拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)含CAD圖

拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)含CAD圖,拖拉機(jī),液壓,懸掛,吊掛,系統(tǒng),自動(dòng)控制系統(tǒng),研究,鉆研,設(shè)計(jì),cad 拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)自動(dòng)控制研究 摘 要 隨著新興科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子控制、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通訊等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，對拖拉機(jī)工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響和滲透。而采用機(jī)—電—液一體化控制技術(shù)是拓寬拖拉機(jī)功能、提高其技術(shù)性能以及解決其所面臨諸多技術(shù)難題的最佳選擇方案，并且已經(jīng)成為現(xiàn)代拖拉機(jī)及其配套機(jī)組的主要技術(shù)發(fā)展趨勢。 本文首先介紹了傳統(tǒng)拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)的組成和類型。在此基礎(chǔ)上，選擇了拖拉機(jī)半分置式液壓懸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)新型拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)。在原拖拉機(jī)半分置式液壓懸掛機(jī)構(gòu)中改進(jìn)設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)。分別闡述了自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、工作原理、土壤阻力傳感器、農(nóng)具提升高度傳感器、主控制閥位移傳感器信號的測取與處理以及單片機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)。在液壓油路方面，該系統(tǒng)用電磁換向閥控制分配器取代傳統(tǒng)機(jī)械式的控制分配器，并設(shè)計(jì)配套油路；在控制反饋信號獲取方面，系統(tǒng)中安裝位移傳感器、壓力傳感器和角位移傳感器；同時(shí)，對拖拉機(jī)電子液壓懸掛的各種耕深控制方法進(jìn)行比較分析。 拖拉機(jī)電控液壓懸掛控制單元設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì).根據(jù)本系統(tǒng)各功能模塊的具體需求，選用Intel公司MSC-96系列的80C196KC單片機(jī)設(shè)計(jì)控制器。在軟件方面，完成了主程序控制程序總體流向。 關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)；液壓懸掛系統(tǒng)；換向閥；自動(dòng)控制 Study on Automatic Control for Hydraulic Hitch Equipment of Tractor Abstract With the perpetual innovation of the emerging technology, especially the rapid development of high and new technology, such as computer technology, electronic control, artificial intelligence and network communications, the tractor industry is influenced greatly. Taking the integrated control technology of hydromechatronics is the best project for broadening tractor function, improving its technical performance and solving numerous facing technical difficulties and it has become the major technology trend of modern tractors and the supporting units. This paper first introduces the composition and type of the traditional tractor hitch control system. Based on this, choosing the structure of semi-partition hydraulic hitch system to carry on the design and designing a new electrohydraulic hitch system. A simple structure of semi-partition hydraulic hitch equipment and constituting of automatic control system was provided. The signal of soil resistance sensor and the implement lift height sensor and the control-valve sensor were measured and managed. The system was under the control of the SCM. The traditional mechanical splitter is replaced by proportional solenoid valve and its supporting circuit. A displacement sensor, a force sensor and an angle sensor is used for gaining feedback control signal. Furthermore, The various deep-conditioning method of cultivation of tractor electrohydraulic hitch are compared and analyzed in this paper. Control unit of tractor electrohydraulic hitch system is consisted of hardware and software systems. According to specific requirements of the system function modules, 80C196KC microcontroller of Intel Corporation MSC-96 series is selected. For the software system, we used the assembly language to finish the control system program. Its main program is used to control the overall flow of the system. Key words: Tractor; Hydraulic hitch system; Change valve; Automatic control 目 錄 1 緒 論 -1- 1.1引言 -1- 1.2研究背景和意義 -1- 1.2.1研究背景 -1- 1.2.2研究意義 -1- 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 -3- 1.3.1國外研究現(xiàn)狀 -3- 1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 -4- 1.4研究內(nèi)容 -5- 1.5本章小結(jié) -7- 2 拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì) -8- 2.1傳統(tǒng)拖拉機(jī)的液壓懸掛系統(tǒng) -8- 2.1.1液壓懸掛系統(tǒng)組成 -8- 2.1.2液壓系統(tǒng)類型 -9- 2.2 電控液壓懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì) -10- 2.2.1設(shè)計(jì)方案的提出 -10- 2.2.2設(shè)計(jì)方案的確定 -14- 2.3 工作機(jī)理 -14- 2.4 本章小結(jié) -15- 3 液壓回路設(shè)計(jì)和信號處理電路設(shè)計(jì) -16- 3.1液壓回路設(shè)計(jì)和硬件選型 -16- 3.1.1電控液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì) -16- 3.1.2液壓泵和分配器的選擇 -17- 3.1.3小油缸的選型 -17- 3.1.4換向閥的選擇 -18- 3.1.5減壓閥和溢流閥的選擇 -18- 3.2信號處理電路設(shè)計(jì) -19- 3.2.1傳感器的選擇 -19- 3.2.2傳感器信號放大電路和濾波電路設(shè)計(jì) -22- 3.2.3光電耦合器和三極管放大電路設(shè)計(jì) -23- 3.3控制回路設(shè)計(jì) -23- 3.3.1 ECU特點(diǎn) -23- 3.3.2 80C196KC系統(tǒng)設(shè)計(jì) -24- 3.4本章小結(jié) -25- 4 電控液壓懸掛系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) -27- 4.1主程序設(shè)計(jì) -27- 4.2 A/D轉(zhuǎn)換中斷程序設(shè)計(jì) -27- 4.3本章小結(jié) -29- 結(jié)論及展望 -30- 參考文獻(xiàn) -31- I 致 謝 -41- 第一章 緒論 1.1 引言 現(xiàn)有的多數(shù)農(nóng)用拖拉機(jī)使用液壓懸掛系統(tǒng)，拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)可分為3 種形式：分置式液壓系統(tǒng)、半分置式液壓系統(tǒng)、整體式液壓系統(tǒng)。其農(nóng)具的提升和下降的控制部分是機(jī)械式的，由駕駛員通過操縱手柄和一套桿件機(jī)構(gòu)以位移量的形式輸入信號，輸出量則是通過彈簧、凸輪和力、位調(diào)節(jié)杠桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成的位移量，從而實(shí)現(xiàn)操縱主控制閥對農(nóng)具位置的調(diào)整。機(jī)械控制的液壓懸掛系統(tǒng)采用桿件和彈性元件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，彈性元件的遲滯、機(jī)械摩擦和桿件的脹縮會(huì)影響調(diào)節(jié)性能。進(jìn)入21世紀(jì)后，拖拉機(jī)向大功率、低油耗、輕排放、智能化、密封和舒適性方向發(fā)展，機(jī)械式的控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)布置和性能方面已不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)機(jī)發(fā)展的要求。將農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備技術(shù)融合現(xiàn)代液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)，可極大地提高液壓懸掛系統(tǒng)操作的舒適性和簡捷性，準(zhǔn)確、快速地使用和調(diào)節(jié)液壓懸掛系統(tǒng)，可提高生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量。因此，對傳統(tǒng)式液壓懸掛系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)勢在必行。 1.2 研究背景和意義 1.2.1 研究背景 農(nóng)業(yè)機(jī)械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容和標(biāo)志。世界發(fā)達(dá)國家己在上世紀(jì)50年代至70年代就實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，各國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展歷程表明，農(nóng)業(yè)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化不可逾越的階段。農(nóng)業(yè)機(jī)械化作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的載體，把工業(yè)、自然科學(xué)等引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，使現(xiàn)代工程技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用，極大地改善了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，大大提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率、資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品商品化率，也使現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)由于有現(xiàn)代裝備和工程技術(shù)手段的支持而得到實(shí)施和進(jìn)一步發(fā)展。 拖拉機(jī)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和現(xiàn)代化不可缺少的重要?jiǎng)恿C(jī)械。我國的拖拉機(jī)工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。目前大中型拖拉機(jī)的生產(chǎn)能力己超過10萬臺，小型拖拉機(jī)的生產(chǎn)能力己超過200萬臺，各類拖拉機(jī)的擁有量已超過1500萬臺，其中大中型拖拉機(jī)約為80萬臺，配套機(jī)具的社會(huì)擁有量己超過 2000萬臺套(含掛車)。但隨著我國加入WTO，大量具有高新技術(shù)裝備并且性能優(yōu)良的拖拉機(jī)產(chǎn)品將會(huì)涌入中國市場，這對產(chǎn)品技術(shù)含量相對較低的國內(nèi)拖拉機(jī)工業(yè)來說，將會(huì)面臨巨大的挑戰(zhàn)。如何適應(yīng)市場需要，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高產(chǎn)品的科技含量，改善產(chǎn)品的技術(shù)性能，將是我國拖拉機(jī)工業(yè)所面臨和需要解決的重要課題[1、2]。 1.2.2 研究意義 隨著新興科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子控制、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通訊等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，對拖拉機(jī)工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響和滲透。各國拖拉機(jī)研究人員普遍認(rèn)識到，采用機(jī)—電—液一體化控制技術(shù)是拓寬拖拉機(jī)功能、提高其技術(shù)性能以及解決其所面臨諸多技術(shù)難題的最佳選擇方案，并且已經(jīng)成為現(xiàn)代拖拉機(jī)及其配套機(jī)組的主要技術(shù)發(fā)展趨勢。目前在國外拖拉機(jī)上，機(jī)—電—液一體化控制技術(shù)己經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，例如，麥塞福格森、雷諾、薩姆、約翰迪爾、菲亞特、鈕荷蘭、道伊茲等公司近幾年推向市場的大功率拖拉機(jī)基本都裝備了電液懸掛系統(tǒng)，使電液懸掛產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入主流市場；在電液負(fù)載換檔技術(shù)方面，不少拖拉機(jī)采用了電液控制的全負(fù)載換檔的變速箱，使得負(fù)載換檔操縱變得十分簡單；一些拖拉機(jī)上還采用了基于CAN總線的多路傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得機(jī)—電—液一體化應(yīng)用在拖拉機(jī)上達(dá)到很高的水平。 由此可知拖拉機(jī)上采用了大量的機(jī)電一體化技術(shù)，這些技術(shù)主要用于改善和優(yōu)化拖拉機(jī)以下幾個(gè)方面的特性: ①提高拖拉機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率； ②提高拖拉機(jī)的操縱性能和自動(dòng)化程度，降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度； ③將該技術(shù)應(yīng)用在人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)中，優(yōu)化人機(jī)界面，改善駕駛室操縱環(huán)境； ④提高機(jī)器的可靠性和安全性； ⑤降低拖拉機(jī)尾氣排放，減少環(huán)境污染； ⑥實(shí)現(xiàn)對拖拉機(jī)機(jī)組的性能監(jiān)測、參數(shù)優(yōu)化匹配和故障診斷等綜合性工作。 機(jī)電一體化技術(shù)在農(nóng)用拖拉機(jī)上的應(yīng)用必然向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。拖拉機(jī)智能化的實(shí)現(xiàn)，是以機(jī)電一體化技術(shù)在拖拉機(jī)上的應(yīng)用為先導(dǎo)的，以微電子技術(shù)和微機(jī)技術(shù)為核心的機(jī)電一體化技術(shù)，將機(jī)械、液壓、電子、信息和控制等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，使拖拉機(jī)控制系統(tǒng)具備了一定的信息處理能力，為智能化技術(shù)在拖拉機(jī)上的應(yīng)用和發(fā)展開辟了道路。智能化技術(shù)在拖拉機(jī)上的應(yīng)用目標(biāo)不僅要使拖拉機(jī)的各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度、高實(shí)時(shí)性的自動(dòng)控制，而且還應(yīng)使拖拉機(jī)的控制系統(tǒng)具有一定程度的邏輯判斷能力，提高拖拉機(jī)對外界環(huán)境的適應(yīng)能力，能夠在復(fù)雜多變的工作條件下自適應(yīng)地選擇最佳的工作方式，最大限度地提高拖拉機(jī)各子系統(tǒng)的工作效能，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)及懸掛系統(tǒng)的各子系統(tǒng)的自動(dòng)控制以及各子系統(tǒng)之間的優(yōu)化匹配，更好地滿足對拖拉機(jī)的各項(xiàng)使用要求。歸納起來對拖拉機(jī)的研究大致分為兩個(gè)方面:一方面，應(yīng)用最優(yōu)適應(yīng)控制、模糊控制等先進(jìn)的控制理論，進(jìn)一步完善原有的控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)對復(fù)雜工況的適應(yīng)能力和邏輯判斷能力；另一方面，根據(jù)系統(tǒng)工程學(xué)的思想，從對拖拉機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)的單獨(dú)、分割監(jiān)控走向相關(guān)系統(tǒng)聯(lián)合、協(xié)調(diào)控制，在一定程度上實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)的信息共享，最終形成對整個(gè)拖拉機(jī)系統(tǒng)的全面控制體系，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)組在各種工作條件下的最優(yōu)匹配。 基于以上所述，加強(qiáng)拖拉機(jī)行業(yè)與電子產(chǎn)品的密切結(jié)合，走機(jī)電一體化是必經(jīng)之路，加快消化吸收國外產(chǎn)品機(jī)電一體化的成果和經(jīng)驗(yàn)，搞好拖拉機(jī)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，縮短與世界同行業(yè)先進(jìn)水平的距離。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 20世紀(jì)70年代以來，隨著電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，機(jī)—電—液一體化技術(shù)逐步被應(yīng)用到拖拉機(jī)上，為提高拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)組的性能開辟了嶄新的道路。 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 1978年德國奔馳公司率先在其生產(chǎn)的農(nóng)用拖拉機(jī)上采用了電液控制的三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)，標(biāo)志著商業(yè)化的機(jī)電一體化產(chǎn)品開始在拖拉機(jī)上得到了成功應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的研究和開發(fā)，各國紛紛推出新式控制系統(tǒng)。德國BOSCH公司研制的農(nóng)用拖拉機(jī)電子控制式液壓懸掛機(jī)構(gòu)采用帶有數(shù)字信號處理設(shè)備的HER-D提升調(diào)節(jié)裝置，其核心是一個(gè)帶有8路模擬量輸入輸出通道的微處理器和程序存儲器，系統(tǒng)使用的傳感器主要包括安裝在下拉桿的磁滯伸縮式測力銷和安裝在提升臂上的角位置傳感器。電子控制裝置通過對各傳感器上送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驅(qū)動(dòng)液壓執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)阻力調(diào)節(jié)、位置調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)。為了與拖拉機(jī)上的其它電子控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，BOSCH公司還專門開發(fā)了CAN總線結(jié)構(gòu)，對懸掛系統(tǒng)的所有控制操作均可以通過安裝于駕駛室內(nèi)的控制面板來完成。該系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)耕深，控制驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率。芬特、萬國、福格森等多個(gè)拖拉機(jī)生產(chǎn)廠家均在其生產(chǎn)的幾種大功率拖拉機(jī)上裝備了此種電液控制裝置，該裝置對提高拖拉機(jī)的作業(yè)效率和質(zhì)量、降低燃油消耗起到了很好的作用。德國Braunschweig科技大學(xué)研制了一種新式的三點(diǎn)懸掛裝置，該裝置與傳統(tǒng)的三點(diǎn)懸掛裝置相比具有更加簡單，更加靈活的特點(diǎn)。首先，在上拉桿和兩個(gè)提升桿上分別裝有液壓缸，通過相應(yīng)的控制閥控制液壓缸內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)，可以通過提升桿直接控制農(nóng)具的升降，在機(jī)構(gòu)方面省去了提升軸和提升臂，結(jié)構(gòu)尺寸更加緊湊；其次，將位置傳感器與液壓缸集成在一起，通過將位置傳感器獲得的信號輸入到控制系統(tǒng)之中進(jìn)行相應(yīng)的位置和速度控制，省去了傳統(tǒng)的機(jī)械反饋控制機(jī)構(gòu)，控制更加靈活。目前，該系統(tǒng)主要存在著以下兩方面的問題:第一，左右提升桿的動(dòng)力性能尚需提高；第二，低價(jià)位的比例閥和液壓缸的優(yōu)化匹配問題還沒有徹底解決。通過實(shí)驗(yàn)分析，該系統(tǒng)中提升桿的位置偏差能夠控制在幾個(gè)毫米以內(nèi)。由于技術(shù)原因，該懸掛裝置目前仍處于試驗(yàn)研究階段，沒有實(shí)用化。 在耕深控制方面，日本京都大學(xué)研制了一種耕深控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由測量單元、控制單元、液壓單元、懸掛系統(tǒng)連接單元、耕深設(shè)定值和死區(qū)控制單元組成。其中，測量單元主要由超聲波傳感器、光傳感器、傾斜角度傳感器和提升臂位置傳感器(分壓計(jì))構(gòu)成，用于測量提升臂的位移、拖拉機(jī)的俯仰角度和傳感器離地面的高度；控制單元由數(shù)模轉(zhuǎn)換板、接口板、螺旋閥驅(qū)動(dòng)電路板與計(jì)算機(jī)組成，總體控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，是整個(gè)控制系統(tǒng)的中心；液壓單元模塊由液壓缸、螺旋閥和液壓油路組成，主要用來驅(qū)動(dòng)三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)。該系統(tǒng)整個(gè)控制過程大致如下:由傳感器得到信號與設(shè)定值比較得到誤差信號，該誤差信號和死區(qū)設(shè)定值進(jìn)行比較，如果小于死區(qū)設(shè)定值，控制系統(tǒng)沒有輸出，當(dāng)大于死區(qū)設(shè)定值時(shí)，通過計(jì)算一個(gè)控制電磁閥的負(fù)荷比參數(shù)，經(jīng)過該參數(shù)的計(jì)算得到一個(gè)輸出控制信號，該信號經(jīng)過放大電路，放大后控制電磁閥的輸出。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)存在隨著負(fù)載的增加，拖拉機(jī)的行駛速度變慢的問題。南非Witwatersrand大學(xué)的研究人員提出了一種利用拖拉機(jī)的輪滑率來控制耕深的方法。該系統(tǒng)裝配在160kw的拖拉機(jī)上，主要由傳感器模塊、控制模塊、輸出模塊、液壓模塊等組成。其中，傳感器模塊包括一個(gè)雷達(dá)傳感器、一個(gè)磁性傳感器和一個(gè)電位計(jì)，雷達(dá)傳感器用來測量拖拉機(jī)實(shí)際行走的距離，磁性傳感器測量拖拉機(jī)輪子行走的距離，通過計(jì)算兩者之差來得到輪滑率，電位計(jì)安裝在提升軸上，通過提升軸的轉(zhuǎn)角來計(jì)算耕深；控制模塊主要采用PIC17C44單片機(jī)，該單片機(jī)具有兩個(gè)頻率捕捉器、兩個(gè)脈寬調(diào)制輸出模塊、和強(qiáng)大的指令集以及一個(gè)8位乘法器。該控制系統(tǒng)的控制過程如下:首先由傳感器得到拖拉機(jī)的實(shí)際行走距離和輪子行走距離，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到控制單元，再經(jīng)控制單元的計(jì)算將控制信號利用單片機(jī)的脈寬調(diào)制信號輸出，最后經(jīng)輸出放大電路放大后控制電磁比例閥，從而通過液壓系統(tǒng)來控制農(nóng)具的升降。這樣就完成了一個(gè)有輪滑率來控制耕深的過程。實(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)有:能夠?qū)⑼寥辣砻娴母鞣N阻力情況納入控制當(dāng)中；能夠使拖拉機(jī)以最優(yōu)的輪滑率行駛，從而得到最優(yōu)的牽引效率；可以節(jié)省燃油消耗和拖拉機(jī)的作業(yè)時(shí)間。同樣，該系統(tǒng)也存在反應(yīng)靈敏度問題，因?yàn)楦鱾€(gè)環(huán)節(jié)引起的滯后問題造成了控制系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏度不高，主要有以下幾個(gè)原因:第一，因?yàn)槔走_(dá)模塊內(nèi)部含有各種濾波電路，從而造成了大約200ms的滯后。第二，控制其內(nèi)部的軟件濾波算法引起的大約50ms的滯后問題。第三，由于系統(tǒng)的慣性引起的滯后。第四，當(dāng)農(nóng)具升高或降低時(shí)，拖拉機(jī)的后輪要先進(jìn)行壓縮，由于該壓縮引起的滯后。上述原因引起的滯后問題造成了該控制系統(tǒng)的靈敏度難以提高[2]。 綜上所述，目前在國外拖拉機(jī)上，機(jī)—電—液一體化技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，許多公司近期推向市場的大功率拖拉機(jī)裝備了電液懸掛系統(tǒng)，使電液懸掛產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入主流市場，還有一些拖拉機(jī)上還采用了基于CAN總線的多路傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得機(jī)—電—液控制系統(tǒng)在拖拉機(jī)上的應(yīng)用達(dá)到很高的水平。但同時(shí)，也還存在著許多有待于進(jìn)一步研究探討的問題，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的靈敏度、可靠性和實(shí)用化方面。 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國對具有力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)的拖拉機(jī)液壓懸掛裝置的研究比較晚?？煞譃槿齻€(gè)階段: 第一階段為初步研究階段。在20世紀(jì)七十年代中期，我國一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)對一些型號的拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)的性能進(jìn)行了田間耕作試驗(yàn)，希望從中找出一些有用的規(guī)律，但是由于種種原因，如季節(jié)的影響，試驗(yàn)周期長，試驗(yàn)條件復(fù)雜，沒有達(dá)到預(yù)期的效果。到了七十年代后期，國內(nèi)才有人從理論上對力控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行初步研究。 第二階段為機(jī)液控制系統(tǒng)的室內(nèi)模擬仿真及分析。進(jìn)入八十年代開始了拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)室內(nèi)仿真試驗(yàn)，一些具有拖拉機(jī)專業(yè)的高校先后建立了拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)室內(nèi)仿真試驗(yàn)臺，并基于此進(jìn)行了一些有關(guān)機(jī)組動(dòng)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)和理論分析，這些研究主要有拖拉機(jī)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性分析、動(dòng)靜態(tài)特性試驗(yàn)和理論分析、土壤阻力干擾對耕深的影響分析以及機(jī)組在實(shí)際耕作過程中諸信號之間的傳遞關(guān)系等，從而形成了研究的高峰，此后不斷有新的成果出現(xiàn)。八十年代后期為了跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)，也開始了電子化自動(dòng)控制技術(shù)的研究，在原機(jī)型液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，增加電液控制裝置和器件，并做了初步的試驗(yàn)工作。 第三階段為電液控制系統(tǒng)的研究。20世紀(jì)九十年代以及21世紀(jì)初，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)有些高校開始探討電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等新技術(shù)在拖拉機(jī)液壓懸掛中的應(yīng)用。 文獻(xiàn)[3、4、5]中提出一種新的純牽引力傳感器，拖拉機(jī)液壓試驗(yàn)臺的模擬加載控制和性能測試由一臺微機(jī)來完成，對原機(jī)型的機(jī)液控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)進(jìn)行了測試和評價(jià)。接著把單片機(jī)應(yīng)用于拖拉機(jī)農(nóng)具耕深控制中，對比原機(jī)型的機(jī)液控制系統(tǒng)與新設(shè)計(jì)的數(shù)字式控制系統(tǒng)，提出位置控制、阻力控制、耕深控制和力位綜合控制四種方式，進(jìn)行了電液控制的初步探索和伺服自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)控制耕深的試驗(yàn)比較。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為懸掛系統(tǒng)的工作特性一般屬于繼電器開關(guān)型，并在此基礎(chǔ)上采用開關(guān)型電磁閥進(jìn)行了試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[7]進(jìn)一步研究了微機(jī)控制系統(tǒng)，采用液壓伺服系統(tǒng)取代拖拉機(jī)原有的液壓系統(tǒng)，運(yùn)用MCS—51單片機(jī)控制器對拖拉機(jī)耕作作業(yè)中的耕深進(jìn)行自動(dòng)控制，取代傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)節(jié)裝置，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。文獻(xiàn)[8]中，將原有機(jī)械式液壓懸拄控制系統(tǒng)改裝為電液式懸拄控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)對拖拉機(jī)電液懸掛控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)并在室內(nèi)仿真試驗(yàn)臺上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)。文獻(xiàn)[9]在原拖拉機(jī)半分置式液壓懸掛機(jī)構(gòu)中改進(jìn)設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將原有的機(jī)械式分配器控制裝置改為由一些傳感器、小油缸和一套配套油路驅(qū)動(dòng)分配器的方式進(jìn)行控制。 我國當(dāng)前拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)組的生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用而言，對機(jī)—電—液一體化控制技術(shù)的研究工作還處于起步階段，對一些關(guān)鍵性技術(shù)問題尚缺芝系統(tǒng)和深入的研究，沒有形成可行的解決方案。液壓技術(shù)在拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)組中的應(yīng)用，仍然處于以液壓懸掛的推廣完善為代表的液壓懸掛階段，并且更多的研究都是針對傳統(tǒng)機(jī)液控制系統(tǒng)的仿真拖拉機(jī)電子液壓懸掛控制器設(shè)計(jì)和控制技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)研究，還未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段[10、11、12]。 1.4 研究內(nèi)容 鑒于我國拖拉機(jī)工業(yè)的發(fā)展水平和所面臨的實(shí)際問題，本項(xiàng)研究擬選擇拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要是液壓懸掛裝置及其自動(dòng)控制，作為主要研究對象。研究、探討其在實(shí)現(xiàn)機(jī)—電—液一體化控制方面的關(guān)鍵技術(shù)，提出一套關(guān)于拖拉機(jī)液壓懸掛裝置及其自動(dòng)控制機(jī)—電—液一體化控制系統(tǒng)的基本方案和理論，研究液壓系統(tǒng)的優(yōu)化匹配方法，最終設(shè)計(jì)開發(fā)新型拖拉機(jī)機(jī)—電—液一體化控制器系統(tǒng)，使拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)組能夠在復(fù)雜多變的工作條件下自動(dòng)化控制工作，最大限度提高整個(gè)拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)組的工作效能。該研究具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和研究意義，必將對我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本研究以約翰-迪爾天托1204為研究對象，主要研究其液壓懸掛系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 本課題主要完成的內(nèi)容有: 1、拖拉機(jī)液壓懸掛控制方法分析 2、液壓系統(tǒng)的改造，傳感器選型和安裝 3、液壓懸掛控制策略選擇及研究 4、液壓懸掛系統(tǒng)電液控制的設(shè)計(jì)和研制 研究背景與意義 國內(nèi)外文獻(xiàn)分析，對當(dāng)前作業(yè)機(jī)組進(jìn)行技術(shù)調(diào)查 提出研究的問題和思路 拖拉機(jī)懸掛機(jī)—電—液一體化控制策略的確定 傳感器、控制單元的選擇與外圍電路設(shè)計(jì) 液壓傳動(dòng)和液壓控制系統(tǒng)的研究 液壓元件的選擇與液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 信號檢測、傳輸和處理方法的研究 編寫系統(tǒng)控制軟件 問題與展望 圖1-1 研究流程圖 論文研究流程圖如圖1-1所示。 1.5 本章小結(jié) 本章簡要介紹了課題研究背景、研究意義以及國內(nèi)外機(jī)—電—液一體化技在拖拉機(jī)液壓懸掛機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用現(xiàn)狀。最后提出了課題研究的主要內(nèi)容和研究流程圖。 - 41 - 第2章 拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.1 傳統(tǒng)拖拉機(jī)的液壓懸掛系統(tǒng) 農(nóng)用拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)是用液壓提升和控制農(nóng)機(jī)具的整套系統(tǒng)，其功用是連接和牽引農(nóng)機(jī)具，操縱農(nóng)機(jī)具的升降，控制農(nóng)機(jī)具的耕作深度或提升深度，給拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪增重以改善拖拉機(jī)的附著性能，把液壓能輸出到作業(yè)機(jī)械上進(jìn)行其他操作。農(nóng)用拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)是由液壓系統(tǒng)、操縱機(jī)構(gòu)和懸掛機(jī)構(gòu)三部分組成。液壓系統(tǒng)是提升農(nóng)機(jī)具的動(dòng)力裝置，除工作介質(zhì)（液壓油）外，液壓泵、油缸、分配器等液壓元件和附屬裝置組成。操縱機(jī)構(gòu)是用來操縱分配器的主控制閥，以控制液壓油的流動(dòng)方向，它有手柄操縱機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)兩部分組成。懸掛機(jī)構(gòu)用于連接農(nóng)機(jī)具，傳遞液壓升降力和拖拉機(jī)對農(nóng)機(jī)具的牽引力，并保證農(nóng)機(jī)具的正常工作位置。由于液壓懸掛機(jī)組比牽引機(jī)組操縱方便、機(jī)動(dòng)性高，便于自動(dòng)調(diào)節(jié)耕深，因此，目前國產(chǎn)大、中、小型拖拉機(jī)普遍采用液壓懸掛系統(tǒng)。 拖拉機(jī)要進(jìn)行各種作業(yè)，就必須與相應(yīng)的配套農(nóng)具可靠地連接在一起。根據(jù)配套農(nóng)具與拖拉機(jī)連接方式的不同，一般可分為牽引式、懸掛式和半懸掛式三種。 懸掛農(nóng)具通過拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)獲得動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)具的上升和降落；農(nóng)具依靠懸掛機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)可靠地連接在一起。因此，拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)、懸掛機(jī)構(gòu)、農(nóng)具三者構(gòu)成一個(gè)整體，叫做“液壓懸掛系統(tǒng)”[13]。 2.1.1 液壓懸掛系統(tǒng)的組成 傳統(tǒng)拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)主要由:懸掛農(nóng)具、懸掛機(jī)構(gòu)和液壓部分組成，如圖2-1所示[2]。 圖2-1 液壓懸掛系統(tǒng)示意圖 (1) 懸掛農(nóng)具:它是農(nóng)田作業(yè)的工作部件，通過懸掛機(jī)構(gòu)連接在拖拉機(jī)上。懸掛農(nóng)具的種類很多，目前常用的有犁、耙、播種機(jī)、收割機(jī)等。根據(jù)農(nóng)具在拖拉機(jī)上掛接位置的不同，可分為前懸掛、后懸掛和側(cè)懸掛三種，本論文研究對象是目前使用最廣的后懸掛機(jī)組。 (2) 懸掛機(jī)構(gòu):它由連接農(nóng)具的一些桿件機(jī)構(gòu)所組成。按與拖拉機(jī)機(jī)體連結(jié)點(diǎn)數(shù)的不同，后懸掛又有兩種形式:三點(diǎn)懸掛和兩點(diǎn)懸掛，如圖2-2所示[13]。 a)三點(diǎn)懸掛 b）兩點(diǎn)懸掛 圖2-2 后懸掛的兩種方式 三點(diǎn)懸掛農(nóng)具相對拖拉機(jī)沒有太大的偏擺，因而農(nóng)具隨拖拉機(jī)的直線行駛穩(wěn)定性較好。但拖拉機(jī)走偏方向時(shí)，農(nóng)具己經(jīng)入土，要矯正機(jī)組的行駛方向比較困難。三點(diǎn)懸掛多用于中小型拖拉機(jī)上。 兩點(diǎn)懸掛農(nóng)具，工作中相對拖拉機(jī)可以作較大的擺動(dòng)，多用于大功率拖拉機(jī)懸掛重型或?qū)挿r(nóng)具。 (3) 液壓系統(tǒng):它由油泵、油缸、分配器和其他輔件組成。油泵和油缸將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換為農(nóng)具提升所需要的力量。 傳統(tǒng)液壓懸掛的主要執(zhí)行部件是分配器，通過機(jī)械推拉杠桿裝置調(diào)節(jié)分配器位置控制油液的流量與流向，使農(nóng)具處于不同的工作位置。 2.1.2 液壓系統(tǒng)的類型 在液壓系統(tǒng)中，按油泵、分配器，油缸三個(gè)主要部件位置布置和組合方式的不同，分為分置式、半分置式和整體式三種類型，如圖2一3所示[13]。 (1) 分置式液壓系統(tǒng) 油泵、分配器、油缸分別布置在拖拉機(jī)的適當(dāng)位置上，然后用油管把它們連接起來。東方紅—75、鐵?！?5、東方紅—28等拖拉機(jī)采用這種液壓系統(tǒng)。這種液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是液壓元件便于專業(yè)化批量生產(chǎn)，系列化產(chǎn)品的液壓元件通用性強(qiáng)，維修方便，由于在拖拉機(jī)上容易布置，所以易手實(shí)現(xiàn)農(nóng)具的前懸掛和側(cè)懸掛。它的缺點(diǎn)是:連接管路較長，易出現(xiàn)油液的泄漏;操縱機(jī)構(gòu)全部暴露在外面，易受損傷；不便實(shí)現(xiàn)農(nóng)具耕深的力調(diào)節(jié)等，目前只用于少數(shù)型號較老的拖拉機(jī)上。 圖2-3 液壓系統(tǒng)類型 (2) 半分置式液壓系統(tǒng) 分配器、油缸、操縱機(jī)構(gòu)甚至油箱，都集中在一個(gè)殼體內(nèi)，稱為提升器。提升器通常位于傳動(dòng)箱之上，駕駛座之下，并兼作傳動(dòng)箱的蓋子。油泵單獨(dú)安裝在一個(gè)適宜的地方，由拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)。這種液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，油路較短，液壓元件與操縱機(jī)構(gòu)全部密封在殼體內(nèi)，因而工作較為可靠；易于實(shí)現(xiàn)農(nóng)具的力，位耕深調(diào)節(jié)。它的缺點(diǎn)是:個(gè)別液壓元件的故障檢查不夠方便。這種液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于中、小型拖拉機(jī)上，如常發(fā)集團(tuán)CF800、東方紅—300、東方紅—MG600等拖拉機(jī)均采用半分置式液壓系統(tǒng)。 (3) 整體式液壓系統(tǒng) 油泵、分配器、油缸等主要工作部件，都集中在拖拉機(jī)后橋殼體內(nèi)，形成一個(gè)整體。豐收—35、上?！?0等拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)即屬此種。這種液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:可采用力、位及高度調(diào)節(jié)法控制耕深，工作較可靠。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，因而在拖拉機(jī)的布置上受到一定限制，拆裝檢查也比較麻煩，因而使用不廣。 2.2 電控液壓懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.2.1 設(shè)計(jì)方案的提出 懸掛系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)是提升農(nóng)具的動(dòng)力和控制裝置，是懸掛裝置中的動(dòng)力部分，它一般由液壓泵、提升液壓缸及其他一些閥類和輔助裝置組成。為了實(shí)現(xiàn)對液壓懸掛系統(tǒng)的多種調(diào)節(jié)方式，液壓懸掛系統(tǒng)必須采用電液懸掛控制方式，因此需要在按照國際標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對約翰-迪爾天托1204輪式拖拉機(jī)液壓控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。 方案一：原拖拉機(jī)的分配器把主控制閥、回油閥和安全閥集成于一體，組成了一個(gè)總成，其輸入口與液壓泵通過油管連接，輸出口直接與單作用液壓缸無桿腔相連，這樣安裝節(jié)省了空間，減小了油道的長度。因此，為了盡量采用原拖拉機(jī)的液壓元件，例如液壓泵、液壓油缸、濾清器、油管等。我們提出采用電液比例方向閥、電磁溢流閥、單向節(jié)流閥、壓力表及壓力傳感器等，代替原拖拉機(jī)的分配器，如圖2-4，2-5所示。 圖2-4 電控液壓懸掛系統(tǒng)原理圖a 圖2-5 電控液壓懸掛系統(tǒng)原理圖b 電控液壓懸掛系統(tǒng)由液壓懸掛系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和信號檢測與處理系統(tǒng)組成。工作中，當(dāng)電液比例換向閥左端電磁鐵通電時(shí)，液壓泵輸出的高壓油經(jīng)過電液比例方向閥，再經(jīng)過單向節(jié)流閥的單向閥進(jìn)入液壓缸的無桿腔，使農(nóng)機(jī)具提升；當(dāng)電液比例換向閥右端電磁鐵通電時(shí)，同時(shí)控制電磁溢流閥的電磁鐵斷電，則液壓泵輸出的油液經(jīng)過電磁溢流閥流回油箱，液壓泵處于卸荷狀態(tài)。而在農(nóng)機(jī)具自重作用下，液壓缸無桿腔的液體被排出，使農(nóng)機(jī)具下降，被排出的液體經(jīng)單向節(jié)流閥的節(jié)流閥和比例方向閥流回油箱。 方案二：與方案一不同，不使用其它的液壓元件代替原拖拉機(jī)的分配器，由于液壓懸掛系統(tǒng)控制農(nóng)機(jī)具的提升、中立、下降過程主要是通過控制分配器中主控制閥的移動(dòng)位置來完成的，因此，為了為了盡量采用原拖拉機(jī)的液壓元件，例如液壓泵、液壓油缸、 圖2-6 電控液壓懸掛系統(tǒng)原理圖c 1． 背壓閥 2．光電耦合器 3．電磁換向閥 4．中央處理器 5．控制面板 6．小油缸 7． 力傳感器 8．活塞桿 9．位移傳感器 10．角位移傳感器 11．回油閥 12．單向閥 13．液壓缸 14．分配器 15．主控制閥 16．減壓閥 17．油泵 18．濾油器 19．油缸 濾清器、油管包括原拖拉機(jī)的分配器。我們提出用簡單的三位四通電磁換向閥組成的液壓油路控制一小油缸的方案，通過小油缸活塞桿與主控制閥的固接及移動(dòng)來控制分配器主控制閥的移動(dòng)位置，近而達(dá)到設(shè)計(jì)目的，控制農(nóng)機(jī)具的提升、中立、下降過程。如圖2-6所示。 方案二中電控液壓懸掛系統(tǒng)也包括液壓懸掛系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和信號檢測與處理系統(tǒng)。 液壓懸掛系統(tǒng)：由原液壓懸掛系統(tǒng)的油泵、分配器、液壓油缸、提升臂、拉桿和彈簧等組成。主要完成液壓油路的控制，以完成農(nóng)具的提升、中立、下降過程。 自動(dòng)控制系統(tǒng)：由電磁換向閥、減壓閥、小油缸、控制面板等組成。主要完成控制信號的輸入，并由三位四通電磁換向閥和小油缸，完成分配器主閥移動(dòng)位置的控制。 信號檢測與處理系統(tǒng)：由位移傳感器、壓力傳感器、提升軸轉(zhuǎn)角傳感器、放大電路、CPU等組成，主要完成土壤阻力、農(nóng)具提升高度和主閥位移量的信號檢測與數(shù)據(jù)處理。 設(shè)定調(diào)節(jié)量 工作中，操作控制面板上的調(diào)節(jié)旋鈕，電信號輸入控制電路使電磁閥換向，改變小油缸中的液壓流向，使小油缸位移，推動(dòng)主閥移動(dòng)，農(nóng)具提升或下降。主閥的位移量則 電磁閥 CPU 小油缸 位移傳感器 主閥 液壓油泵 油缸 轉(zhuǎn)角傳感器 提升臂 反饋量 懸掛機(jī)構(gòu) 農(nóng)具 壓力傳感器 耕深 圖2-7 力、位調(diào)節(jié)的信號傳遞路線方框圖 由位移傳感器檢測并控制。隨著農(nóng)具提升(下降)高度的變化，提升器軸轉(zhuǎn)角傳感器測得電信號不斷變化，當(dāng)轉(zhuǎn)角信號(提升高度)與操縱信號進(jìn)行比較量達(dá)到預(yù)定值時(shí)，CPU發(fā)出信號，操縱電磁閥動(dòng)作，小油缸位移，主閥移動(dòng)使農(nóng)具處于中立狀態(tài)。 農(nóng)具入土后，隨著耕深、土質(zhì)和濕度的不斷變化，土壤的阻力不斷變化。該變化經(jīng)上拉桿反應(yīng)在彈簧總成上，并通過彈簧桿作用在壓力傳感器上。壓力傳感器測得其壓力信號與預(yù)置參數(shù)相比較，當(dāng)達(dá)到預(yù)值時(shí)，控制系統(tǒng)使電磁閥動(dòng)作，改變油路，使小油缸帶動(dòng)主閥移動(dòng)，改變分配器油路，使液壓懸掛系統(tǒng)對農(nóng)具進(jìn)行相應(yīng)的提升或下降。力、位調(diào)節(jié)過程的信號傳遞路線如圖2-7所示。 2.2.2 設(shè)計(jì)方案的確定 方案一是針對改進(jìn)分配器，即用電液換向閥來代替液壓懸掛系統(tǒng)分配器的作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電液控制的自動(dòng)控制。方案二用小油缸控制分配器的主控制閥，簡單方便，輕巧，并不會(huì)有太大的能量損失。綜合上述兩種電控液壓懸掛系統(tǒng)的方案提出過程及依據(jù)，兩個(gè)方案各有優(yōu)劣，最終選擇方案二作進(jìn)一步的設(shè)計(jì)研究。 2.3 工作機(jī)理 拖拉機(jī)電子液壓懸掛可以實(shí)現(xiàn)懸掛的可調(diào)速提升、下降。耕深調(diào)節(jié)方式有:位調(diào)節(jié)、力調(diào)節(jié)以及它們之間的綜合調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)整體框架如附錄一圖所示。 系統(tǒng)控制面板設(shè)計(jì)如圖2-8。 圖2-8 控制面板 1、 鎖定開關(guān) 2、四位旋鈕(a下降位b停止位。上升位d工作位) 3、下降指示燈 4、上升指示燈 5、耕深設(shè)定旋鈕 6、綜合調(diào)節(jié)開關(guān) 7、力調(diào)節(jié)開關(guān) 8、位調(diào)節(jié)開關(guān) 9、位調(diào)節(jié)指示燈 10、力調(diào)節(jié)指示燈 11、綜合調(diào)節(jié)指示燈 12、位置非安全報(bào)警指示燈 13、懸掛載荷非安全報(bào)警指示燈 控制面板主要由:四位旋鈕、耕深設(shè)定旋鈕、工作選擇按鍵、工作指示燈和報(bào)警示燈五部分組成。該面板主要功用是完成人機(jī)交互通信作用。拖拉機(jī)駕駛員通過控制面板控制懸掛，并由控制面板了解懸掛的工作模式以及判斷系統(tǒng)是否工作于安全工作區(qū)域。 左邊的四位開關(guān)旋鈕可以控制懸掛上升和下降，處于上升或下降工作狀態(tài)時(shí)，對應(yīng)三角形工作指示燈點(diǎn)亮表明工作狀態(tài)。 當(dāng)四位開關(guān)旋鈕處于工作位，操作人員可以選擇各種工作調(diào)節(jié)模式(位調(diào)節(jié)、力調(diào)節(jié)和綜合調(diào)節(jié))，選擇確定后，控制面板將信號送給主控制器單元，系統(tǒng)進(jìn)入對應(yīng)的工作模式控制拖拉機(jī)電控液壓懸掛進(jìn)行相應(yīng)的工作狀態(tài)，此時(shí)控制面板上對應(yīng)菱形工作狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮。 拖拉機(jī)懸掛犁耕地機(jī)組的位調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種位置控制系統(tǒng)，它要求農(nóng)機(jī)具與拖拉機(jī)的相對位置保持不變。當(dāng)相對位置發(fā)生變化時(shí)，位調(diào)節(jié)起作用，系統(tǒng)自動(dòng)使農(nóng)機(jī)具回到原位。設(shè)定值是用戶希望達(dá)到的耕地深度，拖拉機(jī)工作時(shí)的實(shí)際耕深由提升臂轉(zhuǎn)軸上的位置傳感器間接測量出來，并作為反饋信號。此反饋信號通過一定的信號處理后送入CPU控制芯片，經(jīng)采樣、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，與設(shè)定值比較得到偏差量e，如果偏差量e過位調(diào)節(jié)的控制范圍士10%(參見國標(biāo) GB1593-79)，程序根據(jù)e的大小由HSO口輸出一的PWM波，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后形成三位四通電磁換向閥的控制信號。在此信號作用下，電磁換向閥按PWM占空比進(jìn)行開關(guān)閉合量調(diào)節(jié)來改變液壓系統(tǒng)中液壓油的流動(dòng)方向和流量，從而使農(nóng)機(jī)具提升或下降。農(nóng)機(jī)具由e的正負(fù)決定上升還是下降。偏差信號e越大，閥芯開口量越大，輸出油液越多，農(nóng)機(jī)具動(dòng)作就越迅速。當(dāng)e在士10%范圍內(nèi)，也就是懸掛系統(tǒng)工作與死區(qū)范圍內(nèi)，農(nóng)機(jī)具處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。為提高控制精度，士10%范圍降低為士2.5%。 拖拉機(jī)懸掛犁耕地機(jī)組的力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以維持拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷平穩(wěn)為目的的恒值消擾控制系統(tǒng)，它通過上拉桿軸向力的不變來保證拖拉機(jī)牽引阻力的近似不變。牽引阻力作用在上拉桿上改變其拉壓力，通過力傳感器直接測量作用于上拉桿的拉壓力。力傳感器輸出的電壓經(jīng)過放大電路、濾波、電壓保護(hù)等信號處理后，送給 CPU芯片，進(jìn)行采樣、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，并與設(shè)定牽引阻力比較，產(chǎn)生一個(gè)偏差量e。根據(jù)e的大小由CPU通過HSO口產(chǎn)生一定占空比的PWM波，再經(jīng)過功率放大控制電液比例換向閥改變液壓系統(tǒng)中液壓油的流動(dòng)方向和流量，從而使農(nóng)機(jī)具提升或下降。農(nóng)機(jī)具由e的正負(fù)決定上升還是下降。當(dāng)e的大小在控制范圍士2.5%內(nèi)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，農(nóng)機(jī)具不升不降。 2.4 本章小結(jié) 本章主要講述了傳統(tǒng)拖拉機(jī)的液壓懸掛系統(tǒng)，并簡述了液壓懸掛系統(tǒng)的組成及類型，針對JD-1204拖拉機(jī)的半分置式液壓懸掛系統(tǒng)，進(jìn)行分析提出了兩套自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。兩套方案都是利用電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想提出的，并最終確定方案做下一步的設(shè)計(jì)工作。 第三章 液壓回路設(shè)計(jì)和信號處理電路設(shè)計(jì) 3.1 液壓回路設(shè)計(jì)和硬件選型 3.1.1 電控液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和液壓執(zhí)行元件的工作狀況設(shè)計(jì)液壓基本回路，在電控液壓懸掛系統(tǒng)自動(dòng)控制中，所選擇的液壓回路必須使液壓執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。根據(jù)農(nóng)田作業(yè)中的基本要求，電控液壓懸掛系統(tǒng)需滿足農(nóng)具的提升、中立、下降的要求。電控液壓回路如圖3-1所示，由三位四通電磁閥、小油缸、分配器、油泵、減壓閥和溢流閥等組成。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)約翰-迪爾天拖1204拖拉機(jī)系統(tǒng)的工作壓力、流量、功率的大小以及系統(tǒng)對溫升、工作平穩(wěn)性等方面的要求選擇回路，以滿足上述要求。其中約翰-迪爾天拖1204拖拉機(jī)相關(guān)參數(shù)如表3-1所示。 表3-1 JD1204拖拉機(jī)相關(guān)參數(shù) 拖拉機(jī) 型號 系統(tǒng)額定輸出 壓力 /MPa 液壓輸出總流量 L/min 提升能力（懸掛點(diǎn)后610mm外） /Kg 液壓泵轉(zhuǎn)速 r/min 電氣系統(tǒng) /V JD-1204 19 59.5 3150 2500 12 圖3-1 電控液壓系統(tǒng)回路 1. 背壓閥 2．電磁換向閥 3．小油缸 4．活塞桿 5．回油閥 6．單向閥 7． 分配器 8．主控制閥 9．減壓閥 10．油泵 11．濾油器 12． 油缸 由于所采用分配器中推動(dòng)主控制閥彈簧的最大負(fù)荷力為1000N，因此控制主控制閥的小油缸內(nèi)的油壓大于720 kPa即可，遠(yuǎn)小于油泵的輸出壓力19 MPa. 為了系統(tǒng)的安全和節(jié)能，懸掛系統(tǒng)中要有減壓回路。在回油路中，控制分配器主閥的小油缸的出油口，如果直接和油箱相連接，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值負(fù)載。為了減輕負(fù)值負(fù)載所造成的不良影響，回油路上裝有背壓閥，在背壓閥作用下，小油缸的速度受到限制，防止出現(xiàn)速度失控現(xiàn)象。根據(jù)溢流閥的特點(diǎn)和性能，可用溢流閥做背壓閥。由于小油缸要實(shí)現(xiàn)向左、右運(yùn)動(dòng)和中立3種狀態(tài)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)油路時(shí)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，需要一個(gè)三位四通電磁換向閥。液壓回路如圖3-1所示。 3.1.2 液壓泵和分配器選擇 泵的主要參數(shù)有壓力、流量、轉(zhuǎn)速、效率，為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和泵的使用壽命，一般在固定設(shè)備系統(tǒng)中，正常工作壓力為泵的額定壓力的80%左右，泵的Q要大于系統(tǒng)工作壓力。 經(jīng)分析計(jì)算約定約翰-迪爾天拖1204拖拉機(jī)的液壓泵型號為CB-Q30，查[14] P20-152 表20-5-6，相關(guān)參數(shù)如表3-2所示。 表3-2 JD1204拖拉機(jī)液壓泵相關(guān)參數(shù) 類別 型號 排量 ml/r 壓力 /MPa 轉(zhuǎn)速 r/min 容積效率/% 額定 最高 額定 最高 外嚙合齒輪 CB-Q 20-60 20 25 2000 2500 92 同時(shí)電控液壓懸掛系統(tǒng)中的分配器，使用JD1204拖拉機(jī)開心式半分置式液壓系統(tǒng)的分配器。 3.1.3 小油缸的選型 電控液壓系統(tǒng)中用小油缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)來控制分配器中的主控制閥，以實(shí)現(xiàn)液壓懸掛系統(tǒng)中的油路換向，進(jìn)行農(nóng)具的相關(guān)操作。 分配器內(nèi)的彈簧對主控制閥的負(fù)荷力為1000 N，分配器中主控制閥的位移量為25 mm。在提升器中，小油缸的安裝空間為寬80 mm，高150 mm，長200 mm，由此可初步確定小油缸的最大外徑不能超過80 mm。查[14] P20-282 表20-6-2，不妨令液壓缸的內(nèi)徑為50 mm，即D=50 mm。又查[15] P115 表4-4，由于液壓缸的工作壓力小于10 MPa，于是選往復(fù)運(yùn)動(dòng)比=1.33，則由[15] P114 式4.24得活塞桿徑： 查[14] P20-282 表20-6-2，取d=25 mm。 下面確定小油缸的工作壓力P，由于所采用的推動(dòng)分配器主控制閥彈簧的最大負(fù)荷力為1000 N,因此，控制主控制閥的小油缸內(nèi)的油壓： 又液壓回路中存在背壓，即小油缸的出油口存在背壓，取小油缸的工作壓力為3MPa。查[14] P20-282 表20-6-2 活塞行程系列，取活塞的最大行程為又活塞長度： 導(dǎo)向套長度 ： 于是小油缸的長度： 最終，取 。 綜上，查[14] P20-311 表20-6-30，取小油缸的型號為HSG·F-50/25·E。 3.1.4 換向閥的選擇 換向閥是實(shí)現(xiàn)油路的換向、順序動(dòng)作及卸荷等功能的閥門。根據(jù)小油缸控制分配器主閥完成提升、中立、下降的需要及壓力、流量和拖拉機(jī)采用直流電的條件，查[14] P20-528 表20-7-164選擇DSG-G01-3C-2A-D24-5O型三位四通電磁換向閥，如圖3-2所示。 圖3-2 三位四通電磁換向閥 此電磁換向閥配有強(qiáng)吸力，高性能的濕式電磁鐵，具有高壓、大流量、壓力損失低等特點(diǎn)，其非常適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械及車輛中。其最大流量為63 L／min，最高壓力31.5 MPa，T口允許背壓16 MPa，最高換向頻率為300次／min。 3.1.5 減壓閥和溢流閥的選擇 減壓閥是一種利用液流流過縫隙產(chǎn)生壓降的原理，使出口壓力低于進(jìn)口壓力的壓力控制閥。在電控液壓系統(tǒng)中，減壓閥作為穩(wěn)定油路工作壓力的調(diào)節(jié)裝置，使油路的壓力不受油源壓力的影響。由于小油缸工作壓力變化較小，選擇定值減壓閥的型號為PRCV-G10-1-32型，由上海公新機(jī)械有限公司供應(yīng)。 其中： PRCV-單向減壓閥； G-安裝形式板式安裝； 10-公稱直徑32mm； 1-壓力調(diào)節(jié)范圍7-70MPa； 32-設(shè)計(jì)號低壓型。 溢流閥在液壓懸掛系統(tǒng)中做背壓閥用，背壓閥裝于液壓系統(tǒng)的回油路中，給液壓系統(tǒng)形成一定的背壓力，以增加小油缸的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。根據(jù)油路的流量確定其型號為RF-G06-1-32型，由上海公新機(jī)械有限公司供應(yīng)。 其中： RF-溢流閥； G-安裝形式板式安裝； 06-公稱直徑20mm； 1-壓力調(diào)節(jié)范圍7-70MPa； 32-設(shè)計(jì)號低壓型。 3.2 信號處理電路設(shè)計(jì) 3.2.1 傳感器的選擇 在電控液壓懸掛系統(tǒng)中，需要把主控制閥的位置信號、農(nóng)具的提升位置信號和土壤阻力對彈簧桿的壓力信號傳給CPU，以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和發(fā)出控制指令。主控制閥的位置信號用位移傳感器，農(nóng)具的提升位置信號用提升軸轉(zhuǎn)角傳感器，土壤阻力對彈簧桿的壓力信號用壓力傳感器。 農(nóng)具提升時(shí)，油缸的活塞桿推動(dòng)內(nèi)提升臂使提升臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)外提升臂和上下拉桿帶動(dòng)農(nóng)具提升。提升臂軸的轉(zhuǎn)角反映了農(nóng)具的提升高度，安裝在提升臂軸上的轉(zhuǎn)角傳感器，根據(jù)提升臂軸的不同轉(zhuǎn)角輸出不同電量。傳感器采用BT13-WYT-2轉(zhuǎn)角傳感器，其技術(shù)參數(shù)見表3-3所示。 無觸點(diǎn)角度傳感器將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號輸出，無電接觸點(diǎn)的測量出轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。與線繞式、金屬膜式或?qū)щ娝芰鲜诫娢黄飨啾龋搨鞲衅骶哂幸韵绿攸c(diǎn)： ①無觸點(diǎn)，高靈敏度，極長壽命； ②無噪聲，高重復(fù)性，單調(diào)無限分辨率；? ③無磨損，高可靠性，高頻響應(yīng)特性好； ④低轉(zhuǎn)矩，360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出信號不受潮濕環(huán)境影響。 磁敏電阻式角度傳感器廣泛應(yīng)用于航空、電子、機(jī)械、紡織、輕工、船舶、冶金等諸行業(yè)，尤其適用于機(jī)械變化頻繁，環(huán)境惡劣，需要使用壽命長的場合。 拖拉機(jī)工作過程中農(nóng)具的提升、中立、下降由分配器主閥的位置來確定，主閥的位置是由小油缸的活塞桿控制的。主閥的位置由位移傳感器檢測，位移傳感器采用LVDT差動(dòng)式直線位移傳感器，其技術(shù)參數(shù)如表3-4所示。 表3-3 BT13-WYT-2轉(zhuǎn)角傳感器參數(shù) 型 號 BT13-WYT－2 機(jī)械轉(zhuǎn)角 軸承固定 360°可連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng) 線性量程 ±45°(90°) 獨(dú)立線性度 1.5% 輸入電壓 ≤DC12V 工作電流 ≤5mA 輸入阻抗 5KΩ±30% 靈敏度 >2.5%Vin /10° 分辨率 理論上連續(xù) 使用溫度 -25℃～+55℃ 溫度系數(shù) ±0.05%DVout/Vin/℃ 濕度范圍 0～95% 表3-4 LVDT差動(dòng)式直線位移傳感器參數(shù) 供電電壓 直流9V-12V 供電電流 電壓輸出型供電電流≤12mA 位移量程 0-50mm 量程 輸出信號 Modbus RS232數(shù)字信號 交流信號 0.5-4.5VDC 0-5VDC或-5V至+5V 輸出噪聲 ＜25 μArms 線性誤差 ±0.15% 重復(fù)誤差 ＜0.01% of FS 使用溫度 -25℃-+85℃ 溫度系數(shù) ≤零點(diǎn)0.01%/℃ 靈敏度≤0.025%/℃ 承受沖擊力 150g/11ms? 承受加速度 20g (1) LVDT差動(dòng)式直線位移傳感器的特點(diǎn)： ①直流單電源供電，內(nèi)置高性能信號調(diào)節(jié)器，無待機(jī)消耗； ②外徑20mm，或12mm，不銹鋼304外殼； ③電子元器件全密封設(shè)計(jì)，防塵防水防油污、抗輻射，野外作業(yè)亦可； ④安裝簡單，無需調(diào)零； ⑤非接觸式，無滑動(dòng)觸點(diǎn)，使用壽命長。 (2) LVDT差動(dòng)式直線位移傳感器的檢測鐵芯與傳感器主體分開。傳感器主體是中空的圓柱體，固定在某個(gè)地方，將鐵芯與被測物體連接，鐵芯在傳感器主體中空的空間里來回穿梭，由此檢測出被測物體移動(dòng)的距離。其檢測元件之間無接觸，非接觸式，沒有任何摩擦，壽命長，頻響高。常見應(yīng)用領(lǐng)域有：機(jī)械設(shè)備的距離移動(dòng)，如沖床、軋機(jī)、柴油機(jī)、油缸（液壓缸）、試驗(yàn)機(jī)、注塑機(jī)等機(jī)械零部件的移動(dòng)檢測。 農(nóng)具入土中的土壤阻力測定，是通過上拉桿對力調(diào)節(jié)彈簧的作用力來反映的，該力通過彈簧桿作用在壓力傳感器上，當(dāng)壓力變化時(shí)，輸出電量變化。壓力傳感器采用BCM傳感技術(shù)公司提供的應(yīng)變式力傳感器，其結(jié)構(gòu)形式為軸銷式。壓力傳感器原理圖如圖3-3所示。 圖3-3 壓力傳感器原理圖 表3-5 KMB060A30-15壓力傳感器參數(shù) 傳感器類型 KMB060A30-15 電源電壓(電流) 8～12v 溫度靈敏度系線性度數(shù) <1.25%/10° 工作溫度范圍 -35℃- +125℃ 插頭類型 3-針插頭 正常行程 10mm 線性度 2％ 將農(nóng)具作用在下拉桿前連接點(diǎn)的牽引力引起的剪切力轉(zhuǎn)變成磁場力。無載荷時(shí)，初級線豳的兩級之間形成對稱的磁場，在壓力或張力作用下，等方性磁場的磁場特性發(fā)生變化，因此磁場變?yōu)椴粚ΨQ，從而次級線圈的兩極之問的磁場發(fā)生改變，這種改變將造成次級線圈中磁通量的變化，同時(shí)，在次級線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓與外界拉力或壓力的大小對應(yīng)成比例。其技術(shù)參數(shù)如表3-5所示。 3.2.2 傳感器信號放大電路和濾波器的設(shè)計(jì) 由于傳感器輸出信號較弱，角位移傳感器的工作電流小于5 mA，壓力