丘陵山地拖拉機電液懸掛系統的設計與仿真分析

蔣 俊， 張 建， 馮貽江， 蔣榮聰， 彭秀英， 荊寶德

(1.浙江高宇液壓機電有限公司，浙江 臨海 317000；2.浙江師范大學 工學院，浙江 金華 321004)

0 引 言

在農機作業過程中，拖拉機需通過液壓懸掛系統來實現對耕種深度的調節.而為了實現拖拉機作業深度的均勻性，目前懸掛系統控制方式有機械阻力控制、位置控制和綜合控制3種，而使用最多的是機械阻力控制方式[1-3].機械阻力控制方式主要是駕駛員通過選擇“力調節”和“位置調節”方式來操作手柄的位置，使得機械式阻力位置調節裝置能夠實現農機具位置/阻力的調節.但是在作業過程中，經常會碰到地形起伏,田埂、樹根等短期地形突變及阻力突變等情況，造成農機具上下起伏，最終影響農機作業的水平.隨著電子技術、信息化技術和傳感器技術的發展，拖拉機液壓懸掛系統正逐步采用電液控制.電液控制系統通過各個傳感器檢測的信號，調節左右懸掛油缸的伸縮量，實現配套農機具耕作動力、耕作深度的自動調節[4-6].

目前國內拖拉機的電控液壓懸掛系統只對懸掛系統的耕作深度進行開環調節，只能適用于地勢較平坦的地形.當拖拉機在丘陵、山地作業時，由于耕地坡度較大，拖拉機就很難自動調節并完成耕種任務，所以還需要設計適用于丘陵山地的拖拉機電控液壓懸掛系統[7-8].

針對上述問題，筆者設計了一種對丘陵山地適應性強、且能保證配套農機具在丘陵山地高質量作業的電控液壓懸掛系統，本文將側重講述液壓系統部分的設計.

1 系統的設計要求

懸掛液壓系統是農機設計的關鍵，也是農機作業得以準確實現的保證，為了能夠完成拖拉機對丘陵地形的自適應，該坡地自適應懸掛液壓系統需要具備以下要求：

1)能夠完成基本工作需求.懸掛系統的2個提升油缸能夠完成舉升、下降、浮動3個基本動作.

2)準確性.在快速下降時，懸掛機構與地面接觸前，機構能夠快速下降；為了能夠根據地形準確調整農具作業的深度，系統需要在與地面接觸后及油缸舉升時，它的執行機構能夠準確運動到目標位置而不受外負載壓力的影響，具有對丘陵坡地的高度適應性，保證配套農機具在丘陵山地的高質量作業.

3)自動化、智能化.懸掛系統應具有自動化的控制手段及自我調整功能，實現配套農機具對耕作阻力、耕作姿勢(高度及角度)的自適應調節.

4)低能耗.隨著全球能源的趨緊，人們的環境保護意識日趨增強，節能環保是每臺機器必要的設計理念.

2 液壓系統的設計

液壓系統是農機設計的關鍵，也是農機準確完成工作的保證.根據系統的設計要求，懸掛液壓系統要能夠實現快速下行，并且舉升下降也能夠準確定位，以保證油缸位移不受負載壓力影響，多個執行機構能夠同時動作且彼此不受影響.

2.1 液壓系統回路的設計

為了實現上述要求，設計時主要采用定流量負載敏感回路.圖1即為定流量負載敏感回路的原理圖，圖2是它的壓降圖.具體思路如下：

圖1 定流量負載敏感回路原理圖

1)定量泵作為液壓源在泵出口處有一旁路接的主定差閥D0，設定彈簧預緊力為ΔPD0.

2)負載信號壓力為PLS.如果換向閥在初始位置，那么PLS就是ΔPD0的壓力；如果換向閥在工作位，那么PLS就是負載口PA1或者PA2的壓力.

3)在換向閥后接有定差減壓閥D1,D2,通過調節閥D1,D2的閥口大小，維持換向閥前后壓差ΔP=Pp-Pci(i=1,2)為恒定，因此，通過換向閥的流量只取決于其閥口的面積，而與負載壓力無關.

圖2 定流量負載敏感回路壓降圖

4)當換向閥在初始位時，PLS等于ΔPD0的壓力，因為換向閥此時關閉，所以，泵流量全部經過旁路閥D0回到油箱;

5)各換向閥的反饋信號壓力PLS經過單向閥，選出最高負載信號壓力PLS，作用在主定壓差閥D0，調節節流口大小，維持泵出口壓力Pp比負載最高壓力PLS高ΔPD0，并將泵多余流量卸荷回油箱.

根據上述設計思路及原理，結合懸掛系統實際工況，在提升及下降時都要準確控制油缸位置，最終懸掛液壓系統如圖3所示.

2.2 液壓系統的運行

該懸掛系統主要完成舉升、下降、浮動3個基本動作；其次，根據運動狀態，系統調節不同的液壓閥，控制油缸運動.系統整體運行流程如圖4所示.

2.2.1 油缸舉升

比例流量控制閥的電磁鐵得電，并根據油缸位移反饋信號調節閥口開度，泵出口的油液依次經比例流量控制閥、單向閥，到達舉升油缸大腔，推動油缸伸出，當油缸運動到指定位移時，位移傳感器反饋信號控制比例流量控制閥關閉，油缸運動停止，運動過程中的泵多余油液經主定壓差閥卸荷回油箱；比例換向閥電磁鐵得電，工作在圖3中的右位，液壓缸小腔油液經比例換向閥回到油箱.

2.2.2 油缸下降

1)在農具與地面接觸之前，比例換向閥的電磁鐵調節比例閥的開口大小，控制油缸下降速度與位移，此時，比例流量控制閥的電磁鐵工作在最大控制電流，閥口全開，泵出口油液經比例流量控制閥、單向閥進入提升油缸小腔，大腔油液經比例換向閥回到油箱.

1.液壓齒輪泵;2.吸油過濾器;3.液位液溫計;4.恒流閥;5.主定壓差閥;6,7,22,23,24.比例流量控制閥;8,9,13,14,16,17,20,21.單向閥;10,12,15,19.比例換向閥;11.右提升油缸;18.左提升油缸;24.溢流閥;25.電磁換向閥;26.高壓過濾器

圖4 懸掛液壓系統運動流程圖

2)當農具與地面接觸后，比例換向閥的電磁鐵工作在最大控制電流上，閥口全開，此時,比例流量控制閥的電磁鐵根據油缸位移反饋信號，調節比例閥閥口大小，進而控制油缸運動位移及速度，在運動過程中的泵多余油液經主定壓差閥卸荷回油箱.當油缸運動結束后，所有電磁鐵失電，油缸負載壓力經恒流閥卸荷，泵出口油液經3位四通電磁換向閥的中位卸荷回油箱.

2.2.3 油缸浮動

當油缸大小的比例換向閥同時得電時，2個閥都工作在圖3中的右位，此時油缸大腔與小腔接通，系統工作在浮動狀態.

2.3 液壓系統的優點

1)油缸速度位移控制精確.油缸舉升工況時，通過控制比例流量控制閥的輸入信號，實現油缸運動速度位移的精確控制，同時油缸運動速度不受工作負載壓力的影響；油缸下降工況時，通過比例換向閥精確控制油缸下降速度與位移.

2)油缸可復合動作.4個比例流量控制閥進油口為并聯，通過調節各比例流量控制閥的閥口大小，可使多個油缸同時工作，完成復合動作，不受負載壓力的影響.

3)低壓卸荷.在油缸完成運動后，主定壓差閥彈簧腔的油液通過恒流閥回油箱，使得系統油液通過主定壓差閥低壓卸荷，使系統更加節能.

3 控制系統的仿真

為研究電液懸掛液壓系統的工作特性，使用AMESim軟件建立了該液壓系統的計算模型.對圖3所示的液壓系統來說，其多數液壓元件都可以從AMESim軟件液壓庫中選取，但默認液壓模型無法設定閥開口面積及彈簧參數，這將會影響流量的分配關系，所以利用HCD(hydraulic component design)庫搭建比例流量閥、主定壓差閥的模型.其他機械元件從mechanical庫中選用，電磁閥均采用信號庫中的時序信號來實現控制.所建立的液壓系統仿真模型如圖5所示.

在仿真模式(simulation mode)下進行時域分析，主要元件參數的設置如表1所示.

設定左提升油缸負載5 MPa，右提升油缸負載10 MPa，同時讓控制提升的比例流量閥從第2秒開始，在10 s內從關閉開啟到最大，計算系統的工作特性如圖6所示.

從圖6(a)可以看出，在左側油缸負載5 MPa、右提升油缸負載10 MPa的情況下，當比例流量閥逐漸開啟時，2個液壓缸的位移基本相同，左提升油缸運動到427 mm時，右提升油缸位移419 mm，相差8 mm.所以，油缸運動基本不受外負載影響.由圖6(b)可看出，主定壓差閥流量隨著比例流量閥的開啟而逐漸減小，當比例流量閥全開時，主定壓差閥剛好全關，定量泵流量全部供給油缸，此時無旁路卸荷；當運動結束時，比例流量閥關閉，主定壓差閥流量又回到最大值20 L/min.

圖5 懸掛液壓系統仿真模型

表1 系統主要元件仿真參數

設定比例流量閥開口一定，左側油缸負載從第2秒開始，在10 s內從0增大到5 MPa，右側油缸負載從第2秒開始，在10 s內從0增大到10 MPa，計算系統的工作特性，如圖7所示.

圖7(a)為兩油缸的運動速度曲線.由圖7(a)知，在比例流量閥開口一定時，油缸外負載逐漸增加，兩油缸負載不同；油缸運動速度基本保持恒定，而左右油缸壓力隨著其負載變化；在2～12 s時，左提升油缸平均速度為41 mm/s，右提升油缸平均速度為42 mm/s，二者基本一致.圖7(b)為主定壓差閥的旁路卸荷流量.由圖7(b)知，隨著負載的增加，旁路卸荷流量并沒有增加，維持在10 L/min左右，保證了定量泵在向執行油缸提供流量時不隨負載變化.

(a)油缸位移曲線 (b)主定壓差閥旁路卸荷流量曲線

(a)油缸位移曲線 (b)主定壓差閥旁路卸荷流量曲線

4 結 論

本文從農機在作業時的基本要求出發，設計了定流量負載敏感型的懸掛液壓系統，分析了其運行機理與控制方法.并通過AMESim軟件搭建了系統的仿真模型，在定負載與變負載工況下對懸掛液壓系統特性進行了計算分析.結果表明，懸掛左右油缸的位移及流量曲線均滿足設計預期，該系統基本滿足農機的工作要求，可以不受外負載變化影響情況下實現2個油缸的復合動作，其速度誤差與位移誤差在5%以內.同時系統壓力為負載壓力與定壓差閥壓力之和，系統壓力隨負載的大小而變化.因此，該電液懸掛系統在使用過程中大大降低懸掛系統消耗的發動機功率，具有很好的推廣應用價值.