拖拉機自動駕駛液壓轉向系統研究*

趙 軍，趙琳苑，李霄偉

（黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319）

拖拉機自動駕駛技術可以提高作業精度，降低生產成本，減少重播漏播，提高作業質量，是拖拉機現代化和智能化的根本要求。拖拉機液壓轉向系統是地面自動駕駛車輛的底層關鍵技術之一，國內學者的主要研究成果是對拖拉機轉向油路進行改造，通過加裝的電液比例閥控制轉向和轉速，通過電磁閥實現手動駕駛與自動駕駛的切換。本系統通過對并聯于全液壓轉向器的液壓回路和轉向集成閥塊的設計，能夠實現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 液壓轉向系統

1.1 液壓回路

拖拉機自動駕駛液壓轉向系統原理圖如圖1所示，該液壓轉向系統主要由轉向器、邏輯閥、比例換向閥、液壓鎖、梭閥等組成。液壓系統中的優先閥用來實現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，方向盤與轉向器直接相連，手動轉向。自動駕駛時，比例換向閥接受控制器信號，優先閥換向，切斷手動轉向回路，實現自動駕駛。控制器計算出目標轉角與實際轉角的偏差，比例換向閥控制轉向和流量的大小[1]。

圖1 自動駕駛液壓轉向系統

1.2 轉向閥塊設計

設計的液壓回路中的液壓閥封裝在集成塊中，在集成塊內布置和聯通，具有結構緊湊、高度集成的特點，簡化了液壓系統的空間布局，增加了系統的集成度。液壓集成閥塊是集成后的閥及聯通管路，根據液壓回路原理圖，將優先閥、液壓鎖、梭閥集成于閥塊內，液壓閥和油口合理布置到液壓集成閥塊的相關位置，并設計相關孔道，實現原理圖要求的通斷關系[2-3]。根據液壓閥的流量、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 液壓轉向系統仿真

2.1 液壓轉向系統建模

根據液壓系統原理圖，針對自動轉向部分，進行液壓缸的動作仿真。進入AMESim環境，利用Sketch模式并調用系統提供的液壓庫、機械庫建立液壓系統仿真模型[4]，如圖2所示。仿真系統所用模型均被參數化，如液壓缸的缸徑為63 mm，活塞桿直徑為40 mm，行程為300 mm。其他元件的參數均進行了參數化設定。

圖2 液壓轉向系統仿真模型

2.2 仿真結果分析

轉向系統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。仿真中質量負載和外負載不變，仿真時間為20 s，通過調節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；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，繼續進行運動直至達到輸入值。由仿真結果可以看出，在不同輸入信號下油缸運動平穩，滿足轉向要求。

圖3 株高莖粗正態性檢驗圖

設定電磁比例換向閥的輸入信號，依次對應著左轉向、右轉向，仿真時間20 s，仿真結果如圖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，滿足系統的設計要求。圖6的速度響應時間、滿足要求。表明液壓系統能夠很好地完成左轉向、停止以及右轉向動作，活塞在左轉向和右轉向時基本勻速運動，不轉向，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 轉向系統性能試驗

為了驗證該轉向系統的可行性，設計了轉向試驗臺架。試驗臺架主要由液壓泵站、轉向閥塊、車輪轉向裝置三部分組成。轉向驗證試驗進行了轉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。

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

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，開啟液壓泵站，向電磁比例閥輸入轉向信號，拖拉機處于自動駕駛模式，接著轉動方向盤，電磁比例閥斷電停止工作，轉向輪能隨著方向盤的轉動而轉動，說明該系統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

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

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）液壓轉向閥塊高度集成，簡化系統油路，減少管路布置及泄漏，是自動轉向系統的一次創新性設計。

4）仿真結果表明，轉向系統的工作狀態均與設計參數相符合，驗證了模型的正確性和可行性。轉向試驗驗證結果表明，轉向系統設計合理，滿足轉向要求。