基于PLC的聯合收割機液壓轉向控制方法研究

卓曉冬,張華軍,徐玉峰

(江蘇聯合職業技術學院 南京分院,南京 210019)

0 引言

聯合收割機轉向系統精準控制是收割機作業控制的關鍵技術。工作時,轉向系統采用液壓傳動的方式帶動轉向機構傳動,液壓系統在傳感技術與PLC控制技術共同控制條件下進行轉向精準控制[1-2]。聯合收割機作業過程中,在不同硬度田地作業時,轉向過程中土壤變形程度不同,其負載力矩也存在不同程度的差異,造成轉彎所需的驅動力不同[3]。為此,從收割機轉向過程負載力矩入手,建立轉向過程前輪動力學模型,根據負載值確定轉向過程所需的液壓驅動載荷,選用液壓馬達作為動力源,在PLC控制條件下進行收割機轉向精準控制。

1 聯合收割機轉向控制系統總體設計

通過對聯合收割機系統進行調研分析可以得出,某聯合收割機的整體質量不大于700kg,前后軸距為3000mm,輪距為1300mm,行駛速度不大于30km/h,最大轉彎半徑小于3.5m。聯合收割機轉向系統由齒輪齒條轉向機構和轉向液壓缸組成,其轉向液壓缸一端與收割機車架固定,另一端與齒條連接,齒條可在設定的軌道內滑動,帶動齒輪旋轉,使聯合收割機的車輪可在控制范圍內轉動,實現聯合收割機的轉向[4～6]。聯合收割機轉向系統控制結構原理圖,如圖1所示。

聯合收割機液壓轉向系統主要包含控制器和換向閥控制元器件,利用傳感器對車輪轉角進行采集,轉向執行元器件采用轉向液壓缸;當聯合收割機轉向時,駕駛員操縱方向盤,PLC控制器根據輸入指令進行運算后發出轉向信號,轉向系統控制器對轉向信號進行運算分析,向液壓換向閥發出電信號,控制電磁閥閥芯進行運動,同時油泵向液壓系統提供恒壓液壓油[7];液壓油經過油泵加壓后,通過換向閥流入液壓缸中,液壓缸在油壓作用下開始伸長或收縮,推動轉向齒條滑動,轉向齒條帶動齒輪旋轉,實現聯合收割機轉向控制。收割機車輪轉角傳感器用于對車輪轉角位置信息進行采集,并將信號信息反饋給PLC控制器,控制器將位置信息與分析得出的控制指令進行對比,再發出控制指令,使收割機的轉向角度誤差在設計精度范圍內[8-9]。

2 聯合收割機轉向系統動力學分析

聯合收割機轉向過程示意圖如圖2所示。收割機沿著彎道轉向時,前輪在控制系統指令下主動轉向,收割機后輪隨動轉向,兩個前輪轉向路徑圓心重合,且與后輪軸延長線重合,在轉向過程中收割機4個車輪均是滾動形式[10]。聯合收割機轉向過程的轉角關系可表示為

其中,BC表示聯合收割機輪距;AB表示收割機軸距。

圖2 聯合收割機轉向過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of steering process of combine

當聯合收割機在硬質地面轉向時,主要克服收割機轉向輪繞主軸轉動的阻力和車輪轉向過程中輪胎變形產生的阻力,且包含部分轉向系統內部的摩擦力[11]。對以上阻力的計算非常困難,因此在計算過程中直接計算收割機轉向過程中的轉向阻力矩M1,即

其中,η表示收割機轉向系統傳動效率;G1表示收割機轉向輪質量;ξ表示轉向過程綜合摩擦因數;e表示轉向輪中心與轉向節銷軸之間的距離;k表示轉向過程當量半徑。

當收割機在軟地面轉向時,不僅需要考慮轉向過程中的阻力矩,同時需要考慮地面變形產生的轉向力矩[12]。收割機在軟地面轉向過程中,破壞土壤結構,收割機車輪下陷,土壤在應力作用下對車輪產生剪應力。因此,在計算收割機轉向過程阻力矩時,需要考慮土壤的剪切強度[13],則有

其中,qn表示土壤剪切強度;C表示土壤黏結力;φ表示土壤的內摩擦角。

聯合收割機在軟地面轉向過程中克服土壤下陷的阻力矩M2可表示為

M2=qnAcosθ

其中,A表示收割機轉向輪與土壤之間的接觸面積;θ表示車輪轉角。

聯合收割機轉向過程中的最大阻力矩M可表示為

M=M1+M2

3 聯合收割機液壓轉向系統設計

聯合收割機轉向系統液壓系統如圖3所示。工作過程中,液壓油經過系統濾清器從油箱進入變量泵,在調節溢流閥和節流閥作用下進行回路內油液和流量的控制,進入轉向回路當中控制聯合收割機的轉向[14]。

圖3 聯合收割機液壓轉向系統圖Fig.3 Hydraulic steering system diagram of combine harvester

聯合收割機行走過程中液壓馬達的理論設計排量V可表示為

其中,Δp表示液壓系統壓力值。

根據計算得出的轉向過程最大阻力矩、系統工作壓力及理論設計排量,選擇液壓馬達最大工作壓力為17MPa,最大轉速為n=653r/min,輸出扭矩為142N·m,理論排量為V0=80mL/r,該液壓馬達容積效率為ηM=90%,故可以計算出液壓馬達的實際流量qMmax為

液壓馬達的實際工作壓力pM為

轉向液壓缸直徑D可表示為

其中,F表示轉向液壓缸外部負載。

聯合收割機轉向過程中,液壓系統之間處于并聯狀態,系統的工作壓力與液壓馬達和轉向液壓缸的最大工作壓力有關,因此可以計算得出聯合收割機轉向液壓系統的工作壓力P為

P=Δp+∑ΔP

其中,∑ΔP表示轉向液壓系統的總壓降值。

當聯合收割機轉向系統液壓馬達和液壓缸同時運轉過程中,系統需要的流量qm可表示為

qm=K∑Q

其中,K表示泄露系數;∑Q表示系統各液壓元件流量值。

在聯合收割機轉向液壓系統中,安全閥用于在轉向過程中對液壓馬達緩沖回路中,因此選擇溢流量較小的溢流閥。其他有關控制閥根據系統工作壓力和流量選擇標準液壓元器件。表1所示為聯合收割機轉向液壓系統元器件明細。

表1 聯合收割機液壓轉向系統元器件明細Table 1 List of components of hydraulic steering system of combine

4 聯合收割機轉向控制系統設計

聯合收割機方向盤上安裝有角位移傳感器,轉向過程中的實時轉角位置作為PLC控制器的輸入參數,經控制器運算后,得出當前時刻的收割機轉向輪轉向角度目標值;同時,結合齒輪齒條傳動比計算得出齒輪旋轉目標弧長,該弧長即表示齒條的位移量,也與轉向液壓缸的位移量相同。PLC控制器將位移量換算成位移傳感器位移值,將位置量與實測值進行對比,計算液壓缸的伸長或縮短長度;當偏差值在目標范圍內時,控制器保持當前轉向控制狀態。圖4所示為聯合收割機轉向系統控制流程圖。

圖4 聯合收割機轉向系統控制流程圖Fig.4 Control flow chart of combine steering system

選擇的PLC控制器包含32個輸入輸出接口,輸入接口18個,輸出接口14個,輸入輸出接口采用8進制的編碼方式進行數據傳輸。

聯合收割機方向盤上的角位移傳感器在轉向過程中將轉角信號傳遞給PLC控制器,經PLC控制器解調后生成轉向機構的齒條位置信息。線位移傳感器用于對轉向齒條和轉向液壓缸的位移信息進行采集。表2所示為位移傳感器技術參數。

5 結論

聯合收割機轉向過程中,車輪與土壤之間相互作用,尤其在黏濕田地作業時,收割機前輪轉彎過程中的動力學參數與理論參數值之間存在較大偏差。為此,分別利用角位移傳感器和直線位移傳感器對轉向角度和轉向驅動機構的位移值進行檢測,反饋至PLC控制器進行修正,以實現轉向過程的精準化控制。

表2 位移傳感器技術參數Table 2 Technical parameters of displacement sensor