拖拉機自動駕駛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究*

趙 軍，趙琳苑，李霄偉

（黑龍江八一農(nóng)墾大學，黑龍江 大慶 163319）

拖拉機自動駕駛技術(shù)可以提高作業(yè)精度，降低生產(chǎn)成本，減少重播漏播，提高作業(yè)質(zhì)量，是拖拉機現(xiàn)代化和智能化的根本要求。拖拉機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是地面自動駕駛車輛的底層關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)學者的主要研究成果是對拖拉機轉(zhuǎn)向油路進行改造，通過加裝的電液比例閥控制轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，通過電磁閥實現(xiàn)手動駕駛與自動駕駛的切換。本系統(tǒng)通過對并聯(lián)于全液壓轉(zhuǎn)向器的液壓回路和轉(zhuǎn)向集成閥塊的設計，能夠?qū)崿F(xiàn)手動駕駛與自動駕駛的自動切換，完全滿足自動駕駛的要求。

1 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1.1 液壓回路

拖拉機自動駕駛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖如圖1所示，該液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向器、邏輯閥、比例換向閥、液壓鎖、梭閥等組成。液壓系統(tǒng)中的優(yōu)先閥用來實現(xiàn)手動駕駛和自動駕駛的自動切換，拖拉機啟動后為手動駕駛模式，方向盤與轉(zhuǎn)向器直接相連，手動轉(zhuǎn)向。自動駕駛時，比例換向閥接受控制器信號，優(yōu)先閥換向，切斷手動轉(zhuǎn)向回路，實現(xiàn)自動駕駛。控制器計算出目標轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的偏差，比例換向閥控制轉(zhuǎn)向和流量的大小[1]。

圖1 自動駕駛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1.2 轉(zhuǎn)向閥塊設計

設計的液壓回路中的液壓閥封裝在集成塊中，在集成塊內(nèi)布置和聯(lián)通，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高度集成的特點，簡化了液壓系統(tǒng)的空間布局，增加了系統(tǒng)的集成度。液壓集成閥塊是集成后的閥及聯(lián)通管路，根據(jù)液壓回路原理圖，將優(yōu)先閥、液壓鎖、梭閥集成于閥塊內(nèi)，液壓閥和油口合理布置到液壓集成閥塊的相關(guān)位置，并設計相關(guān)孔道，實現(xiàn)原理圖要求的通斷關(guān)系[2-3]。根據(jù)液壓閥的流量、壓力范圍以及流量-壓力曲線，選擇合適的元件。

油道通徑大小適中，計算如下：

閥塊內(nèi)連通回油管油道的通徑流速為2.5 m/s~4 m/s，連通高壓油管油道的通徑流速為6 m/s~8 m/s。確定油道最小通徑為6 mm，最大通徑為12 mm，閥塊壁厚為5 mm。

2 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真

2.1 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，針對自動轉(zhuǎn)向部分，進行液壓缸的動作仿真。進入AMESim環(huán)境，利用Sketch模式并調(diào)用系統(tǒng)提供的液壓庫、機械庫建立液壓系統(tǒng)仿真模型[4]，如圖2所示。仿真系統(tǒng)所用模型均被參數(shù)化，如液壓缸的缸徑為63 mm，活塞桿直徑為40 mm，行程為300 mm。其他元件的參數(shù)均進行了參數(shù)化設定。

圖2 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型

2.2 仿真結(jié)果分析

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在負載不變的情況下，接收到不同的角位移信號，觀察油缸運動速度。仿真中質(zhì)量負載和外負載不變，仿真時間為20 s，通過調(diào)節(jié)與電磁比例換向閥相連的信號源，輸入不同的信號，得到油缸運動位移以及速度的仿真曲線如圖3、圖4所示[5]。

圖3 不同輸入信號下油缸的位移曲線

圖4 不同輸入信號下油缸的速度曲線

由以上曲線可以清楚地反映在不同的輸入信號下，液壓缸的運動速度和運動位移動態(tài)過程中的差別。由圖3可以看出，油缸在不同的信號下，位移逐漸增加并在達到相應的角度后趨于平穩(wěn)；由圖4可以看出，在不同的輸入信號下，油缸的速度隨之變化，并且逐漸增加到一個恒定值，繼續(xù)進行運動直至達到輸入值。由仿真結(jié)果可以看出，在不同輸入信號下油缸運動平穩(wěn)，滿足轉(zhuǎn)向要求。

圖3 株高莖粗正態(tài)性檢驗圖

設定電磁比例換向閥的輸入信號，依次對應著左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向，仿真時間20 s，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5可知，液壓缸在伸出過程中，4.1 s即可達到最大行程0.3 m。液壓缸從第8 s開始縮回，縮回完成時間約為3.2 s，滿足系統(tǒng)的設計要求。圖6的速度響應時間、滿足要求。表明液壓系統(tǒng)能夠很好地完成左轉(zhuǎn)向、停止以及右轉(zhuǎn)向動作，活塞在左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向時基本勻速運動，不轉(zhuǎn)向，不運動。

圖5 活塞桿位移隨時間變化曲線

圖6 活塞桿速度隨時間變化曲線

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能試驗

為了驗證該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可行性，設計了轉(zhuǎn)向試驗臺架。試驗臺架主要由液壓泵站、轉(zhuǎn)向閥塊、車輪轉(zhuǎn)向裝置三部分組成。轉(zhuǎn)向驗證試驗進行了轉(zhuǎn)向動作驗證試驗和自動駕駛模式與手動駕駛模式切換驗證試驗。

轉(zhuǎn)向動作驗證試驗時，打開試驗臺電源開關(guān)，開啟液壓泵站，向電磁比例閥隨機輸入幾個轉(zhuǎn)向電壓信號，拖拉機車輪能夠隨之轉(zhuǎn)動；再對電磁比例換向閥輸入一個轉(zhuǎn)向來回信號，拖拉機能夠完成一個轉(zhuǎn)向來回，且轉(zhuǎn)向速度穩(wěn)定，說明該系統(tǒng)設計合理，滿足轉(zhuǎn)向需求。

自動駕駛模式與手動駕駛模式切換試驗時，打開試驗臺電源開關(guān)，開啟液壓泵站，向電磁比例閥輸入轉(zhuǎn)向信號，拖拉機處于自動駕駛模式，接著轉(zhuǎn)動方向盤，電磁比例閥斷電停止工作，轉(zhuǎn)向輪能隨著方向盤的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，說明該系統(tǒng)能夠自動切換手動駕駛模式及自動駕駛模式，滿足設計預期。

4 總結(jié)

1）液壓回路及轉(zhuǎn)向閥塊能夠滿足拖拉機液壓轉(zhuǎn)向要求，能夠?qū)崿F(xiàn)自動駕駛模式與手動駕駛模式的自動切換，易于實現(xiàn)自動化控制。

2）液壓回路中的邏輯閥和梭閥的設計，很好地解決了兩種駕駛方式的切換。

3）液壓轉(zhuǎn)向閥塊高度集成，簡化系統(tǒng)油路，減少管路布置及泄漏，是自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一次創(chuàng)新性設計。

4）仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作狀態(tài)均與設計參數(shù)相符合，驗證了模型的正確性和可行性。轉(zhuǎn)向試驗驗證結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計合理，滿足轉(zhuǎn)向要求。