拖拉机液压悬挂

电动拖拉机液压悬挂装置设计-1-第一章绪论1.1引言拖拉机液压悬挂系统主要用来在使用过程中根据外界条件或者特定要求对农机具进行调节，对农机具调节的方式比较常用的有：位置调节，阻力调节，力位综合调节等，还有在非耕作情况下对农机具实现快速上升和下降的调节。在前面的调节方式中，位置调节则由提升器的位调节手柄或油缸限位卡箍来控制农具与拖拉机之间的相对位置，以保证农具在选定的耕深下工作。力调节的作用在于当土壤密度或地表面变化而使负荷增加时，提升器会自动将农具提升，当负荷减小时会自动将农具下降，通过自动升降农具保持工作负荷的稳定。同时考虑到在土壤比阻变化比较大的情况下，力调节只能保证发动机的负荷的稳定性而不能保证耕深的均匀性，因此提出了力位综合调节，综合调节法的基础是阻力控制法，在土壤比阻均匀条件下，还是要尽量保持发动机负荷稳定的，只是在比阻变化较大时，它才靠牺牲发动机负荷的稳定来保持耕深的比较稳定。传统的拖拉机液压悬挂机组的控制方式是机液控制系统，从70年代它逐渐被电液控制系统代替[1]。进入21世纪后，拖拉机向低排放、低油耗、大功率、智能化、舒适性方向发展，机械式的控制系统在结构布置和性能方面已不适应现代农机发展的要求。将农业机械装备技术融合现代液压技术、传感器技术、电子技术和单片机控制技术，可极大地提高液压悬挂系统操作的舒适性和简捷性，准确、快速地使用和调节液压悬挂系统，可提高生产率和作业质量。因此，对传统式液压悬挂系统的技术改进势在必行。1.2研究背景和研究意义1.2.1研究背景农业机械化是现代农业的重要技术基础，是农业现代化的重要标志和内容。世界发达国家己在上世纪60年代至70年代就实现了农业现代化，各国农业现代化发展历程表明，农业机械化、智能化是农业现代化不可逾越的阶段。农业机械化作为现代化农业生产的载体，把计算机、自然科学等引入农业生产过程，使现代工程技术在现代农业生产中得以广泛应用，极大地改善了农业生态环境，促进了农业的可持续发展，大大提高农业劳动资源利用率、生产率和农业产品商品化率。电动拖拉机液压悬挂装置设计-2-拖拉机是实现农业智能化、机械化和现代化不可缺少的重要机械。我国的拖拉机工业经过几十年的发展，已经取得了很大的进展。小型拖拉机的生产能力己超过200万台，目前大中型拖拉机的生产能力己超过10万台，各类拖拉机的拥有量已超过1000万台，。但随着我国加入世界贸易组织（WTO），大量具有高新技术装备并且性能优良的拖拉机产品将会涌入中国市场，这对产品技术含量相对较低的国内拖拉机工业来说，将会面临巨大的冲击。如何适应市场需要，进行产品结构调整，提高产品的科技含量，改善产品的技术性能，将是我国拖拉机工业所需要解决的重要问题。1.2.2研究意义随着新兴科学技术的不断创新，尤其是计算机技术、人工智能、电子控制、网络通讯等高新技术的迅速发展，对拖拉机工业的发展产生了很大的影响和渗透。各国研究人员都认识到拖拉机往智能方向发张是大势所趋，但是当前我国国内拖拉机电控液压悬挂系统还处于起步阶段，在电控液压悬挂系统控制技术的开发和设计上来说更是比较薄弱，所以我们还需努力改变这一现状。本课题选择拖拉机液压悬挂装置及其农具配套机组为主要对象，探讨和研究其在实现机--电--液智能控制方面的关键技术，从而有助于提高我国农业机械的自动化和智能化水平，有助于提高农业机械的生产效率和资源利用率的发展。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状对拖拉机的液压悬挂系统进行微机电子自动控制早在70年代就出现了，并且在市场上已经出现了可使用的产品，如日本芝浦公司的IC控制系统具有位调节、力调节控制功能外，还具有旋耕作业时控制旋耕深度的功能，拖拉机左右倾斜作业时，还具有在控制农机耕深的同时还保证农机具左右倾斜角的功能以保证耕作质量[2]．德国博世（BOSCH）公司提供的电液控制提升器已配置在戴姆勒·奔驰、麦赛·福格森等公司的大功率拖拉机上，它有利于提高拖拉机的效率，该系统具有位置调节、阻力调节、力位综合调节和高度调节控制功能。以富格森公司3000系列拖拉机所用的电液调节系统为例：它是利用一个小型微处理器把力、位传感器输出信号与驾驶室仪表盘上给定的数据进行均衡，自动完成必要的调节，系统中装有传感器开关、深度控制指针、灵敏度指示盘和升降指示灯[3]。七、八十年广泛研究的悬挂牵引测力仪,以及计算机应用在悬挂系统中进行悬挂装电动拖拉机液压悬挂装置设计-3-置的计算和设计。在牵引力控制系统中采用电液比例换向阀时，理论上算出的控制器的增益往往比较保守，通过试验发现，实际增益可以取得比理论值大[4]，这为建立控制系统的传递函数提供了参考。文献[5]提出以拖拉机的滑转率来控制变速档位、发动机状况、工作装置的力调节，使各方面配合以达到机器耕作高能效低油耗目的。文献[6]以牵引力数学模型来描述耕深、速度、土壤阻力三变量对牵引部分的影响，并考察了“耕深—力”、“速度—力”、“土壤阻力—力”三模型的动态特性，是进行设计液压悬挂控制系统的基础。电液比例换向阀逐渐被应用于农用机械中，首先对控制系统建模，然后进行了开环、闭环传递函数分析、室内试验和计算机仿真优化来验证及对比，得出系统在优化后对25mm的阶跃信号的响应时间为250mm，比经验值提高了23%，控制精度也增加不少。1.3.2国内研究现状而在我国，拖拉机上运用带有阻力调节、位置调节、力位综合调节的液压悬挂系统出现的则比较晚。按时间划分下面几个阶段：第一阶段为初步研究阶段。在70年代中期，我国一些高等院校和科研机构对某些型号的拖拉机液压悬挂系统的性能进行了田间耕作试验，希望从中找出一些有规律的东西来，但是由于种种原因，如土质的影响，季节的影响，试验周期长，试验条件复杂从而没有达到预期的效果。到了70年代后期，国内才有学者从理论上对力控制系统的动态性能进行初步研究在这方面，洛阳工学院、江苏工学院都作了一些有益的工作。第二阶段为机液控制系统的室内模拟仿真及分析。进入80年代开始了拖拉机液压悬挂系统田间仿真试验，如基于动态性能的分析，提出一种拖拉机力调节系统建模与优化设计的方法，包括建立数学模型，分析稳定性和动、静态，求取动力机构的最佳匹配参数和系统的其它设计参数[7]；以及定性地分析了土壤阻力干扰对耕深的实际影响以及机组在实际耕作过程中各信号之间的传递关系，并建立了田间试验系统，进行了田间仿真试验，论述了仿真试验原理和模拟加载装置设计要点等[8]。从导致成了研究的高峰，此后不断有新的成果出现。80年代后期为了跟上国外先进技术，国内也开始了电子化自动控制技术的研究，在原机型液压系统的基础上进行改造，增加电液控制装置，并做了简单的试验工作。第三阶段为电液控制系统的研究开发。90年代，随着电子技术的飞速发展，计算机模拟、微计算机控制电子控制、电子控制的蓬勃兴起并应用于拖拉机液压悬挂系统的控制中。首先在室内试验中，提出一种新的纯牵引力传感器[9]，而且试验台的模拟加载控制和性能测试由一台微机来完成，电动拖拉机液压悬挂装置设计-4-对原机型的机液控制系统进行了测试和评价其动态品质[10]。接着把单片机应用于拖拉机农具耕深控制中，对比了原机型的机液控制系统与新设计的数字式控制系统，而且提出位置控制、阻力控制、耕深控制和力位综合控制四种方式，进行了电液控制的初步探索。还进行了伺服自动控制与计算机控制耕深的试验比较[11]。文献[12]认为悬挂系统的工作特性一般属于继电器开关型，并在此基础上采用开关型电磁阀进行了研究。文献进一步研究了计算机控制系统，采用液压控制系统取代拖拉机原有的液压系统，运用MCS-51单片机控制器对拖拉机耕作作用的中的耕深进行自动控制，取代传统的机械式调节装置，并进行了田间试验。同时期一些研究者也提出了一种新的在室内研究和评价悬挂系统耕作性能的方法和建立耕作过程中土壤阻力数序模型以及阻力控制系统的室内模拟实验系统的方法。从国内电控液压悬挂系统的发展中可以看出，目前在我国国内拖拉机电控液压悬挂系统的研究还存在下面的不足：（1）基本上是对悬挂系统进行单个研究，对拖拉机发动机，液压缸，液压系统，电控系统等的综合控制方面研究的比较少；（2）控制对象主要是牵引阻力和耕深，对多参数，如滑转率、行驶速度和发动机负荷的联合控制研究的比较少；（3）控制工具由单片机组成，还是在试验室试验阶段，加上传感器、控制总线技术和信息显示等各方面的影响，还没有形成产品化，国内只能从国外进口成套的系统使用；（4）多在室内仿真试验研究，由于还没有应用于实际中，因而在田间作业方面还没有得到有效的数据指标。1.4研究内容鉴于我国拖拉机液压悬挂系统的发展水平和所面临的实际问题，本项研究拟选择电动拖拉机液压悬挂系统，主要是液压悬挂装置及挂载农具，作为主要研究对象。研究、探讨其在实现机--电--液一体化控制方面的关键技术，提出一套关于电动拖拉机液压悬挂装置及其自动控制机--电--液一体化控制系统的基本理论和方案，研究电动拖拉机液压悬挂装置及自动控制，使拖拉机作业机组能够在复杂多变的工作条件下自动化控制工作，最大限度提高整个拖拉机的工作效率。该研究具有很大的实际应用价值和研究意义，必将对我国的农业生产活动产生显著的经济效益和社会效益，为我国农业以及世界做出巨大贡献。本课题主要完成内容有：1、电动拖拉机悬挂系统结构解决方案。电动拖拉机液压悬挂装置设计-5-2、电动拖拉机悬挂系统控制解决方案。3、液压元件的选择，计算出所需的数据，合理选择液压元件，以达到最好的效果。图1-1研究流程图1.5本章小结本章简要介绍了课题研究背景、研究意义以及国内外机—电—液一体化技在拖拉机液压悬挂机构上的应用现状，最后交代了本课题研究的主要内容和研究流程图。研究背景与意义国内外文献分析，对当前作业机组进行技术调查提出研究的问题和思路拖拉机悬挂机—电—液一体化控制策略的确定液压传动和液压控制系统的研究液压元件的选择与液压系统设计机械部分的受力分析问题与展望电动拖拉机液压悬挂装置设计-6-第二章电动拖拉机液压悬挂装置2.1拖拉机的液压悬挂系统农用拖拉机液压悬挂系统是用液压提升和控制农机具的整套系统，其功用分以下5点：1.连接和牵引农机具，2.操纵农机具的升降，3.控制农机具的耕作深度或提升高度，4.给拖拉机驱动轮增重以改善拖拉机的附着性能，5.输出液压能。农用拖拉机液压悬挂系统是由液压系统、操纵机构和悬挂机构三部分组成。液压系统是提升农机具的动力装置，除工作介质（例如液压油）外，液压系统是由液压泵、油缸、分配器等液压元件和附属装置组成。操纵机构是用来操纵分配器的主控制阀，以控制液压油的流动方向，它有手柄操纵机构和自动控制机构两部分组成。悬挂机构用于连接农机具，传递液压升降力和拖拉机对农机具的牵引力，并保证农机具的正常工作位置。由于液压悬挂机组比传统牵引机组操纵方便、机动性高，便于自动调节耕深，因此，液压悬挂系统普遍用在各种拖拉机上。拖拉机要进行各种作业，就必须与相应的配套农具可靠地连接在一起。根据配套农具与拖拉机连接方式的不同，一般可分为牵引式、悬挂式和半悬挂式三种。悬挂机构通过拖拉机液压系统获得动力，实现农具的上升和降落；农具依靠悬挂机构与拖拉机可靠地连接在一起。因此，拖拉机的液压系统、悬挂机构、农具三者构成一个整体，叫做“液压悬挂系统”2.1.1液压悬挂系统的组成传统拖拉机液压悬挂系统主要由:悬挂农具、悬挂机构和液压部分组成，如图2-1所示。电动拖拉机液压悬挂装置设计-7-图2-1液压悬挂系统示意图(1)悬挂农具:它是农田作业的工作部件，通过悬挂机构连接在拖拉机上。悬挂农具的种类很多，目前常用的有犁、耙、播种机、收割机等。根据农具在拖拉机上挂接位置的不同，可分为前悬挂、后悬挂和侧悬挂三种，本论文研究对象是目前使用最广的后悬挂机组。(2)悬挂机构:它由连接农具的一些杆件机构所组成。按与拖拉机机体连结点数的不同，后悬挂又有两种形式:三点悬挂和两点悬挂，如图2-2所示。a)三点悬挂b）两点悬挂图2-2后悬挂的两种方式三点悬挂：悬挂机构以三个铰接点与拖拉机机体联结。农机具随拖拉机直线行驶稳定性好，