的底部外側固定連接有一個外套筒，外套筒的一端與U 型支架的底部固定連接，外套筒內(nèi)套設有內(nèi)套筒，內(nèi)套筒與外套筒遠離U 型支架的一端動密封配合安裝，內(nèi)套筒伸進外套筒內(nèi)的長度小于外套筒的長度，從而使外套筒內(nèi)腔與內(nèi)套筒內(nèi)腔相連通。在內(nèi)套筒遠離U 型支架的一端連接有一個氣路連接器，氣路連接器與氣動電磁換向閥之間通過空氣輸送管路連接，壓力傳感器也連接在氣路連接器上。在外套筒上連接有用于與輪胎充氣門連接的充氣管路，空氣輸送管路與充氣管路均為氣動電磁換向閥與對應輪胎之間的空氣管路的一部分。

圖4 拖拉機輪胎壓力多態(tài)控制系統(tǒng)支架裝配圖

在外套筒和內(nèi)套筒之間設有軸承，外套筒與軸承外圈過盈配合，內(nèi)套筒與軸承內(nèi)圈過盈配合并由鎖緊螺母壓緊，鎖緊蓋板壓緊旋轉(zhuǎn)密封圈使外套筒內(nèi)部形成密封空間，氣路連接器通過過渡接頭與內(nèi)套筒連接，氣路連接器和內(nèi)套筒通過軸承與外套筒可進行相對轉(zhuǎn)動。

3 結語

該系統(tǒng)中預設有多種對應不同作業(yè)形態(tài)的輪胎壓力標準值，通過分析對應作業(yè)形態(tài)下的作業(yè)形式、土壤形態(tài)等多種因素對拖拉機牽引力的影響，對輪胎的摩擦力、剪切力等理論數(shù)據(jù)進行計算，再根據(jù)不同農(nóng)機具工作時對牽引力的影響及需求，結合實際田間試驗數(shù)據(jù)，總結得出不同作業(yè)形態(tài)的輪胎壓力標準值如下：運輸模式下，輪胎壓力標準值為180 kPa~200 kPa；中耕模式下，輪胎壓力標準值為210 kPa~220 kPa；旋耕模式下，輪胎壓力標準值為120 kPa~130 kPa；犁耙模式下，輪胎壓力標準值為90 kPa~100 kPa。以上各作業(yè)模式，對應不同作業(yè)環(huán)境，也即對應不同作業(yè)形態(tài)。

不同作業(yè)環(huán)境下選擇相應合理的輪胎壓力可提高牽引功率6%~8%，充分發(fā)揮拖拉機功率，從而發(fā)揮拖拉機最大牽引力，并可提高作業(yè)效率、降低油耗。此外，該系統(tǒng)操作簡單方便，駕駛員在駕駛室內(nèi)通過多態(tài)開關根據(jù)不同作業(yè)形式便可選擇相應作業(yè)形態(tài)對應的輪胎壓力標準值，在控制器的控制下自動調(diào)節(jié)胎壓以適應當前的作業(yè)形態(tài)。