大中型拖拉机液压分配器的设计及其数字控制.pdf

2 0 1 1 年 2月 第 3 9卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T 0OL ＆ HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 l Vo 1 ． 3 9 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 1 9 大中型拖拉机液压分配器的设计及其数字控制 李金辉 ，裴翔 ，田辉 ，吕红兵 1 ．浙江工业大学，浙江杭州 3 1 0 0 1 4；2 ．杭州萧山区欢潭铸造厂，浙江杭 州 3 1 1 2 0 4； 3 ．浙江大学，浙江杭州 3 1 0 0 0 0 摘 要 拖拉机作 为主要的农 业机械 ，对农业生产 有 很大 的影 响 ，拖 拉机 产 品的质 量 、性 能等 决定一 个 国家 的农业水 平 。对拖拉机提升 系统 的主要 部件 分配器进行 系统 的分析和设 计 ，提出数字控 制方案 ，并对 其力位综 合控制性能进行 Ma t l a b 仿真 和实 验研究 。仿真和试验结果表 明设计 的分 配器能满足系统工作要求 ，且结构简单 。 关键词 拖拉机 ；提升系统 ； 分 配器 ； 数字控制 中图分类号 T HI 3 7 ． 8 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 l 1 4 0 6 1 3 De s i g n a nd Di g i t a l Co n t r o l o f La r g e a n d M e di u m S i z e d Tr a c t o r Hyd r a ul i c Di s t r i bu t o r L I J i n h u i ，P E I Xi a n g ，T I AN Hu i ，L V Ho n g b i n g 1 ． Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 4 ，C h i n a ； 2 ． Ha n g z h o u X i a o s h a n H u a n t a n F o u n d r y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 1 2 0 4，C h i n a ； 3 ． Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， Ha n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T r a c t o r s ，a s t h e ma i n a g r i c u l t u r a l m a c h i n e r y ， h a s a g r e a t i mp a c t o n a g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n ． Q u a l i t y a n d p e r f o r ma n c e o f t r a c t o r de t e r mi n e a c o u n t ry’ S a g nc u l t u r a l l e v e 1 ．Th e d i s t r i b ut o r ， a s t h e ma i n c omp o n e nt s o f t r a c t o r l i ft s y s t e m ，wa s a na l y z e d a nd d e s i g n e d a n d a di g i t a l c o n t r o l s c h e me wa s pu t f o r wa r d．The f o r c e d i s p l a c e me nt i nt e g r a t e d c o n t r o l p e r f o rm a n c e s o f t h e d i s t r i b u t o r we r e s i m u l a t e d a nd e x p e rime n t e d． Th e s i mu l a t i o n a n d e x pe r i me n t a l r e s ul t s s ho w t ha t t he de s i g ne d di s t r i b ut o r c a n me e t t h e wo r k i n g d e ma n d a n d h a s s i n l D I e s t r u c t u r e ． Ke y wo r d s T r a c t o r ；Ho i s t i n g s y s t e m；Di s t r i b u t o r Di g i t a l c o n t r o l 液压提升 系 统是农 用 拖 拉机 的重 要 工作 装 置之 一 ，其 作用是操作农 具 ，使农具升起或降落 以进行 田 间作业 。早在 2 0世纪 3 0年代 ，液压提升系统就 开始 大量地 应用 在拖 拉 机上 。液压 提升 系 统具 有机 动 性 好 、可 实现耕深调节 等优点 。 目前 我国大中型拖拉机 的液压 提升系统大多采用手工操作 ，只有简单的升降 功能 ，且在使用一段 时间后 ，易 出现农具 不能正常上 升或下 降 的故 障 ，且 故 障 率较 高。尤 其是 在 农 忙季 节 ，一旦 出现故障 ，会极大影 响农 民工作 。人们迫切 盼望用上可靠 、方便操纵 的拖拉机 。提高液压提 升系 统的性能 以及 实 现 自动控 制 已经 成 为 当前 的重要 命 题 。作 者在该方面做 了一定 的研究和探索 。 1 新 型分 配器 的分 析设计 以 C F T 0分配 器为 例进 行分 析 。图 1是 C F 7 0结 构剖面图 。原 C F 7 0分 配器具有 2个 单 向 阀，系 统利 用这两个单向阀的锥面实现 自锁” 。而要使系统实现 下降功能 ，又巧妙设计 了顶 杆 。由于主阀芯有一个斜 面 ，当其 向左运 动时 ，将提 升顶杆 ，继 而顶开单 向阀 2 ，使系统在负重的作用下下降。 ，主 阀芯 珥一 一 什l- _ ⋯ ⋯ - I H E 图 1 C F 7 0结构剖 面图 因此可 以看 出 C F 7 0的几点不足 1 该 分配器 采 用 了 2个 单 向阀 ，增 加 了相关 的成本及故障点 ； 2 主阀芯对 单 向阀 的机械控 制 方式采 用 了垂 直推动式的控制方式 ，这种方式会 使主阀芯受到一定 的磨 损和易卡死 ，使 得主阀芯 的操纵方 向有一个 9 0 。 的转向 ，造成 分配器 故障率 较高。 为了解决 上述 问题 ，设计 了新 型分配器 ，结构示 意图和原理 图如图 2、3所 示 ，该分 配器 主要 由主阀 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 2 作者简介 李金辉 1 9 8 3 一 ，男 ，硕士研究生 ，研究方向为流体力学传动与控制。电话1 5 9 6 7 8 8 1 9 1 0， 1 63． C O l D。 6 2 机床与液压 第 3 9卷 芯 1 、挡块 2 、单 向阀 3 、分配器壳 4 、液控单 向阀 5 等构成。 图 2 新型分配器结构 图 l 一 主 阔 芯 2 一 挡块 3 一 单 向阀 4 一 液控 单 向阀 s 一 分配 器体 图 3新 型 分 配 器 原 理 图 主阀为三位 四通 阀 ，除了实现提 升系统 的上升 、 中立、下降3种功能，兼有速度调节阀 的作用。工 作原理如下 1 提升。如 图3所示 ，当主 阀阀芯 1 处 于最外 面的时候 ，液控单 向阀关闭 ，此 时系统油液进人进油 通道 ，在液压力的作用下将单向阀阀芯顶开 ，推动液 压缸运动 。 2 中立 。当 主 阀 阀 芯 1向右 运 动一 个 位 置 即处于 中问位置 时 ，进油 通道 和液控 单 向阀 的油 路关闭， 液控单向阀开启，系统的进油直接回油箱； 油缸在单 向阀的 自锁作用下保持不动。 3 下降。当主 阀阀芯 l再 向右运动 一个位 置 即阀芯处于最里 面位 置时 ，进 油通道 和液 控单 向 阀的油路关 闭 ，液控单向阀开启 ，系统的进油直接 回 油箱 ；主阀阀芯推动挡块 2向右运动 ，靠该机械力 的 作用将单 向阀的阀芯顶起 ，使单 向 阀处 于打开状 态 ， 油缸内的油液在系统负载 自重的作用下流回油箱 ，从 而产生下降作用。 改进后的分配器具有以下几个优点 1 结构 的优化 。改进 后 的结 构 只保 留 了 1个 单 向阀，增加 了密封的可靠性 ；由此 ，主阀对单向阀 的机械推动方式也从 垂直式变为直动式 ，减少了单向 阀阀芯和主阀阀芯的磨损 。 2 使用 了液控 单 向阀 ，整体 结 构简单 。通过 主阀的运动来控制液控单向阀的开启和关闭，作用力 与运动方向一致 。 3 下降速 度 的控制 。改进 后 的结构 中主控 制 阀 三位 四通兼 有下 降速度调节阀的功能。 2数字控 制 原 C F 7 0提 升 器 靠 人 工操 作 ，未 实 现 自动化 控 制，系统靠力 调节 弹簧变形实现力调节控制 ，通过控 制操作柄的位置，实现位调节控制。但是这种设计无 法实现精确的设定 ，存在操作误差 。 设计 的新型分配器能实现 自动化控制 ，实现力位 综合控制 ，而且设计更为人性化 ，可以根据实 际需要 设定相关 的工作参数。 控制方案如图 4所示 ，在拖拉机整机的动作机构 中增加 了位移传感器 、在分配器的工作 口增加 了一个 压力传感器。压力检测装置、位移检测装置将检测信 号传送给数据采集控制器 ，再通过反馈 比较器 ，将 比 较信号传送给控制器 ，控 制步进 电机 的运 动，实现 精确的闭环控制 1 当反馈过来的压力信号、位 移信号没有达到设 定的值 ，分配器将继续处于上升状 态； 2 当反馈过来的压力信号或者位移信号 只 要有一个达到设定的值，控制器将驱动电机、带 动主阀芯 向右运 动 ，使分 配器处 于 中立或者 下 降状 态。该 电液数字控制可以实现拖拉机的力调节 、位调 节及力位综合控制 。 图4 控制原理示意图 如 图 4中所示 ，步进 电机是控制机构 中的动力机 构 ，用于控制分配器 主阀芯的运动。 电液 数 字 控 制 的 硬件 组成 包 括 信 号 采集控 制板 和 步进 电 机控 制器 ，分别 图 5 、 6所 示。 图5 信号采集控制板 第 4期 李金辉 等 大 中型拖拉机 液压分配器的设计 及其数字控制 6 3 图 6 步进 电机控制器 3系统仿 真和 实验 研究 3 ． 1 系统仿 真 通过建立 的数 学模 型应 用 四阶龙 格 库塔 进 行 数值仿真 。作者对新型分配器进行仿真 ，研究不 同阀 开 口量对机体的冲击性影响和响应特性 。仿真结果如 图 7、8示 。 4 0 3 0 主 2 0 1 0 0 图7 压力 一时间 图 8 位移 一时问仿真 图 仿真 结果表 明 ，阀开 口量 的大小将 影响整机的冲 击性 能和响应特性 ，增 大阀开 口量将 提高这 两方面的 性 能。 3 ． 2 实验研 究 搭建 实 验 台 ，对 所设 计 的新 型分配器进行实验研究 。 实验 台如 图 9示。试 验结 果 如 图 1 0 一l 2示 。 图 1 O 图 9 实验 台 业机组速度图 图 1 2 d 2 ． 0 m m时压力 一时 问图 实验结果表 明 整 个机体在 阀 口刚开时有较大 的 冲击 ，随着负载 的提升 ，系统将会产生俯仰 ；阀开 口 量为 2 ． 0 m m时 ，系统冲击较少 ，而且 响应较 快 ，满 足系统要求。 4 结论 1 新结 构 相 比原 结构 有 两个 显著 的改 进 ① 主阀芯对 于单向阀芯的推动采用水平推 动方式 ，作用 力与运 动方 向一致 ，这种推动方式较为平稳 ；②系统 只采用 了一个单 向阀 ，增加 了工作可靠性 。 2 改进后的系统满足工作要求 ，且 结构简化。 3 实现 了数 字控 制 ，但 是 增加 了系统 的控 制 成本 。 参考文献 【 1 】彭熙伟， 陈建萍 ， 李金仓． 单向阀的特性及应用[ J ] ． 液 压与气动 ， 2 0 0 4 1 6 06 1 ． 【 2 】马玉山， 相海军， 傅卫平 ， 等． 调节阀阀 变开度振动分 析[ J ] ． 仪器仪表学报， 2 0 0 7 ， 2 8 6 1 0 8 71 0 9 2 ． 【 3 】汤一平 ， 骆涵 秀， 李肇震． 电液微机速 度控制装 置 [ C] ／ ／ 中国机械工程 学会 流体 传动 与控 制专 业学 会 沦义 集 ， 1 98 7． 【 4 】尹修杰． 拖拉机作业机组 电液耕深控制方法 的研究 [ D] ． 北京 中国农业 大学 ， 2 0 0 7 ． 【 5 】黄永安 ， 马路 ， 刘慧． MA T L A B 7 ． 0 ／ S i mu l i n k 6 ． 0建模仿 真 开发 与高级 工程应 用 [ M] ． 北 京 清华 大 学 出版社 ， 2 0 051 5 4 1 83． 上接 第 6 0页 速度 控制 系统性能完 全符合 提 升装 置 的要求 。但 是 由 B o d e图对 比可知 系统 的穿 越 频 率 减 小 了 。可 以 说系 统性能 的提高是 以降低 系统 的响应 速 度来 实现 的 。 6结 论 作者利用数字阀调速来控制铅电解残阳极洗涤生 产线 中的提升装置 ，建 立了电液数字 速度控 制系统数 学模型 ，在此基 础上 利用开 环 B o d e图对 闭环 系统 的 相对稳定 性进行 分析 ，可知系统的稳定性很差 。在增 加 P I D校正环节后 ，对 系统进 行仿真 分析 ，系统稳定 性 提高 ，超调量减小 ，震荡平缓 ，但系统的响应却变 慢 了 ，但仍满足速度控 制要求 。 参考文献 【 1 】王小丽． 电液数字控制技术在提升装置中的应用研究 [ D ] ． 昆明 昆明理T大学 ， 2 0 1 0 ． 【 2 】武鹏 色 ． 电液比例控制技术在高速提升系统上的应用研 究 [ D] ． 昆 明 昆明理工大学 ， 2 0 0 9 【 3 】李松晶， 阮健， 弓永军． 先进液压传动技术概论[ M] ． 哈 尔滨 哈尔滨工业大学出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 4 】阮健． 电液 气 直接式数字控制技术 [ M] ． 杭州 浙江 大学 出版社 ， 1 9 9 9 ． 【 5 】李仪钰． 矿山机械 提升运输机部分 [ M] ． 北京 高等 教育出版社 ， 1 9 8 0 ．