拖拉機液壓懸掛試驗臺研究

商高高，顧 新，朱晨陽

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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拖拉機液壓懸掛試驗臺研究

商高高，顧 新，朱晨陽

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為提高拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)檢測的自動化水平和測試精度，提出了一種應用電液比例閥控制加載力和垂直度的試驗臺結構方案，基于SimulationX軟件對試驗臺的液壓加載系統(tǒng)進行仿真分析。結果表明：目標加載力調節(jié)時間均小于0.3 s；加載力跟隨試驗最大誤差約為0.6 kN，并且在跟隨加載力上升階段實際曲線與跟隨曲線基本吻合；垂直度仿真過程中，系統(tǒng)在低初始偏差和中、高初始偏差達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間分別在0.3，2.0 s以內，可見設計方案是可行的，為拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和質量檢測提供了高效的測試平臺。

車輛工程；懸掛試驗臺；液壓加載；仿真分析

拖拉機液壓懸掛裝置是利用液壓油液的壓力來提升并維持農(nóng)具處于各種不同位置的懸掛裝置，它是拖拉機的必備工作裝置之一。為檢驗所設計液壓懸掛裝置的性能和制造質量能否達到要求，須對產(chǎn)品進行嚴格的檢測。目前，國家規(guī)定的拖拉機液壓懸掛檢測項目主要是后置三點懸掛裝置提升能力的檢測，內容主要包括了最大提升力試驗和靜沉降試驗。以往使用的檢測設備大多數(shù)十分陳舊，主要采用手動測量的方式，使用起來勞動強度大，試驗時間長，自動化水平低，不便于計算機數(shù)據(jù)采集與處理[1-3]。而筆者設計的液壓懸掛試驗臺采用了液壓加載的方式，在完成與被試驗拖拉機懸掛裝置的連接后，可自動完成下懸掛點的提升力(或框架上的提升力)試驗和靜沉降試驗，整個試驗過程的信號采集和控制全部由計算機自動操作，無需過多的人工操作。

1 試驗臺結構原理

1.1 結構方案

試驗臺采用的是油缸加載方式，可以同時滿足提升力和靜沉降試驗的要求，其結構原理如圖1。加載油缸為內置位移傳感器的伺服油缸，將加載油缸通過軸承固定在滑塊機構上，油缸可以繞著滑塊機構轉過一定的角度。加載油缸的活塞桿通過拉力傳感器與提升框架連接，當角度傳感器測得加載缸垂直度發(fā)生變化時，可通過控制角度調整油缸拖動滑塊機構向前或向后移動來修正加載缸角度使得加載力方向始終垂直向下。在進行最大提升力測試時，首先控制加載油缸截止，此時拖拉機相當于“自己提升自己”，對拖拉機液壓懸掛系統(tǒng)會產(chǎn)生一個被動加載力，當拖拉機安全閥打開時測出的該力大小即為該點的最大提升力。需要調整測量點位置時，控制加載油缸相關油路打開，使得油缸在提升力的作用下可以被動提升，到達測量點后再關閉油缸的相關油路即可。當檢測到加載油缸的垂直度發(fā)生變化后，可通過控制角度調整油缸拖動滑塊機構向前或向后移動來及時修正加載油缸的角度，使加載力始終與地面垂直。在進行靜沉降試驗時，通過油泵向加載油缸內加油可以實現(xiàn)無極加載，從而保持加載力恒定。

1—拖拉機液壓懸掛示意；2—提升框架；3—拉力傳感器；4—液壓泵站總成；5—角度調整油缸；6—加載油缸；7—加載缸角度傳感器；8—滑塊機構；9—滑塊機構支架

圖1 試驗臺結構方案

Fig.1 Structure of test bench

1.2 液壓系統(tǒng)原理

液壓加載系統(tǒng)采用了電液比例閥的方式進行加載，系統(tǒng)工作過程中比例閥可以根據(jù)輸入的控制電壓信號連續(xù)的按比例控制系統(tǒng)的液壓方向，流量和壓力。可有效保證靜沉降試驗加載時所施加載荷的穩(wěn)定性，而調整油缸采用的電液比例閥保證了垂直度實時控制時的精度和穩(wěn)定性。筆者所設計試驗臺液壓加載系統(tǒng)的最大加載能力可達50 kN，其液壓系統(tǒng)原理如圖2。其中，為了減少油液的泄露，在加載油缸的有桿腔中增加了蓄能器進行保壓；加載油缸的無桿腔中通過平衡閥設定一定的背壓值可以防止加載油缸的活塞及其連接部件由于自重突然下落，失速等不穩(wěn)定現(xiàn)象[4]；而垂直度調整油路中加入的雙平衡閥，在減少了油液泄露的同時增加了調整油缸運動的穩(wěn)定性[5]。圖2中，1為吸油過濾器，2為油泵，3為溢流閥，4為比例換向閥，5為安全閥，6為蓄能器，7為平衡閥，8為電磁換向閥，9為疊加式平衡閥，10為比例換向閥，11為風冷，12為回油過濾器。

圖2 液壓加載系統(tǒng)原理

2 試驗臺仿真分析

加載力和垂直度的自動控制是本試驗臺能否滿足要求的關鍵，筆者將對這兩個部分的控制進行仿真分析。由于本試驗臺主要采用液壓控制方式，而在各液壓系統(tǒng)的仿真軟件中SimulationX[6]采用基于基本物理元素組合的建模方式，無需對系統(tǒng)數(shù)學模型有很深了解[7]，因此選用SimulationX來進行仿真驗證。

2.1 加載力自動控制仿真模型

加載力控制的SimulationX仿真模型[8]如圖3。該模型分為試驗臺液壓系統(tǒng)和負載系統(tǒng)。其中，負載系統(tǒng)模擬拖拉機液壓系統(tǒng)，簡化起見，直接將負載油缸通過拉力傳感器與加載油缸相連。拉力傳感器信號作為反饋信號和設定的拉力值進行比較，差值通過PID控制器處理后輸入給比例閥進行控制。部分參數(shù)如表1。

圖3 加載力自動調節(jié)仿真模型

表1 加載力自動控制部分仿真參數(shù)

由試驗臺結構原理可知加載缸垂直度的控制是通過調節(jié)調整油缸的位移來實現(xiàn)的，因此可以將調整油缸的行程變化轉化為加載缸的角度變化，搭建的仿真模型如圖4。在該模型中，選用機械庫里的摩擦力模塊模擬調整油缸在運動過程中所受的阻力；通過函數(shù)模塊將油缸的位移轉換成了角度作為執(zhí)行機構的反饋，再將目標值與該值的差值通過PID控制器處理后輸入給比例閥進行垂直度的控制。部分模型參數(shù)如表2。

圖4 垂直度自動調節(jié)仿真模型

表2 垂直度自動控制部分仿真參數(shù)

2.2 仿真結果

2.2.1 固定目標加載力仿真

在加載力自動控制模型中，初始加載力設為0，設置仿真時間為3 s，仿真時間間隔為0.01 s，以4種不同目標加載力，以驗證在系統(tǒng)的加載能力。仿真結果如圖5。

從圖5可以看出，在PID控制策略下系統(tǒng)可以滿足各種范圍的目標加載力的快速調節(jié)，調節(jié)時間均小于0.3 s，完全滿足系統(tǒng)要求。

圖5 不同目標載荷的加載力調節(jié)結果

2.2.2 加載力跟隨仿真

為了進一步驗證加載系統(tǒng)的環(huán)境適應能力及控制精度，設置了一個偏移正弦信號的目標加載力，并進行了相應跟隨仿真。正弦信號的頻率為1 Hz，幅值為10 kN，偏移量為15 kN。設置仿真時間為10 s，仿真時間間隔為0.01 s進行仿真，仿真結果如圖6。

圖6 加載力跟隨仿真結果

該結果很好的反映了系統(tǒng)加載和卸載的情況。由仿真結果可以看出，跟隨目標的初值為25 kN，實際值初值為0 kN，大約0.3 s的調整后，系統(tǒng)在PID控制策略下就能很好的跟隨加載力上升和下降，進入穩(wěn)定跟隨狀態(tài)。其中系統(tǒng)最大誤差發(fā)生在跟隨加載力下降階段，最大跟隨誤差約0.6 kN；而在跟隨加載力上升階段，實際曲線與跟隨曲線基本吻合。

2.2.3 垂直度仿真結果

垂直度模型的控制目標是將加載缸角度始終調整到垂直狀態(tài)，根據(jù)建模時的假設條件，設定目標角度為0°，并在不同初值角度下進行了仿真，驗證系統(tǒng)在PID策略下的垂直度調節(jié)的響應速度和精度。設置的仿真時間為3 s，仿真時間間隔為0.01 s，仿真結果如圖7。

圖7 不同初值角度下的仿真

圖7(a)和圖7(b)為系統(tǒng)在低初始偏差角度情況下進行垂直度調節(jié)時的仿真情況。由圖可見，在幾種不同的初始角度偏差狀態(tài)下，系統(tǒng)可以很快進行調節(jié)響應，到達穩(wěn)態(tài)時間均在0.3 s以內。由于實際情況下加載缸的垂直度偏差不會到達太大值，因此該部分仿真主要反映的是實際垂直度調節(jié)時的情況。

圖7(c)和圖7(d)為中、高初始偏差下的垂直度調節(jié)情況，反映了系統(tǒng)垂直度調節(jié)時的儲備能力。在正負兩個方向的中、高偏差初值角度的調節(jié)中，系統(tǒng)的動態(tài)響應速度也很快，最大偏差狀態(tài)下調整到垂直狀態(tài)的時間也都在2.0 s以內。

3 試驗控制流程

根據(jù)標準的試驗要求設計[9]的最大提升力試驗和靜沉降試驗的控制流程如圖8。

圖8 流程圖

由于試驗過程是由計算機進行控制的，用戶只需根據(jù)測試軟件上的提示的信息進行相應準備即可。此外，本測試軟件還具有拖拉機液壓提升器試驗臺加載方法分析保存試驗數(shù)據(jù)和生成報告等功能。

4 結 語

筆者首先設計了新型的試驗臺液壓加載方案，并基于SimulationX對加載力和垂直度的自動控制進行了仿真分析，驗證了系統(tǒng)方案的可行性。采用計算機對整個試驗過程進行控制，大大提高了試驗時的測量精度和勞動效率。本系統(tǒng)的自動化程度遠高于以往的液壓懸掛試驗裝置，操作簡單，可廣泛應用于液壓懸掛系統(tǒng)的產(chǎn)品研制、開發(fā)、質量檢測過程中。

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Research on Hydraulic Hitch Test Bench of Tractor

Shang Gaogao, Gu Xin, Zhu Chenyang

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

In order to increase the automation level and test accuracy of the tractor hydraulic hitch system, a test-bench structure of the program was proposed, which used the electro-hydraulic proportional valve for controlling the loading force and verticality during the test. Based on SimulationX software, the hydraulic loading system of the test bench was simulated and analyzed. The results indicate that the adjustment time of target loading force is all less than 0.3 s; the maximum error of the loading force test is about 0.6 kN; and the actual curve and the following curve are basically agreed in the rising phase of loading force. In the simulation process of verticality, the time of the system to reach a steady state at a low initial deviation, intermediate and high initial deviation is within 0.3 and 2.0 s respectively, which verifies the feasibility of the design and provides an efficient test platform for the product development and quality testing of the tractor hydraulic hitch system.

vehicle engineering; hitch test bench; hydraulic loading; simulation analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.30

2014-06-05；

2014-09-10

江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金項目(BY2012170)

商高高(1962—)，男，湖北武漢人，副教授，碩士，主要從事機電一體化方面的研究。E-mail:shanggaogao@ujs.edu.cn。

U463.33;O319.56

A

1674-0696(2015)06-162-05