山地拖拉機電控液壓轉向系統設計分析

翟艷輝

(河南省三門峽職業(yè)技術學院，河南 三門峽 472000)

0 引言

我國作為農作物產出與種植大國，不同的地形對于農用機械提出了更高的要求。在地勢不同的山地丘陵地區(qū)，山地拖拉機的作業(yè)優(yōu)勢更為明顯，為不斷推動農業(yè)機械向先進化與智能化方向發(fā)展，其設計與研發(fā)勢在必行。經翻閱資料文獻可知，我國的山地拖拉機設計與開發(fā)與國外研發(fā)相比有點落后，但近年來國內相關學者已通過對山地拖拉機的應用性能改進取得了明顯進展，圖1為山地拖拉機外形圖。由圖1可知：山地拖拉機較通用拖拉機應具備高效的轉向性能與穩(wěn)定的機身平衡性能，筆者以進一步提升山地拖拉機的工作效率為目標，利用機電液一體化控制技術，以行走與轉向動作為設計切入點，進行了設計分析。

1 轉向系統概述

山地拖拉機的轉向通常由機械轉向與助力轉向兩大部分構成，傳統的轉向系統以機械運動為主，系統的工作較為單一且精度不高；將液壓控制與電氣控制相繼融合，形成了電控液壓轉向系統，其轉向精度大幅度提升。表1列出了當前國內外山地拖拉機領域內的轉向控制應用技術。在相對特殊的作業(yè)場合，如山地、丘陵、坡地等，轉向系統采用的關鍵控制技術主要表征為液壓減振、HER電液懸掛與整機集成控制等。

圖1 專用山地拖拉機外觀圖Fig.1 AppearanceFigure of the special mountain tractor表1 山地拖拉機轉向控制應用技術Table 1 Main components and parameters of the mountain tractor

序號應用場合關鍵控制技術拖拉機系列產品1山地、丘陵液壓提升擺動減振Geotrac4系列2山地HER電液懸掛CNH、一拖系列3山地、丘陵負載傳感靜液壓轉向Monty系列4坡地履帶行走、車身調平機構STI-8系列5重載場合整機集成技術BD200-500系列6變地形變地隙行走控制北航研發(fā)中

電控液壓轉向系統是助力轉向控制方式之一，在電機的直接驅動下，液壓泵準確動作，并給予拖拉機轉向機構提供所需動力，實現轉向功能。其間，涉及泵的流量與壓力大小控制，山地拖拉機行駛速度與轉向盤轉矩角度等關鍵參數的設計，應進行重點分析。

為更好地實現山地拖拉機電控液壓轉向系統的設計，圖2給出了應用于山地拖拉機的電機控制內部形成機理。由圖2可知：以電磁轉矩控制原理為主線，在電機的定子勵磁繞組與中樞繞組間將d軸定義為主磁極基波磁場軸，q軸定義為交軸，在勵磁電流if的作用下，以ωr角速度進行旋轉，形成N、S兩極磁極，進而構成總轉矩恒定的換向器繞組，這在山地拖拉機電控中起到關鍵作用。

圖2 應用于山地拖拉機的電機控制內部形成機理Fig.2 Internal forming mechanism of motor control applied to mountain tractor

2 轉向系統設計

2.1 數學模型建立

山地拖拉機的轉向動作基于電機控制技術，結合圖3所示的電機控制原理示意圖，為驅動山地拖拉機的轉向執(zhí)行機構獲取準確信號并動作。根據機械動力學運動原理，建立轉向系統的數學運動模型為

(1)

式中te—山地拖拉機轉向系統的電磁轉矩；

Ωr—山地拖拉機轉向系統的轉子機械角速度；

RΩ—山地拖拉機轉向系統的阻尼系數；

tL—電機所帶動的負載轉矩；

J—山地拖拉機轉向系統的轉動慣量(包括轉子)。

設θΩ為轉向系統的轉子旋轉角度(機械角度)，得

(2)

結合式(1)、式(2)，化簡得

(3)

圖3 電機控制原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of motor control principle

分析拖拉機轉向系統在行進過程中核心參數，將轉向系統的轉矩與山地拖拉機的整機行進速度作為設計出發(fā)點，分別表征基于電機控制的轉向系統調速與伺服特性，形成如圖4所示的山地拖拉機電控液壓轉向系統的設計流程。

圖4 山地拖拉機電控液壓轉向系統設計流程簡圖Fig.4 Design progress brief diagram of the electric control hydraulic steering system of the mountain tractor

其主要融入轉向PID控制的核心算法，對轉速的傳感信號調節(jié)與傳遞、驅動電機電流的傳感信號調節(jié)與傳遞進行實時控制，與預先設定的電機轉速進行對比，根據測定信號調節(jié)及控制拖拉機的液壓泵的流量與流速，實現轉向系統液壓缸運動行程的精準控制。

2.2 核心部件參數設計

基于電機控制與液壓執(zhí)行相結合的山地拖拉機轉向系統原理分析，選取核心部件進行參數值設計調整，列出如表2所示的核心部件參數的名稱及給定設計值。在保證轉向平衡度為75%的基礎上，利用拖拉機四輪驅動機理，設計前后液壓缸的作業(yè)行程，同時選定電液比例換向閥的工作壓力為25MPa，轉向系統的電控液壓效率為90%。

表2 山地拖拉機電控液壓轉向系統核心參數設計Table 2 Main parameters design of the electric control hydraulic steering system on the mountain tractor

根據山地拖拉機轉向系統核心參數的選取，設計出包含電控單元、液壓控制回路與多種角度與位置傳感裝置構成的電控液壓轉向控制系統的整體結構。其中，依據拖拉機的輪胎偏轉角度與液壓缸執(zhí)行的伸縮量建立內部的對應關系，進行轉角動作。圖5為山地拖拉機電控液壓裝置的工作簡圖。其工作過程簡要概述為：山地拖拉機轉向盤的變化，將產生不同大小的控制電流，從而帶動電液比例閥進行不同的動作，實現拖拉機轉向系統各個角度的轉動與位移。此過程表現為輸出的轉角信號和拖拉機整機車速信號，經處理變換后吸合閥芯的運動方向不同。

2.3 轉向系統平衡控制

山地拖拉機在實現了轉向準確動作的同時，需考慮轉向過程中的平衡問題。傳感裝置設置匹配角度、溫度及系統壓力3類傳感器進行測量以實現山地拖拉機在進行轉向過程中的機身平衡控制。為此，選取CQ-450型號雙軸傾角傳感器；Pt100的溫度傳感器，測量范圍設定在-40～160°；PY208型液壓油壓力傳感器，進行PLC觸摸屏實時顯示。

圖5 山地拖拉機電控液壓裝置工作簡圖Fig.5 Working brief diagram of the electric control hydraulic device of the mountain tractor

山地拖拉機轉向系統的平衡控制硬件配置圖，如圖6所示。選擇轉向系統的壓力與溫度為山地拖拉機的車身平衡模擬量輸入信號，通過配備EM231和EM235模塊將信號傳遞至PLC中央控制系統模塊，通過實時調整機身，確保山地拖拉機整機在作業(yè)行進過程中機身穩(wěn)定轉向。

圖6 山地拖拉機轉向系統平衡控制硬件配置圖Fig.6 Hardware configuration diagram of balance control of steering system of mountain tractor

3 性能試驗

3.1 條件設置

通過合理計算確定轉向系統各部件的尺寸及相互配合關系，建立核心轉向部件的物理模型，并利用SolidWorks軟件運動模擬與3Dmax軟件虛擬場景相結合，進行山地拖拉機的電控液壓轉向仿真性能試驗。試驗需設置如下前置條件：

①設置試驗場景與實際山地作業(yè)的場地相一致，近似度應達90%以上；②保證各轉向系統參數設置正確；③試驗過程中的基礎性條件保持不變等。

3.2 過程分析

試驗過程逐一改變需要測定的轉向參數，依次從左轉向試驗與右轉向試驗進行分析，圖7為山地拖拉機轉向性能試驗實景。數據轉換處理后得出如表3所示的山地拖拉機電控液壓轉向性能試驗關鍵參數評價表。

(a) 左轉向試驗

(b) 右轉向試驗圖7 山地拖拉機轉向系統性能試驗Fig.7 Performance test of the steering system of the mountain tractor表3 山地拖拉機轉向性能試驗關鍵參數評價Table 3 Key parameters evaluation of the mountain tractor steering performance test

序號轉向角設計值/(°)轉向角試驗值/(°)誤差/(°)轉向平穩(wěn)性/%12524.36-0.6481.621514.65-0.3584.3355.94+0.9481.9400082.5

續(xù)表3

由表3可知：選定轉向設計角度與仿真試驗角度范圍為-25°～25°，每次變化角度誤差控制在-0.64°～+0.94°的范圍內，誤差較小，滿足設計要求；同時，針對轉向平穩(wěn)性，考慮了山地拖拉機的機身轉向平穩(wěn)機構設定后，可確保轉向平穩(wěn)性控制在79.8%以上，整體機身平穩(wěn)的一致性程度保持較好。其中，當轉向為25°時，機身平穩(wěn)性可達84.7以上，說明仿真試驗可行。

4 結論

1) 對山地拖拉機的轉向系統進行原理分析，并融入當代電機控制理論，對其轉向系統展開設計分析。在正確建立轉向系統運動模型的基礎上，通過合理設計山地拖拉機轉向系統的核心部件參數，如液壓缸、活塞直徑及電液比例控制閥等，組裝成可進行高效轉向的試驗樣機。

2) 利用三維仿真設計軟件進行仿真試驗，結果表明：在模擬山地拖拉機日常運作的場景下，通過后臺轉向控制指令變換轉向系統的轉向角度，與預期的設定值間具有高度的一致性，誤差較小且轉角平穩(wěn)性滿足設計要求，大于設計要求75%。