電動拖拉機液壓懸掛系統設計與仿真研究

張偉，劉孟楠，2，徐立友

(1.河南科技大學車輛與交通工程學院，河南洛陽 471003；2.西安理工大學機械與精密儀器工程學院，陜西西安 710048)

0 前言

在能源危機和環境污染的背景下，國內外均加大電動拖拉機理論研究和樣機開發[1]。拖拉機主要用于配合農機具完成農業作業，液壓懸掛系統性能影響整機牽引性能和作業效率。電動拖拉機由電動機提供整機驅動力和PTO輸出動力。與傳統拖拉機不同，電動拖拉機動力系統具有低速恒轉矩、高速恒功率的調速特性。通過設計匹配電動拖拉機作業特性的液壓懸掛系統，可提高整車牽引效率和作業性能[2-3]。

目前國內關于拖拉機懸掛系統的研究主要集中在電液懸掛系統和電動懸掛系統。杜巧連等[4-6]根據電液懸掛系統的原理進行數學建模，試驗驗證了電液懸掛系統有較高的控制精度和較好的穩定性；蔡高奎等[7-9]設計了電動拖拉機電動懸掛系統，對電動懸掛系統進行仿真和樣機試驗，驗證了方案的合理性。電動懸掛裝置對電動拖拉機電動機性能要求較高，為保證懸掛裝置正常工作，大多需由獨立電動機驅動電動懸掛裝置，造成整機有效功率浪費；拖拉機作業工況復雜，電動懸掛裝置抗沖擊力差、磨損較大和故障率高[10-11]。液壓懸掛系統具有布置靈活、過載能力強、效率高和自鎖等特點，較適用于電動拖拉機懸掛系統需求。

本文作者設計了一種適用于中小型功率電動拖拉機的液壓懸掛系統方案，通過AMESim軟件對電動拖拉機液壓懸掛系統進行仿真分析，以期為電動拖拉機液壓懸掛系統開發提供一種新的思路。

1 電動拖拉機懸掛系統特性分析

圖1為前期開發37 kW電動拖拉機整機結構，電動拖拉機動力系統電池組和電動機代替發動機，驅動電動機和PTO電動機工作能源由電池組提供。驅動電動機通過機械傳動裝置為電動拖拉機行駛提供動力；PTO電動機驅動動力輸出軸為旋耕機具提供動力。表1為37 kW電動拖拉機整機參數。

圖1 電動拖拉機動力系統結構

表1 電動拖拉機樣機參數

為了滿足不同作業工況要求，傳統拖拉機傳動系統需有較多擋位使發動機處于高效區間。電動拖拉機驅動電動機具有低速區恒轉矩和高速區恒功率的動力輸出特性，可利用較簡單的傳動裝置滿足電動拖拉機作業需求。電動拖拉機整機調速特性不同于傳統拖拉機，圖2為37 kW電動拖拉機調速特性。可知：電動拖拉機采用3擋變速系統，一擋為運輸擋和輕負荷作業擋，二擋為中負荷作業擋，三擋為重負荷作業擋，每個擋位都覆蓋了較寬的車速區間，調速范圍較廣。傳統拖拉機作業工況下，調速曲線相對平緩，調速范圍較小。在犁耕和旋耕等重負荷作業工況下，傳統拖拉機采用“定點作業”模式，即發動機在標定轉速附近工作。傳統中小型功率拖拉機懸掛一般采用節流調速的開心式液壓系統控制農機具升降。電動拖拉機調速范圍較廣，在犁耕等低速重負載作業工況下，驅動電機一般工作在恒轉矩區域內，其轉速在一定范圍內變化。

圖2 電動拖拉機調速特性

2 電動拖拉機液壓懸掛系統設計

2.1 液壓懸掛系統驅動單元方案分析

傳統拖拉機液壓泵布置在發動機上，由曲軸通過減速裝置提供動力。電動拖拉機整機結構和輸出特性與傳統拖拉機有較大差異，液壓懸掛系統可由驅動電動機或PTO電動機提供動力。電動拖拉機在進行犁耕作業時，驅動電動機在同一擋位可輸出不同轉速，PTO電動機轉速保持恒定，驅動電動機和PTO電動機實質為變速電動機和定速電動機。根據液壓泵輸出流量能否可調與液壓懸掛系統動力輸入節點的不同選擇，電動拖拉機液壓驅動裝置存在4種不同的組合方式，如表2所示。

表2 液壓驅動單元方案

PTO電機與定量泵組成的液壓驅動單元結構簡單，但節流損失較大，系統效率較低；驅動電機與定量泵組成的液壓驅動單元時，驅動電機輸出不同的穩定轉速時，液壓系統不能根據負載需要調節液壓泵輸出流量和壓力，液壓系統溢流損失較大；PTO電機驅動變量泵時，變量泵可根據負載需求改變輸出功率，系統效率較高，但在犁耕等不需要PTO電機輸出旋轉動力的作業工況下，會造成有效作業功率浪費，且變量泵后置會造成整機布置較為復雜；驅動電機與變量泵組成的液壓驅動單元，驅動電動機轉速和變量泵排量變化均可改變液壓泵輸出流量，此驅動單元效率最高且節能性最高，但系統控制相對復雜。

本文作者主要研究適用于中小功率電動拖拉機作業特點的液壓懸掛系統，根據液壓驅動單元經濟性、可靠性與通用性的要求，采用驅動電動機與負載敏感變量泵組成液壓驅動單元[12-14]。當驅動電機在恒轉矩區作業時，負載敏感泵斜盤傾角通過系統壓力自動進行調節，使液壓泵輸出流量不變，因此具有控制方式簡單、成本低等特點。

2.2 液壓系統設計

圖3為電動拖拉機液壓懸掛系統原理圖，液壓系統由變量泵、負載敏感閥、壓力切斷閥、壓力補償器、電液比例換向閥、梭閥和液壓缸等組成。壓力補償器用來保證電液比例換向閥閥口前后壓差固定不變；電液比例換向閥可改變油路中油液流向控制液壓缸的運動方向，同時可調節油路流量控制液壓缸的運動速度[15-16]；梭閥選擇液壓缸兩腔最高負載壓力反饋至負載敏感閥；負載敏感閥根據反饋的負載壓力調節液壓泵的輸出流量；壓力切斷閥用來限制液壓系統最高壓力，當系統壓力超過設定壓力時，泵只輸出很小流量，系統溢流損失很小。

圖3 液壓系統原理

電液比例換向閥閥口前后壓差保持恒定，可調節進入液壓缸的流量，使液壓缸運動速度不受負載變化影響；負載敏感泵輸出壓力與反饋的負載壓力始終保持恒定值，泵輸出功率與負載變化相適應。電動拖拉機工作時驅動電機可輸出不同轉速，泵斜盤傾角處于可調范圍內時，負載敏感泵的輸出流量僅與主控閥閥芯開度有關。電動拖拉機液壓懸掛系統具有結構簡單、高效率和控制精度高等優點。

3 液壓系統主要元件建模仿真

液壓系統主要元件模型建立的正確性影響整個液壓系統仿真性能。通過AMESim建立各元件的仿真模型，仿真分析液壓元件的輸出特性，驗證各液壓元件模型建立的正確性。

3.1 電液比例換向閥模型建立與仿真

圖4為電液比例換向閥結構，可知：當兩端電磁鐵不通電時，閥芯在兩端彈簧作用下保持中立，油口全部封閉；當左端電磁鐵通電，推動閥芯向右移動，此時電液比例換向閥在左位工作；當右端電磁鐵通電，推動閥芯向左移動，電液比例換向閥在右位工作。

圖4 電液比例換向閥結構

利用AMESim軟件中的HCD庫搭建電液比例換向仿真模型，如圖5所示。設置仿真條件如下：電液比例換向閥進油口接入恒壓源P，恒壓源壓力設定為10 MPa，電液比例換向閥控制信號設定為在10 s內由0 mA增加到最大控制電流800 mA。

圖5 電液比例換向閥模型

由圖6可知：在0～20 mA內，主閥芯處于死區范圍，此時沒有液壓油通過閥芯；在20～750 mA內，主閥芯克服死區范圍移動，液壓油通過閥芯與閥體形成的節流口，且流量線性增加；在750 mA后閥芯位移達到極限值，通過節流口的液壓油流量趨于穩定。電磁鐵根據控制電流的強弱，驅動電液比例換向閥閥芯進行移動，控制液壓系統流量。

3.2 壓力補償器模型建立與仿真

壓力補償器彈簧力值設定為固定值，主控閥閥前閥后壓差保持恒定值，流向控制閥的流量僅與控制閥閥芯開度有關，閥前壓力補償的實質就是一種定差減壓閥的調速回路。圖7為壓力補償器結構原理，壓力補償器主要由閥體、閥芯和彈簧三部分組成。

圖7 壓力補償器結構原理

圖8為壓力補償器仿真模型，壓力補償器的進油口接恒壓源，恒壓源壓力設定為20 MPa；采用溢流閥模擬負載壓力變化，溢流閥壓力設定為10 s內由0 MPa增加到10 MPa；設定壓力補償器彈簧預緊力為100 N，仿真得到節流閥前后壓力變化。

圖8 壓力補償器模型

由圖9知：隨著負載壓力的變化，節流閥閥前壓力隨之增加，節流閥前后壓差基本保持在2 MPa左右，此時流過節流閥的流量保持恒定。

圖9 節流閥前后壓力變化

3.3 負載敏感泵模型建立與仿真

負載敏感泵由柱塞泵、控制活塞、負載敏感閥和壓力切斷閥等組成。通過負載敏感閥彈簧來設定泵輸出壓力和反饋負載壓力的差值為Δp。建立負載敏感泵的AMESim仿真模型，如圖10所示。設置仿真條件如下：驅動電動機轉速設定為1 500 r/min，負載敏感泵排量為25 mL/r，壓力切斷閥設定最高壓力值為20 MPa，溢流閥壓力設置為20 MPa，負載敏感閥可調壓力設定為2 MPa。通過仿真可得負載敏感泵的壓力流量曲線，如圖11所示。設置0～1 s內節流閥閥芯直徑為1 mm，1～2 s內節流閥閥芯直徑為2 mm，驅動電動機轉速分別為1 500、2 000、2 500 r/min，得到不同電動機轉速下負載敏感泵的輸出流量，如圖12所示。

圖10 負載敏感泵模型

圖12 不同斜盤傾角下負載敏感泵流量

由圖11可知，初始時刻液壓泵的斜盤轉角最大，泵的排量最大，隨著泵輸出壓力增加，負載敏感閥閥芯向左移動，推動控制活塞調節泵的排量，泵輸出流量減小但變化值較小；當泵輸出壓力大于壓力切斷閥設定壓力時，壓力切斷閥在左位工作，控制活塞推動液壓泵斜盤傾角迅速減小，泵只輸出很小的流量供系統泄漏[17]。由圖12和圖13可知：泵輸出流量隨著泵斜盤傾角的變化而改變；當泵斜盤傾角不變時，電動機轉速變化引起泵的輸出流量變化，此時泵出口壓力與負載壓力差值發生變化，負載敏感閥閥芯移動，調節泵的斜盤傾角，使泵輸出流量不變。在泵斜盤傾角可調范圍內，負載敏感泵的輸出流量僅與主控閥閥芯開度有關，與驅動電動機轉速無關。

圖13 不同電動機轉速下負載敏感泵流量

4 電動拖拉機液壓懸掛系統仿真

建立電動拖拉機懸掛液壓系統仿真模型，如圖14所示，懸掛桿件和農具總質量用質量塊m表示，實際耕作過程中的土壤阻力用F來表示。設置電機轉速為1 500 r/min，仿真時間為10 s，1～5 s內電液比例換向閥控制電流信號為100 mA，5～10 s內控制電流信號為-100 mA。控制電流信號為正值和負值是為了使懸掛系統處于提升和下降狀態。液壓懸掛系統流量、壓力和位移仿真曲線分別如圖15、圖16和圖17所示。設置控制電流信號分別為200、400、600、800 mA，設置負載10 s內由0 N變化為10 000 N，得到在負載變化時，不同控制電流信號下的液壓缸活塞位移曲線，如圖18所示。

圖14 液壓系統仿真模型

圖15 液壓系統流量 圖16 液壓系統壓力

圖17 液壓缸活塞位移 圖18 不同控制電流下的液壓缸活塞位移

由圖15和圖16可知：初始時刻，由于負載敏感泵和壓力補償器的作用，泵出口流量和壓力出現波動，大約0.3 s左右趨于平穩；5～10 s時，電液比例換向閥換向后，泵輸出流量輕微波動0.2 s左右，隨后保持穩定；負載壓力由于油缸回油背壓而增加，泵輸出壓力與負載壓力差值始終保持2 MPa左右。由圖17可知：1～5 s內液壓缸無桿腔進油推動液壓缸活塞向右移動，活塞位移線性增加，農具上升；5～10 s內液壓缸有桿腔進油推動液壓缸活塞向左移動，活塞位移線遞減，農具下降。液壓懸掛系統提升行程與活塞位移成線性關系。由圖18可知：不同控制電流下液壓缸活塞移動速度不同，控制電流越大，液壓缸移動速度越快。由于壓力補償器的作用，負載變化時液壓缸提升速度較為平穩。電動拖拉機負載敏感液壓懸掛系統具有效率高、響應快、負載剛度大、控制精度高和穩定性較好等優點。

5 結論

根據電動拖拉機與傳統拖拉機結構與動力輸出特性差異，液壓懸掛系統選擇驅動電機作為動力輸入節點；設計了閥前補償負載敏感液壓懸掛系統方案，當驅動電機在恒轉矩區作業時，其轉速在一定范圍內變化，負載敏感泵斜盤傾角通過系統壓力自動進行調節，使液壓泵輸出流量不變。該方案具有結構和控制簡單、效率高和功率損耗小等優點。對電動拖拉機液壓懸掛系統主要元件進行仿真，驗證元件建模的正確性；對液壓系統進行仿真分析，仿真結果說明所設計的電動拖拉機液壓懸掛系統瞬態響應較快、控制精度較高且穩定性較好，可以滿足電動拖拉機實際工作要求。