拖拉機液壓懸掛裝置檢測加載試驗臺設計及仿真分析

叢 茜， 馬博帥， 李 凱， 陳廷坤1,， 郭蕊蕊， 楊倩雯

(1.吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室， 吉林 長春 130022； 2.吉林大學 生物與農業工程學院， 吉林 長春 130022；3.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春 130022；4.洛陽西苑車輛與動力檢驗所有限公司， 河南 洛陽 471039)

引言

農業機械化程度直接反應了一個國家的農業發展水平，因此推廣農業機械化十分重要, 農機關鍵技術的研究是推廣農業機械化的重要核心[1-2]。自2004年我國頒布《中華人民共和國農機化促進法》，中央財政補貼0.7億元，地方各級財政提供農機購置補貼4.1億元，共補貼購置各類農機具逾10萬臺，超過38萬農民受益。農機補貼政策的頒布有力的推進了農機裝備水平，促進了農業機械化發展。截止到2017年底，中國農業機械總動力達到11.2億千瓦，大中型拖拉機數607萬臺，小型拖拉機1703萬臺，分別是1978年的9.5和10.9倍[3]。目前我國拖拉機市場已趨于飽和。在激烈的市場競爭下，研究性能穩定、工作質量好、生產效率高、能源消耗率低的拖拉機工作裝置，受到農機行業的廣泛重視。液壓懸掛裝置作為拖拉機工作的重要機構，其主要功能為連接和牽引農機具，操縱農機具的升降，控制農機具的耕深和高度等[4]。液壓懸掛裝置的性能決定了拖拉機的作業質量及作業效率，影響拖拉機企業的品質和聲譽[5]。因此對其提升能力進行試驗尤為重要。對于小型維修單位缺乏有效的檢測方法，只能依靠經驗做粗略診斷和簡單定性。導致液壓懸掛裝置的故障無法有效診斷和及時解決，這樣的現狀嚴重制約了農業生產的發展[6]。調查得知，目前針對液壓懸掛的檢測均為出廠檢測。檢測過程主要分為掛接過程和加載過程。加載過程中的加載方式可分為重塊加載、油缸加載和其他方式加載[7]。通過對湖北三雷重工和洛陽一拖的實地調研可知，重塊和油缸加載使用更為廣泛。采用掛接方式通常都是人工手動掛接，掛接過程工人勞動強度大，且存在一定危險性。

因此本研究結合試驗臺工作特點和拖拉機液壓懸掛裝置檢測要求[8-9]，設計了一種新型拖拉機液壓懸掛裝置檢測加載試驗臺[10-11]。該試驗臺采用預置標準桿的掛接方式，減少了掛接過程中存在的危險性，降低了工人的勞動強度，并利用AMESim軟件對液壓加載回路進行了仿真分析，驗證了試驗臺設計方案的可行性。

1 試驗臺整體結構與工作原理

本試驗臺結構如圖1所示，基于拖拉機出廠檢驗指標設計，主要檢測內容包括最大提升力、最大靜沉降、提升時間、提升行程等。

本實驗臺由2部分組成，即掛接裝置和加載部分，其他部分主要用于輔助掛接和加載。掛接部分主要作用為通過掛接裝置的結構特點完成自動掛接，代替人工掛接。掛接部分結構主要包括固定板、弧形桿、縱向定位板、復位彈簧、承力柱、橫向定位板、穿出銷等。加載部分通過液壓完成加載，液壓加載部分作為試驗臺的核心部分，主要包括工位臺、支架底座、支座軸承、油缸活塞桿、油缸框架、鉸接關節、杠桿和液壓加載油缸等。電氣控制系統作為輔助系統完成掛接和加載輔助，主要結構包括數控臺、觸摸屏等。試驗臺工作的原理：工作前先固定拖拉機，使拖拉機下拉桿置于提升行程最低點，液壓泵站為加載油缸供油控制掛接裝置捕捉拖拉機下拉桿，掛接裝置橫向定位板首先接觸下拉桿前端頸部，下拉桿開始進行空間橫向定位；其前端頭部會與掛接裝置縱向定位板的凹槽內面接觸，并沿凹槽向上滑動，當下拉桿滑至縱向定位板最上端時，加載油缸停止供油；接著控制安裝在承力柱橫柱內部的液壓銷工作，推動銷軸穿入拉桿銷孔，至此完成整個掛接動作；掛接完成后，拖拉機下拉桿開始提升，此時加載油缸持續供油，保持恒定負載，進行拖拉機懸掛裝置提升能力相關指標的檢測。

1.拖拉機下拉桿 2.掛接裝置 3.液壓加載油缸裝置 4.工位臺圖1 試驗臺總體布局

2 試驗臺液壓加載結構設計

試驗臺液壓加載部分設計應按照掛接裝置提升行程不小于750 mm、提升力范圍為0～36 kN的標準進行設計。提升時間為3 s,提升力精度誤差范圍在±1% 以內，并且要求檢測試驗臺1 min之內可以完成拖拉機后懸掛系統的6次提升檢測，靜沉降檢測時保持拉力恒等于初始載荷。根據試驗臺試驗工況，拖拉機最大提升行程是750 mm,為保證提升過程中安全性，設計掛接裝置提升最大行程為1000 mm，故由杠桿原理選用液壓缸的的行程為500 mm。微型液壓缸負責掛接穿出銷的穿出，為使穿出銷能夠完全從下拉桿的球鉸孔中穿出，設計微型液壓缸行程為50 mm。根據設計要求得到的液壓加載回路如圖2所示[12-13]。

1.油箱 2.空氣過濾器 3.溫度計 4.電動機 5.液壓泵 6.加熱器 7.回油過濾器 8、14.單向閥 9、13.溢流閥 10.精細過濾器11.壓力表 12、19、21、22.電磁換向閥 15.電磁比例溢流閥 16.節流閥 17.電磁球閥 18.壓力傳感器 20.減壓閥 23、24.微型液壓缸圖2 液壓系統原理圖

首先電磁溢流閥YV0通電，調整系統壓力。電磁換向閥12置于左位YV1，加載油缸上升至拖拉機下拉桿球絞孔與掛接裝置穿出銷孔完全對準，將電磁換向閥21，22分別置于右位YV9，YV7，完成微型液壓缸穿銷掛接動作。

掛接完成后，電磁比例溢流閥YV3通電，液壓站向油缸提供恒定壓力值，實現恒定力的加載進行檢測試驗，此時拖拉機開始提升試驗。為了保證負載力保持恒定，此過程油泵保持工作。

然后在YV0，YV3的保壓條件下進行靜沉降檢測，記錄靜沉降的數值，完成檢測，此時YV6，YV8通電，掛接銷撤出，YV2，YV4通電，油缸下降復位。

其中，溢流閥9作為安全閥，保證整個系統的安全性。此外，液壓加載油缸有桿腔回路增加減壓閥20可減少加載油缸主提升過程的液壓沖擊，保證其運動平穩，同時也相當于增加回液背壓力，可以防止整個裝置因為自重而出現自重滑落的現象。微型液壓缸回路加入了溢流閥和節流閥構成節流調速系統，保證了掛接過程的流量和壓力過大，確保掛接過程的精準實施。

3 液壓系統建模

為了驗證拖拉機液壓懸掛檢測臺液壓系統設計可行性，在AMESim中進行液壓系統建模，并對液壓系統進行仿真分析。液壓系統模型如圖3所示，表1為仿真過程中液壓系統的主要參數。

1.恒速控制信號 2.液壓泵 3.溢流閥 4.安全閥5～7.電磁換向閥 8.比例溢流閥 9.單向閥 10.加載液壓缸11、12.微型液壓缸 13.恒定控制信號 14～16、20、22輸入信號17、18.信號放大單元 19.位移傳感器 21.力傳感器23.負載力施加信號 圖3 液壓系統仿真模型圖

表1 液壓系統回路主要參數

4 仿真結果

1) 掛接過程

將仿真結果數據導入Excel中，掛接過程仿真結果如圖4～圖8所示，其中油缸桿初始位置為0.35 m，根據實際調研可知，下拉桿初始位置距杠桿一端掛接裝置穿銷孔約0.02 m。故杠桿另一端液壓油缸需上升0.01 m。圖4為節流信號對掛接時間的影響，由圖4和圖5可知球閥節流信號為0.05和0.1時液壓系統運行良好，且施加0.05的節流信號可以減少掛接過程中所需時間，因此球閥節流信號可以施加0.05將節流信號設置為0.05，當油缸桿位移至0.45 m時，微型液壓缸工作，控制穿出銷穿出，穿銷過程如圖6和圖7所示，根據仿真結果可知該液壓油路能夠完成定位和穿銷。由圖8加載油缸速度曲線可知，加載油缸完成掛接需2.2 s左右，滿足快速掛接檢驗要求。

圖4 加載油缸桿位移曲線

圖5 電磁球閥信號相應曲線

圖6 掛接穿銷過程

圖7 換向閥5，6輸入信號

圖8 加載油缸速度曲線

2) 提升過程

掛接過程完成后，進行提升過程仿真，22，23向系統輸入信號，向液壓系統施加力模擬拖拉機提升，開始進行拖拉機額定提升力檢測試驗仿真。仿真結果如圖9～圖11所示。

圖9 液壓加載油缸桿提升過程位移曲線

圖10 電磁球閥動態響應時間

圖11 電磁比例溢流閥動態響應時間

由圖10可知，在4.84 s時電磁球閥導通，即圖9中5.2 s時間開始進行提升力仿真，液壓加載油缸開始被動回油，到8 s時液壓加載油缸的行程由原來的0.45 m變為0.12 m,被動運動行程在610 mm時提升時間小于3 s。電磁比例溢流閥在4.9 s時刻出現短暫的波動，這是因為在此時刻節流閥信號由0.05變為1，流量瞬間變大才會出現短暫的壓力下降現象。綜上所述，拖拉機提升過程仿真階段的這一仿真結果滿足實際系統的需求。

5 試驗驗證

在吉林大學農機實驗室進行試驗臺搭建，按照仿真油路設計的液壓泵站如圖12所示。該試驗選用的檢測對象是拖拉機東方紅-LX804，為方便后續試驗研究將該型號拖拉機液壓懸掛總成安裝于檢測平臺，如圖13所示，針對加載系統與拖拉機懸掛系統的掛接成功率、額定提升力指標進行檢測試驗。其中，為了實現拖拉機懸掛提升系統的功能，本研究用另一個液壓站為液壓懸掛總成提供動力，用來實現提升系統的移動。

圖12 液壓泵站

圖13 拖拉機液壓懸掛裝置檢測加載試驗臺

在虛擬仿真條件和結果的指導下，針對該檢測平臺進行了10次掛接加載試驗驗證，試驗結果如表2所示。

表2 試驗驗證結果

由試驗結果可以得到該試驗臺掛接成功率為100%，平均掛接完成時間為2.39 s,平均提升時間為2.92 s,與虛擬仿真結果吻合，能夠滿足拖拉機液壓懸掛系統的快速掛接和檢測要求。

6 結論

仿真結果表明該試驗臺能夠實現拖拉機懸掛裝置額定提升力、提升行程、提升次數、提升時間和靜沉降等關鍵指標的檢測。利用該試驗臺可以提高檢測效率和檢測精確性。作為一種實用性高、推廣潛力大的檢測平臺，有關企業和檢測機構可以考慮將該試驗臺標準化采用。