拖拉機輪胎壓力多態控制系統淺析

張彬彬 ，尹晨旭 ，井 儀 ，蔣亞波 ，程 乾

（第一拖拉機股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471004）

0 引言

拖拉機是主要用于牽引和驅動各種配套機具，完成農業田間作業、運輸作業等的動力機械[1]。在不同作業環境以及拖拉機轉場運輸過程中，拖拉機對自身輪胎的胎壓需求不同。

以東方紅某200 馬力四輪驅動拖拉機為例，出廠的輪胎壓力一般為180 kPa 左右，在深耕作業時前輪胎壓力一般為98 kPa~118 kPa，后輪胎壓力為98 kPa~118 kPa；在運輸作業時前輪胎壓力一般為147 kPa~196 kPa，后輪胎壓力為147 kPa~196 kPa；不同作業環境下輪胎壓力相差多達50 kPa[2]。此外，不同馬力段的拖拉機在不同工況下的胎壓需求亦不相同，但相同工況下胎壓要求區別不大。

不同土壤形態對拖拉機的胎壓需求也不一樣[3]，針對不同的作業環境合理調節輪胎壓力，可提高拖拉機的作業能力，特別是在深耕作業時，將胎壓降至100 kPa，可提高牽引功率6%~8%，增大輪胎接地面積約5%，減少油耗約6%。在運輸作業時，將胎壓升至170 kPa，可降低輪胎接地面積約5%，降低輪胎磨損程度，延長輪胎使用壽命，另外可減少油耗約6%[4]。

針對不同拖拉機工況及時調節合適的輪胎壓力至關重要，但由于拖拉機的作業環境和工況時常變化，且拖拉機在作業時大多數地區不具備對輪胎進行充放氣的條件，在實際作業過程中基本沒有用戶對輪胎壓力進行合理調節。因此，本文致力于開發一種快捷方便的拖拉機輪胎壓力多態控制系統，以解決目前拖拉機作業過程中胎壓無法調節的問題。

1 設計過程

1.1 方案討論

要實現對行駛過程中的拖拉機胎壓的自動調整，需要解決氣源問題[5-10]。在本文中研究的胎壓控制系統以拖拉機氣泵為氣源。氣泵與拖拉機發動機齒輪連接，在拖拉機啟動狀態下氣泵工作產生壓縮氣體，壓縮氣體經過卸荷閥（也稱調壓閥）進入儲氣筒，儲存在儲氣筒內。當儲氣筒中氣體充滿，系統壓力達到0.7 MPa 時，調壓閥開啟，開始卸荷，確保整個控制系統壓力穩定。當控制系統檢測到需要充氣時，會控制換向閥動作，儲氣筒內的壓縮空氣通過換向閥進入輪胎實現充氣；當控制系統檢測到需要放氣時，同樣會控制換向閥動作，使輪胎和大氣氣路接通，實現輪胎放氣。

1.2 原理設計

拖拉機輪胎壓力多態控制系統原理圖如圖1 所示，拖拉機輪胎壓力多態控制系統包括控制器8、壓力傳感器6 和輪胎充放氣執行機構。在控制器8 內預設有多種對應不同作業形態的輪胎壓力標準值，壓力傳感器6 用于檢測輪胎壓力并將輪胎壓力值傳送給控制器8，控制器8 用于將壓力傳感器6 傳送來的輪胎壓力值與控制器8 內對應作業形態下的輪胎壓力標準值相比較，并根據比較結果向輪胎充放氣執行機構發出給輪胎充氣/放氣或者保持不動的命令，實現對輪胎壓力的智能控制。與控制器8 連接設有用于選擇作業形態的多態選擇開關9。

圖1 拖拉機輪胎壓力多態控制系統原理圖

輪胎充放氣執行機構包括氣泵1 以及連接氣泵1的儲氣筒4，與儲氣筒4 連接設有四個氣動電磁換向閥7，四個氣動電磁換向閥7 分別對應控制四個輪胎的充氣和放氣，并且四個氣動電磁換向閥7 分別通過各自的信號線（圖1 中雙點劃線表示的氣路控制線路）與控制器8 相連接；每個輪胎對應設有一個壓力傳感器6，壓力傳感器6 設置在氣動電磁換向閥7 與對應輪胎之間的空氣管路中，并且每個壓力傳感器6均通過各自的信號線（圖1 中虛線表示的氣壓傳感線路）與控制器8 相連接。

氣泵1 在拖拉機啟動狀態下不斷向整個控制系統提供0.8 MPa 的穩定氣源，正常情況下，四組氣動電磁換向閥7 處于中位（O 型），氣體都儲存在儲氣筒4中，當儲氣筒4 中氣體充滿，系統壓力達到0.7 MPa時，卸荷閥2 閥芯開啟，開始卸荷，確保整個控制系統壓力穩定、安全。當駕駛員通過多態選擇開關9 選擇相應工作模式（對應為作業形態）時，輪胎的實際壓力（即當前輪胎壓力）通過壓力傳感器6 反饋至控制器8，控制器8 將當前輪胎壓力與控制器中預設的對應作業形態的輪胎壓力標準值相比較，根據對比結果控制氣動電磁換向閥7 的啟閉，從而對輪胎進行充氣或放氣。

當輪胎壓力小于預設的輪胎壓力標準值，需要充氣時，控制器8 控制相應的氣動電磁換向閥7 左位處于作業形態，儲氣筒4 向相應的輪胎充氣，輪胎壓力達到控制器8 中預設的輪胎壓力標準值時，控制相應的氣動電磁換向閥7 中位處于作業形態，即停止充氣。當輪胎壓力大于預設的輪胎壓力標準值，需要放氣時，控制器8 控制相應的氣動電磁換向閥7 右位處于作業形態，輪胎內的氣體通過氣動電磁換向閥7 右位排出，輪胎壓力達到控制器8 中預設的輪胎壓力標準值時，控制相應的氣動電磁換向閥7 中位處于作業形態，即停止放氣。

1.3 結構設計

拖拉機輪胎壓力多態控制系統結構圖如圖2 所示。其中，氣泵1 缸徑為65 mm，排量為100 L/min，額定排氣壓力為0.8 MPa，可為整套系統提供0.8 MPa 的穩定氣源；卸荷閥2 設定卸荷壓力為0.7 MPa，系統的壓力超過0.7 MPa 時卸荷閥2 自動打開開始卸荷，保證整個系統的安全性。為了避免卸荷閥2 發生故障無法正常卸荷，導致儲氣筒4 中壓力一直升高產生爆裂，儲氣筒4 上還設置有安全閥5（開啟壓力為0.85 MPa）。在儲氣筒4 的底部設置有放水閥3，通過打開放水閥3 可快速排除儲氣筒4 內積累的水、油污，保證系統氣源清潔。

圖2 拖拉機輪胎壓力多態控制系統結構圖

當儲氣筒的氣壓達到設定壓力后，卸荷閥靠自身的結構切斷空壓機至儲氣筒之間的氣路，同時使空壓機排氣直接通往大氣，實現卸荷。卸荷閥具體工作原理如圖3 所示。

圖3 卸荷閥工作原理圖

壓縮空氣通過進氣口A 進入，經過過濾網B、斜孔C，再經過單向閥D 由出氣口2 口輸出。同時，一部分氣體經反饋氣路E 分別作用在膜片F 和進氣閥門G 上，當2 口的氣壓達到調定的壓力時，氣壓推動膜片F、壓縮彈簧H，打開進氣閥門G，進入I 腔，推動排氣活塞J，打開排氣閥門K，使A 腔的壓縮空氣連同過濾網B 上濾下的水、雜質一起從3 口排出，使空壓機處于空載狀態。

2 裝車驗證

如圖4 所示，該系統中每個壓力傳感器均通過各自的傳感器固定裝置設置在相應車輪的輪轂上。傳感器固定裝置包括一個與車輪輪轂固定連接的U 型支架，U 型支架的兩個支腳端部設有內彎的下翻邊，所述的下翻邊通過連接螺栓與車輪的輪轂固定連接。在U 型支架的底部外側固定連接有一個外套筒，外套筒的一端與U 型支架的底部固定連接，外套筒內套設有內套筒，內套筒與外套筒遠離U 型支架的一端動密封配合安裝，內套筒伸進外套筒內的長度小于外套筒的長度，從而使外套筒內腔與內套筒內腔相連通。在內套筒遠離U 型支架的一端連接有一個氣路連接器，氣路連接器與氣動電磁換向閥之間通過空氣輸送管路連接，壓力傳感器也連接在氣路連接器上。在外套筒上連接有用于與輪胎充氣門連接的充氣管路，空氣輸送管路與充氣管路均為氣動電磁換向閥與對應輪胎之間的空氣管路的一部分。

圖4 拖拉機輪胎壓力多態控制系統支架裝配圖

在外套筒和內套筒之間設有軸承，外套筒與軸承外圈過盈配合，內套筒與軸承內圈過盈配合并由鎖緊螺母壓緊，鎖緊蓋板壓緊旋轉密封圈使外套筒內部形成密封空間，氣路連接器通過過渡接頭與內套筒連接，氣路連接器和內套筒通過軸承與外套筒可進行相對轉動。

3 結語

該系統中預設有多種對應不同作業形態的輪胎壓力標準值，通過分析對應作業形態下的作業形式、土壤形態等多種因素對拖拉機牽引力的影響，對輪胎的摩擦力、剪切力等理論數據進行計算，再根據不同農機具工作時對牽引力的影響及需求，結合實際田間試驗數據，總結得出不同作業形態的輪胎壓力標準值如下：運輸模式下，輪胎壓力標準值為180 kPa~200 kPa；中耕模式下，輪胎壓力標準值為210 kPa~220 kPa；旋耕模式下，輪胎壓力標準值為120 kPa~130 kPa；犁耙模式下，輪胎壓力標準值為90 kPa~100 kPa。以上各作業模式，對應不同作業環境，也即對應不同作業形態。

不同作業環境下選擇相應合理的輪胎壓力可提高牽引功率6%~8%，充分發揮拖拉機功率，從而發揮拖拉機最大牽引力，并可提高作業效率、降低油耗。此外，該系統操作簡單方便，駕駛員在駕駛室內通過多態開關根據不同作業形式便可選擇相應作業形態對應的輪胎壓力標準值，在控制器的控制下自動調節胎壓以適應當前的作業形態。