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第1章 緒論 1.1 引言 拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)主要用來在使用過程中根據(jù)外界條件或者特定要求對農(nóng)機(jī)具進(jìn)行調(diào)節(jié)，對農(nóng)機(jī)具調(diào)節(jié)的方式比較常用的有：位置調(diào)節(jié)，阻力調(diào)節(jié)，力位綜合調(diào)節(jié)等，還有在非耕作情況下對農(nóng)機(jī)具實(shí)現(xiàn)快速上升和下降的調(diào)節(jié)。在前面的調(diào)節(jié)方式中，位置調(diào)節(jié)則由提升器的位調(diào)節(jié)手柄或油缸限位卡箍來控制農(nóng)具與拖拉機(jī)之間的相對位置，以保證農(nóng)具在選定的耕深下工作。力調(diào)節(jié)的作用在于當(dāng)土壤密度或地表面變化而使負(fù)荷增加時(shí)，提升器會自動將農(nóng)具提升，當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)會自動將農(nóng)具下降，通過自動升降農(nóng)具保持工作負(fù)荷的穩(wěn)定。同時(shí)考慮到在土壤比阻變化比較大的情況下，力調(diào)節(jié)只能保證發(fā)動機(jī)的負(fù)荷的穩(wěn)定性而不能保證耕深的均勻性，因此提出了力位綜合調(diào)節(jié)，綜合調(diào)節(jié)法的基礎(chǔ)是阻力控制法，在土壤比阻均勻條件下，還是要盡量保持發(fā)動機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定的，只是在比阻變化較大時(shí)，它才靠犧牲發(fā)動機(jī)負(fù)荷的穩(wěn)定來保持耕深的比較穩(wěn)定。傳統(tǒng)的拖拉機(jī)液壓懸 掛機(jī)組的控制方式是機(jī)液控制系統(tǒng)，從70年代它逐漸被電液控制系統(tǒng)代替[1]。進(jìn)入21世紀(jì)后，拖拉機(jī)向低排放、低油耗、大功率、智能化、舒適性方向發(fā)展，機(jī)械式的控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)布置和性能方面已不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)機(jī)發(fā)展的要求。將農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備技術(shù)融合現(xiàn)代液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)，可極大地提高液壓懸掛系統(tǒng)操作的舒適性和簡捷性，準(zhǔn)確、快速地使用和調(diào)節(jié)液壓懸掛系統(tǒng)，可提高生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量。因此，對傳統(tǒng)式液壓懸掛系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)勢在必行。 1.2 研究背景和研究意義 1.2.1 研究背景 農(nóng)業(yè)機(jī)械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志和內(nèi)容。世界發(fā)達(dá)國家己在上世紀(jì)60年代至70年代就實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，各國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展歷程表明，農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化不可逾越的階段。農(nóng)業(yè)機(jī)械化作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的載體，把計(jì)算機(jī)、自然科學(xué)等引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，使現(xiàn)代工程技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用，極大地改善了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，大大提高農(nóng)業(yè)勞動資源利用率、生產(chǎn)率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品商品化率。 拖拉機(jī)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化、機(jī)械化和現(xiàn)代化不可缺少的重要機(jī)械。我國的拖拉機(jī)工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。小型拖拉機(jī)的生產(chǎn)能力己超過200萬臺，目前大中型拖拉機(jī)的生產(chǎn)能力己超過10萬臺，各類拖拉機(jī)的擁有量已超過1000萬臺，。但隨著我國加入世界貿(mào)易組織（WTO），大量具有高新技術(shù)裝備并且性能優(yōu)良的拖拉機(jī)產(chǎn)品將會涌入中國市場，這對產(chǎn)品技術(shù)含量相對較低的國內(nèi)拖拉機(jī)工業(yè)來說，將會面臨巨大的沖擊。如何適應(yīng)市場需要，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高產(chǎn)品的科技含量，改善產(chǎn)品的技術(shù)性能，將是我國拖拉機(jī)工業(yè)所需要解決的重要問題。 1.2.2研究意義 隨著新興科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、電子控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，對拖拉機(jī)工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響和滲透。各國研究人員都認(rèn)識到拖拉機(jī)往智能方向發(fā)張是大勢所趨，但是當(dāng)前我國國內(nèi)拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)還處于起步階段，在電控液壓懸掛系統(tǒng)控制技術(shù)的開發(fā)和設(shè)計(jì)上來說更是比較薄弱，所以我們還需努力改變這一現(xiàn)狀。本課題選擇拖拉機(jī)液壓懸掛裝置及其農(nóng)具配套機(jī)組為主要對象，探討和研究其在實(shí)現(xiàn)機(jī)--電--液智能控制方面的關(guān)鍵技術(shù)，從而有助于提高我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化和智能化水平，有助于提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)效率和資源利用率的發(fā)展。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 對拖拉機(jī)的液壓懸掛系統(tǒng)進(jìn)行微機(jī)電子自動控制早在70年代就出現(xiàn)了，并且在市場上已經(jīng)出現(xiàn)了可使用的產(chǎn)品，如日本芝浦公司的IC控制系統(tǒng)具有位調(diào)節(jié)、力調(diào)節(jié)控制功能外，還具有旋耕作業(yè)時(shí)控制旋耕深度的功能，拖拉機(jī)左右傾斜作業(yè)時(shí)，還具有在控制農(nóng)機(jī)耕深的同時(shí)還保證農(nóng)機(jī)具左右傾斜角的功能以保證耕作質(zhì)量[2]．德國博世（BOSCH）公司提供的電液控制提升器已配置在戴姆勒奔馳、麥賽福格森等公司的大功率拖拉機(jī)上，它有利于提高拖拉機(jī)的效率，該系統(tǒng)具有位置調(diào)節(jié)、阻力調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)和高度調(diào)節(jié)控制功能。以富格森公司3000系列拖拉機(jī)所用的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例：它是利用一個(gè)小型微處理器把力、位傳感器輸出信號與駕駛室儀表盤上給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡，自動完成必要的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)中裝有傳感器開關(guān)、深度控制指針、靈敏度指示盤和升降指示燈[3]。 七、八十年廣泛研究的懸掛牽引測力儀,以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用在懸掛系統(tǒng)中進(jìn)行懸掛裝置的計(jì)算和設(shè)計(jì)。在牽引力控制系統(tǒng)中采用電液比例換向閥時(shí)，理論上算出的控制器的增益往往比較保守，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際增益可以取得比理論值大[4]，這為建立控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)提供了參考。文獻(xiàn)[5]提出以拖拉機(jī)的滑轉(zhuǎn)率來控制變速檔位、發(fā)動機(jī)狀況、工作裝置的力調(diào)節(jié)，使各方面配合以達(dá)到機(jī)器耕作高能效低油耗目的。文獻(xiàn)[6]以牽引力數(shù)學(xué)模型來描述耕深、速度、土壤阻力三變量對牽引部分的影響，并考察了“耕深—力”、“速度—力”、“土壤阻力—力”三模型的動態(tài)特性，是進(jìn)行設(shè)計(jì)液壓懸掛控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電液比例換向閥逐漸被應(yīng)用于農(nóng)用機(jī)械中，首先對控制系統(tǒng)建模，然后進(jìn)行了開環(huán)、閉環(huán)傳遞函數(shù)分析、室內(nèi)試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化來驗(yàn)證及對比，得出系統(tǒng)在優(yōu)化后對 25mm 的階躍信號的響應(yīng)時(shí)間為 250mm，比經(jīng)驗(yàn)值提高了 23%，控制精度也增加不少。 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 而在我國，拖拉機(jī)上運(yùn)用帶有阻力調(diào)節(jié)、位置調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)的液壓懸掛系統(tǒng)出現(xiàn)的則比較晚。按時(shí)間劃分下面幾個(gè)階段：第一階段為初步研究階段。在70年代中期，我國一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)對某些型號的拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)的性能進(jìn)行了田間耕作試驗(yàn)，希望從中找出一些有規(guī)律的東西來，但是由于種種原因，如土質(zhì)的影響，季節(jié)的影響，試驗(yàn)周期長，試驗(yàn)條件復(fù)雜從而沒有達(dá)到預(yù)期的效果。到了70年代后期，國內(nèi)才有學(xué)者從理論上對力控制系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行初步研究在這方面，洛陽工學(xué)院、江蘇工學(xué)院都作了一些有益的工作。第二階段為機(jī)液控制系統(tǒng)的室內(nèi)模擬仿真及分析。進(jìn)入80年代開始了拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)田間仿真試驗(yàn)，如基于動態(tài)性能的分析，提出一種拖拉機(jī)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，包括建立數(shù)學(xué)模型，分析穩(wěn)定性和動、靜態(tài)，求取動力機(jī)構(gòu)的最佳匹配參數(shù)和系統(tǒng)的其它設(shè)計(jì)參數(shù)[7]；以及定性地分析了土壤阻力干擾對耕深的實(shí)際影響以及機(jī)組在實(shí)際耕作過程中各信號之間的傳遞關(guān)系，并建立了田間試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了田間仿真試驗(yàn)，論述了仿真試驗(yàn)原理和模擬加載裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)等[8]。從導(dǎo)致成了研究的高峰，此后不斷有新的成果出現(xiàn)。80年代后期為了跟上國外先進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)也開始了電子化自動控制技術(shù)的研究，在原機(jī)型液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，增加電液控制裝置，并做了簡單的試驗(yàn)工作。第三階段為電液控制系統(tǒng)的研究開發(fā)。90年代，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬、微計(jì)算機(jī)控制電子控制、電子控制的蓬勃興起并應(yīng)用于拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)的控制中。首先在室內(nèi)試驗(yàn)中，提出一種新的純牽引力傳感器[9]，而且試驗(yàn)臺的模擬加載控制和性能測試由一臺微機(jī)來完成，對原機(jī)型的機(jī)液控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試和評價(jià)其動態(tài)品質(zhì)[10]。接著把單片機(jī)應(yīng)用于拖拉機(jī)農(nóng)具耕深控制中，對比了原機(jī)型的機(jī)液控制系統(tǒng)與新設(shè)計(jì)的數(shù)字式控制系統(tǒng)，而且提出位置控制、阻力控制、耕深控制和力位綜合控制四種方式，進(jìn)行了電液控制的初步探索。還進(jìn)行了伺服自動控制 與計(jì)算機(jī)控制耕深的試驗(yàn)比較[11]。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為懸掛系統(tǒng)的工作特性一般屬于繼電器開關(guān)型，并在此基礎(chǔ)上采用開關(guān)型電磁閥進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)進(jìn)一步研究了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，采用液壓控制系統(tǒng)取代拖拉機(jī)原有的液壓系統(tǒng)，運(yùn)用 MCS-51單片機(jī)控制器對拖拉機(jī)耕作作用的中的耕深進(jìn)行自動控制，取代傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)節(jié)裝置，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。同時(shí)期一些研究者也提出了一種新的在室內(nèi)研究和評價(jià)懸掛系統(tǒng)耕作性能的方法和建立耕作過程中土壤阻力數(shù)序模型以及阻力控制 系統(tǒng)的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方法。 從國內(nèi)電控液壓懸掛系統(tǒng)的發(fā)展中可以看出，目前在我國國內(nèi)拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)的研究還存在下面的不足：（1）基本上是對懸掛系統(tǒng)進(jìn)行單個(gè)研究，對拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)，液壓缸，液壓系統(tǒng)，電控系統(tǒng)等的綜合控制方面研究的比較少；（2）控制對象主要是牽引阻力和耕深，對多參數(shù)，如滑轉(zhuǎn)率、行駛速度和發(fā)動機(jī)負(fù)荷的聯(lián)合控制研究的比較少；（3）控制工具由單片機(jī)組成，還是在試驗(yàn)室試驗(yàn)階段，加上傳感器、控制總線技術(shù)和信息顯示等各方面的影響，還沒有形成產(chǎn)品化，國內(nèi)只能從國外進(jìn)口成套的系統(tǒng)使用；（4）多在室內(nèi)仿真試驗(yàn)研究，由于還沒有應(yīng)用于實(shí)際中，因而在田間作業(yè)方面還沒有得到有效的數(shù)據(jù)指標(biāo)。 1.4 研究內(nèi)容 鑒于我國拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)的發(fā)展水平和所面臨的實(shí)際問題，本項(xiàng)研究擬選擇電動拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)，主要是液壓懸掛裝置及掛載農(nóng)具，作為主要研究對象。研究、探討其在實(shí)現(xiàn)機(jī)--電--液一體化控制方面的關(guān)鍵技術(shù)，提出一套關(guān)于電動拖拉機(jī)液壓懸掛裝置及其自動控制機(jī)--電--液一體化控制系統(tǒng)的基本理論和方案，研究電動拖拉機(jī)液壓懸掛裝置及自動控制，使拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)組能夠在復(fù)雜多變的工作條件下自動化控制工作，最大限度提高整個(gè)拖拉機(jī)的工作效率。該研究具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和研究意義，必將對我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，為我國農(nóng)業(yè)以及世界做出巨大貢獻(xiàn)。 本課題主要完成內(nèi)容有： 1、電動拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解決方案。 2、電動拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)控制解決方案。 3、液壓元件的選擇，計(jì)算出所需的數(shù)據(jù)，合理選擇液壓元件，以達(dá)到最好的效果。 研究背景與意義 國內(nèi)外文獻(xiàn)分析，對當(dāng)前作業(yè)機(jī)組進(jìn)行技術(shù)調(diào)查 提出研究的問題和思路 拖拉機(jī)懸掛機(jī)—電—液一體化控制策略的確定 液壓傳動和液壓控制系統(tǒng)的研究 液壓元件的選擇與液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械部分的受力分析 問題與展望 圖1-1 研究流程圖 1.5 本章小結(jié) 本章簡要介紹了課題研究背景、研究意義以及國內(nèi)外機(jī)—電—液一體化技在拖拉機(jī)液壓懸掛機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后交代了本課題研究的主要內(nèi)容和研究流程圖。  第二章 電動拖拉機(jī)液壓懸掛裝置 2.1 拖拉機(jī)的液壓懸掛系統(tǒng) 農(nóng)用拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)是用液壓提升和控制農(nóng)機(jī)具的整套系統(tǒng)，其功用分以下5點(diǎn)：1.連接和牽引農(nóng)機(jī)具，2.操縱農(nóng)機(jī)具的升降，3.控制農(nóng)機(jī)具的耕作深度或提升高度，4.給拖拉機(jī)驅(qū)動輪增重以改善拖拉機(jī)的附著性能，5.輸出液壓能。農(nóng)用拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)是由液壓系統(tǒng)、操縱機(jī)構(gòu)和懸掛機(jī)構(gòu)三部分組成。液壓系統(tǒng)是提升農(nóng)機(jī)具的動力裝置，除工作介質(zhì)（例如液壓油）外，液壓系統(tǒng)是由液壓泵、油缸、分配器等液壓元件和附屬裝置組成。操縱機(jī)構(gòu)是用來操縱分配器的主控制閥，以控制液壓油的流動方向，它有手柄操縱機(jī)構(gòu)和自動控制機(jī)構(gòu)兩部分組成。懸掛機(jī)構(gòu)用于連接農(nóng)機(jī)具，傳遞液壓升降力和拖拉機(jī)對農(nóng)機(jī)具的牽引力，并保證農(nóng)機(jī)具的正常工作位置。由于液壓懸掛機(jī)組比傳統(tǒng)牽引機(jī)組操縱方便、機(jī)動性高，便于自動調(diào)節(jié)耕深，因此，液壓懸掛系統(tǒng)普遍用在各種拖拉機(jī)上。 拖拉機(jī)要進(jìn)行各種作業(yè)，就必須與相應(yīng)的配套農(nóng)具可靠地連接在一起。根據(jù)配套農(nóng)具與拖拉機(jī)連接方式的不同，一般可分為牽引式、懸掛式和半懸掛式三種。 懸掛機(jī)構(gòu)通過拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)獲得動力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)具的上升和降落；農(nóng)具依靠懸掛機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)可靠地連接在一起。因此，拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)、懸掛機(jī)構(gòu)、農(nóng)具三者構(gòu)成一個(gè)整體，叫做“液壓懸掛系統(tǒng)” 2.1.1 液壓懸掛系統(tǒng)的組成 傳統(tǒng)拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)主要由:懸掛農(nóng)具、懸掛機(jī)構(gòu)和液壓部分組成，如圖2-1所示。 圖2-1 液壓懸掛系統(tǒng)示意圖 (1) 懸掛農(nóng)具:它是農(nóng)田作業(yè)的工作部件，通過懸掛機(jī)構(gòu)連接在拖拉機(jī)上。懸掛農(nóng)具的種類很多，目前常用的有犁、耙、播種機(jī)、收割機(jī)等。根據(jù)農(nóng)具在拖拉機(jī)上掛接位置的不同，可分為前懸掛、后懸掛和側(cè)懸掛三種，本論文研究對象是目前使用最廣的后懸掛機(jī)組。 (2) 懸掛機(jī)構(gòu):它由連接農(nóng)具的一些桿件機(jī)構(gòu)所組成。按與拖拉機(jī)機(jī)體連結(jié)點(diǎn)數(shù)的不同，后懸掛又有兩種形式:三點(diǎn)懸掛和兩點(diǎn)懸掛，如圖2-2所示。 a)三點(diǎn)懸掛 b）兩點(diǎn)懸掛 圖2-2 后懸掛的兩種方式 三點(diǎn)懸掛：懸掛機(jī)構(gòu)以三個(gè)鉸接點(diǎn)與拖拉機(jī)機(jī)體聯(lián)結(jié)。農(nóng)機(jī)具隨拖拉機(jī)直線行駛穩(wěn)定性好，中小功率拖拉機(jī)大多采用。 兩點(diǎn)懸掛：懸掛機(jī)構(gòu)以二個(gè)鉸接點(diǎn)與拖拉機(jī)機(jī)體聯(lián)結(jié)。在農(nóng)機(jī)具作業(yè)時(shí)，能較輕便地矯正行駛方向，大功率拖拉機(jī)上多采用兩點(diǎn)懸掛 由于本課題研究的電動拖拉機(jī)為中小型拖拉機(jī)，所以采用三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)，保證農(nóng)具耕作的穩(wěn)定性。 (3) 液壓系統(tǒng):它由油泵、油缸、分配器和附屬裝置組成。油泵和油缸將電動機(jī)的動力轉(zhuǎn)換為液壓能為農(nóng)具提升提供所需要的力量。 傳統(tǒng)液壓懸掛的主要執(zhí)行部件是分配器，通過機(jī)械推拉杠桿裝置調(diào)節(jié)分配器位置控制油液的流量與流向，使農(nóng)具處于不同的工作位置。 2.1.2液壓懸掛系統(tǒng)類型 液壓系統(tǒng)中，按油泵、分配器，油缸三個(gè)主要部件位置布置和組合方式的不同，分為分置式、半分置式和整體式三種類型，如圖2一3所示。 (1) 分置式液壓系統(tǒng) 油泵、油缸、分配器和油箱分別安裝在拖拉機(jī)的不同位置上，相互間用油管連接。（典型應(yīng)用有:東方紅—802、鐵牛55C／600L）這種液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：液壓元件便于專業(yè)化批量生產(chǎn)，系列化產(chǎn)品的液壓元件通用性強(qiáng)，液壓元件故障已檢查，維修方便。它的缺點(diǎn)是:連接管路較長，易出現(xiàn)油液的泄漏;操縱機(jī)構(gòu)全部暴露在外面，易受損傷；不便實(shí)現(xiàn)農(nóng)具耕深的力調(diào)節(jié)等，目前只用于少數(shù)型號較老的拖拉機(jī)上。 圖2-3 液壓系統(tǒng)類型 (2) 半分置式液壓系統(tǒng) 除油泵單獨(dú)布置外，其他液壓元件（油缸、分配器）和操縱機(jī)構(gòu)組成一個(gè)“提升器”，安裝在后橋殼上。（代表應(yīng)用有:鐵牛650、東風(fēng)50）提升器通常位于傳動箱之上，駕駛座之下，并兼作傳動箱的蓋子。油泵單獨(dú)安裝在一個(gè)適宜的地方，由拖拉機(jī)的動力輸出軸驅(qū)動。這種液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，油路較短，液壓元件與操縱機(jī)構(gòu)全部密封在殼體內(nèi)，因而工作較為可靠；易于實(shí)現(xiàn)農(nóng)具的力，位耕深調(diào)節(jié)。它的缺點(diǎn)是:個(gè)別液壓元件的故障檢查不夠方便。這種液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于中、小型拖拉機(jī)上。 (3) 整體式液壓系統(tǒng) 油泵、分配器、油缸等主要工作部件，都集中在拖拉機(jī)后橋殼體內(nèi)，形成一個(gè)整體。豐收—35、上?！?0等拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)即屬此種。這種液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:可采用力、位及高度調(diào)節(jié)法控制耕深，工作較可靠。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，因而在拖拉機(jī)的布置上受到一定限制，拆裝檢查也相對麻煩，因而使用不廣。 分置式液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單易維修，但不可靠，整體式液壓系統(tǒng)可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難，最后折中考慮選擇半分置式液壓系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。 2.2 電液懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.2.1 設(shè)計(jì)方案的提出 懸掛系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)是控制農(nóng)具提升的裝置，是懸掛裝置中的動力部分，它一般由液壓泵、提升器、液壓缸及其他一些閥類和輔助裝置組成。為了實(shí)現(xiàn)對液壓懸掛系統(tǒng)的多種調(diào)節(jié)方式，液壓懸掛系統(tǒng)全都采用電液懸掛控制方式。 方案一：原拖拉機(jī)的分配器把主控制閥、回油閥和安全閥集成于一體，組成了一個(gè)總成，其輸入口與液壓泵通過油管連接，輸出口直接與單作用液壓缸無桿腔相連，這樣安裝既節(jié)省了空間，又減小了油道的長度。因此，為了盡量采用原拖拉機(jī)的液壓元件，例如液壓泵、液壓缸、濾油器、油管等。我們提出采用電液比例方向閥、電磁溢流閥、單向節(jié)流閥、壓力傳感器等，代替原拖拉機(jī)的分配器，如圖2-4，2-5所示。 圖2-4 電控液壓懸掛系統(tǒng)原理圖a 圖2-5 電控液壓懸掛系統(tǒng)原理圖b 電控液壓懸掛系統(tǒng)由液壓懸掛系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和信號檢測與處理系統(tǒng)組成。工作中，當(dāng)電液比例換向閥左端電磁鐵通電時(shí)，液壓泵輸出的高壓油經(jīng)過電液比例方向閥，再經(jīng)過單向節(jié)流閥的單向閥進(jìn)入液壓缸的無桿腔，使農(nóng)機(jī)具提升；當(dāng)電液比例換向閥右端電磁鐵通電時(shí)，同時(shí)控制電磁溢流閥的電磁鐵斷電，則液壓泵輸出的油液經(jīng)過電磁溢流閥流回油箱，液壓泵處于卸荷狀態(tài)。而在農(nóng)機(jī)具自重作用下，液壓缸無桿腔的液體被排出，使農(nóng)機(jī)具下降，被排出的液體經(jīng)單向節(jié)流閥、單向閥和電液比例方向閥流回油箱。 方案二：與方案一不同，不使用其它的液壓元件代替原拖拉機(jī)的分配器，由于液壓懸掛系統(tǒng)控制農(nóng)機(jī)具的提升、中立、下降過程主要是通過控制分配器中主控制閥的移動位置來完成的，因此，為了為了盡量采用原拖拉機(jī)的液壓元件，例如液壓泵、液壓缸、濾油器、油管包括原拖拉機(jī)的分配器。我們提出用簡單的三位四通電磁換向閥組成的液壓油路控制一小油缸的方案，通過小油缸活塞桿與主控制閥的固接及移動來控制分配器主控制閥的移動位置，近而達(dá)到設(shè)計(jì)目的，控制農(nóng)機(jī)具的提升、中立、下降過程。如圖2-6所示。 圖2-6 電控液壓懸掛系統(tǒng)原理圖c 1． 溢流閥 2．光電耦合器 3．電磁換向閥 4．中央處理器 5．控制面板 6．小油缸 7． 力傳感器 8．活塞桿 9．位移傳感器 10．角位移傳感器 11．回油閥 12．單向閥 13．液壓缸 14．分配器 15．主控制閥 16．減壓閥 17．油泵 18．濾油器 19．油缸 方案二中電控液壓懸掛系統(tǒng)也包括液壓懸掛系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和信號檢測與處理系統(tǒng)。 液壓懸掛系統(tǒng)：由原液壓懸掛系統(tǒng)的油泵、分配器、液壓缸、提升臂、上拉桿和下拉桿等組成。主要完成液壓油路的控制，以完成農(nóng)具的提升、中立、下降過程。 自動控制系統(tǒng)：由電磁換向閥、減壓閥、小油缸、溢流閥和各種傳感器等組成。主要完成控制信號的輸入，并由三位四通電磁換向閥來控制小油缸活塞桿行程，完成分配器主閥移動位置的控制。 信號檢測與處理系統(tǒng)：由位移傳感器、壓力傳感器、提升軸轉(zhuǎn)角傳感器、放大電路、CPU等組成，主要完成土壤阻力、農(nóng)具提升高度和提升軸旋轉(zhuǎn)角度的信號檢測與數(shù)據(jù)處理。工作中，操作控制面板上的調(diào)節(jié)旋鈕，電信號輸入控制電路使電磁閥換向，改變小油缸中的液壓流向，使小油缸位移，推動主閥移動，農(nóng)具提升（下降）。主閥的位移量則由位移傳感器檢測并控制。隨著農(nóng)具提升(下降)高度的變化，提升器軸轉(zhuǎn)角傳感器測得電信號不斷變化，當(dāng)轉(zhuǎn)角信號(提升高度)到達(dá)操縱信號預(yù)定值時(shí)，CPU發(fā)出信號，操縱電磁閥動作，小油缸位移，主閥移動使農(nóng)具處于中立狀態(tài)。 電磁閥 CPU 小油缸 位移傳感器 主閥 液壓油泵 油缸 轉(zhuǎn)角傳感器 提升臂 反饋量 懸掛機(jī)構(gòu) 農(nóng)具 壓力傳感器 耕深 圖2-7 力、位調(diào)節(jié)的信號傳遞路線方框圖 農(nóng)具入土后，隨著耕深、土質(zhì)和濕度的不斷變化，土壤的阻力不斷變化。該變化經(jīng)上拉桿反應(yīng)在彈簧總成上，并通過彈簧桿作用在壓力傳感器上。壓力傳感器測得其壓力信號與預(yù)置參數(shù)相比較，當(dāng)達(dá)到預(yù)值時(shí)，控制系統(tǒng)使電磁閥動作，改變油路，使小油缸帶動主閥移動，改變分配器油路，使液壓懸掛系統(tǒng)對農(nóng)具進(jìn)行相應(yīng)的提升或下降。力、位調(diào)節(jié)過程的信號傳遞路線如圖2-7所示。 2.2.2分配器詳解 分配器如圖2-8所示 圖 2-8 1.回油閥彈簧 2.回油閥大頭 3.回油閥小頭 4.回油閥套 5.O型密封圈 6.單向閥螺塞 7.鋼球 8.單向閥彈簧 9.單向閥彈簧座 10、11.O型密封圈 12.下降速度調(diào)節(jié)閥 13.滾珠總成 14.墊片 15.主控制閥彈簧 16.閥門前蓋 17.回油閥前堵塞 18.O型密封圈 19.分配器殼體 20.主控制閥套 21.回油閥后堵塞 22.主控制閥 23.限位板 1.提升位置 力位調(diào)節(jié)杠桿控制端離開控制閥，由回位彈簧將其推至最后位置。第二道密封帶將通往回油閥背腔油孔打開，使背部油腔與主控制閥的進(jìn)油孔相通，在油壓與彈簧的共同作用下，回油閥右移，關(guān)閉回油道，主控制閥的第三密封帶封閉了油缸排油道。油泵來的高壓油頂開單向閥進(jìn)入油缸這時(shí)農(nóng)具開始提升。如圖2-9所示。 圖2-9分配器提升位置 1.油缸 2.下降速度調(diào)節(jié) 3.分配器殼體 4.油泵 5.主控制閥 6.回油閥 7.安全閥 8.單向閥 2.中立位置 主控制閥自最大伸出位置被操縱桿向里壓入5mm,第二密封帶將回油閥背腔油孔稍微打開，使背油液通過主控制閥端部的中心孔流回傳動箱。在前端油壓的作用下，回油閥壓縮彈簧左移，打開回油孔，從油泵來的高壓油經(jīng)回油孔流回油箱。此時(shí)，第三密封帶仍然封閉著油缸排油道，單向閥在彈簧作用下，處于關(guān)閉。如圖2-10所示。 圖 2-10分配器中立位置 1.油缸 2.下降速度調(diào)節(jié) 3.分配器殼體 4.油泵 5.主控制閥 6.回油閥 7.安全閥 8.單向閥 3.下降位置 主控制閥被 操縱 杠桿向里壓入到極限，第二密封帶將加壓油閥背腔油孔完全 打開 ，回油孔仍被 打開，從油泵來的油經(jīng)回油孔流流回油箱，第三密封帶已將油缸排油 道 打開，油缸里的油液也經(jīng)回油孔流流回油箱，農(nóng)具在自重的作用下下降，下降速度 可通過下降速度調(diào)節(jié)閥來控制。當(dāng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動閥的手輪時(shí)，則擰入螺紋桿，可以把閥體頂入油缸排油紀(jì)道 ，油道 被堵小，農(nóng)具下降減慢，反之，退出螺紋桿，閥體在油壓作用下隨之向外退出 ，回油道 暢通，農(nóng)具下降加快。如圖2-11所示。 圖 2-11分配器下降位置 1.油缸 2.下降速度調(diào)節(jié) 3.分配器殼體 4.油泵 5.主控制閥 6.回油閥 7.安全閥 8.單向閥 2.2.3 設(shè)計(jì)方案的確定 方案一是針對改進(jìn)分配器，即用電液換向閥來代替液壓懸掛系統(tǒng)分配器的作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電液控制的自動控制。方案二用小油缸控制分配器的主控制閥，簡單方便，輕巧，并不會有太大的能量損失。綜合上述兩種電控液壓懸掛系統(tǒng)的方案提出過程及依據(jù)，兩個(gè)方案各有優(yōu)劣，最終選擇方案二作進(jìn)一步的設(shè)計(jì)研究。 2.3 本章小結(jié) 本章主要講述了傳統(tǒng)拖拉機(jī)的液壓懸掛系統(tǒng)，并簡述了液壓懸掛系統(tǒng)的組成及類型，針對電動拖拉機(jī)的半分置式液壓懸掛系統(tǒng)，進(jìn)行分析提出了兩套自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。兩套方案都是利用電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想提出的，綜合考慮后并最終確定方案二做下一步的設(shè)計(jì)工作。  第三章 懸掛裝置的受力分析與計(jì)算 3.1 連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算 圖3-1 連桿機(jī)構(gòu)的受力簡圖 連桿機(jī)構(gòu)的受力簡圖如圖3-1所示，F(xiàn)1為提升臂沿豎直方向上的受力，F(xiàn)2為掛載農(nóng)具所受的重力，F(xiàn)3為柱塞缸的受力，∠C為F1與F2的夾角，∠B為下拉桿與水平線的夾角。 根據(jù)力矩公式: F1L1=F2L2 其中L1=400sin∠A L2=250cos∠B F1= F3= 由式子可以看出F3隨角度的變化而變化，F(xiàn)3的變化曲線如圖3-2所示 圖3-2 提升力的曲線圖 由圖知提升力F1的最大值 3.2 液壓缸的受力分析與計(jì)算 圖3-3 柱塞缸簡圖 液壓缸簡圖如圖3-3所示，它為提升臂提供提升力，從而來控制掛載農(nóng)具的升降。柱塞缸的主要參數(shù)如下： 缸內(nèi)徑D1=35mm 缸外徑D2=60mm 壁厚δ=25mm 活塞桿直徑d=30mm 缸體材料的抗拉強(qiáng)度=120MPa 缸筒材料的許用應(yīng)力［σ］=/n，n為安全系數(shù)，一般去n=5，所以［σ］=24MPa 活塞桿最大受力： F3==10280N 缸筒內(nèi)的最大油壓油壓： 14.6MPa 3.3 液壓缸的強(qiáng)度校核 3.3.1 液壓缸額定壓力值的校核 液壓缸的額定壓力值應(yīng)低于一定的極限值，從而保證工作安全，根據(jù)式子： (MPa) 算得： 3.3.2 活塞桿直徑校核 由[15]P60（4-19）得活塞桿直徑d校核公式： 算得d≥22.9mm 而活塞桿直徑d=30mm≥22.9mm滿足要求 3.3.3 缸筒壁厚的校核 由[15]P60（4-18）得壁厚δ校核公式： 算得δ≥19.8mm 而壁厚δ=25mm滿足要求 3.4本章小結(jié) 先對連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析計(jì)算最后倒推出液壓回路所需油壓，為后面液壓元件進(jìn)行選型做鋪墊，選好液壓泵后對液壓缸的強(qiáng)度進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)完全滿足要求，確定液壓缸的尺寸，無需進(jìn)行修改。第四章 液壓硬件選型 4.1 小油缸的選型 電控液壓系統(tǒng)中用小油缸活塞桿的運(yùn)動來控制分配器中的主控制閥，以實(shí)現(xiàn)液壓懸掛系統(tǒng)中的油路換向，進(jìn)行農(nóng)具的相關(guān)操作。 分配器內(nèi)的彈簧對主控制閥的負(fù)荷力為1000 N，分配器中主控制閥的位移量為25 mm。在提升器中，小油缸的安裝空間為寬80 mm，高150 mm，長200 mm，由此可初步確定小油缸的最大外徑不能超過80 mm。查[13] P20-282 表20-6-2，不妨令液壓缸的內(nèi)徑為50 mm，即D=50 mm。又查[14] P115 表4-4，由于液壓缸的工作壓力小于10 MPa，于是選往復(fù)運(yùn)動比=1.33，則由[14] P114 式4.24得活塞桿徑： 查[14] P20-282 表20-6-2，取d=25 mm。 下面確定小油缸的工作壓力P，由于所采用的推動分配器主控制閥彈簧的最大負(fù)荷力為1000 N,因此，控制主控制閥的小油缸內(nèi)的油壓： 又液壓回路中存在背壓，即小油缸的出油口存在背壓，取小油缸的工作壓力為3MPa。查[13] P20-282 表20-6-2 活塞行程系列，取活塞的最大行程為又活塞長度： 導(dǎo)向套長度 ： 于是小油缸的長度： 最終，取 。 綜上，查[14] P20-311 表20-6-30，取小油缸的型號為HSGF-50/25E。 4.2 換向的選型 換向閥是實(shí)現(xiàn)油路的換向、順序動作及卸荷等功能的閥門。根據(jù)小油缸控制分配器主閥完成提升、中立、下降的需要及壓力、流量和拖拉機(jī)采用直流電的條件，查[13] P20-528 表20-7-164選擇DSG-G01-3C-2A-D24-5O型三位四通電磁換向閥，如圖4-1所示。 圖4-1 三位四通電磁換向閥 此電磁換向閥配有強(qiáng)吸力，高性能的濕式電磁鐵，具有高壓、大流量、壓力損失低等特點(diǎn)，其非常適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械及車輛中。其最大流量為63 L／min，最高壓力31.5 MPa，T口允許背壓16 MPa，最高換向頻率為300次／min。 4.3 減壓閥的選型 減壓閥是一種利用液流流過縫隙產(chǎn)生壓降的原理，使出口壓力低于進(jìn)口壓力的壓力控制閥。在電控液壓系統(tǒng)中，減壓閥作為穩(wěn)定油路工作壓力的調(diào)節(jié)裝置，使油路的壓力不受油源壓力的影響。由于小油缸工作壓力變化較小，選擇定值減壓閥的型號為PRCV-G10-1-32型。 其中： PRCV-單向減壓閥； G-安裝形式板式安裝； 10-公稱直徑32mm； 1-壓力調(diào)節(jié)范圍7-70MPa； 32-設(shè)計(jì)號低壓型。 4.4 溢流閥的選型 溢流閥在液壓懸掛系統(tǒng)中做背壓閥用，背壓閥裝于液壓系統(tǒng)的回油路中，給液壓系統(tǒng)形成一定的背壓力，以增加小油缸的運(yùn)動平穩(wěn)性。根據(jù)油路的流量確定其型號為RF-G06-1-32型。 其中： RF-溢流閥； G-安裝形式板式安裝； 06-公稱直徑20mm； 1-壓力調(diào)節(jié)范圍7-70MPa； 32-設(shè)計(jì)號低壓型。 4.5 液壓泵的選型 泵的主要參數(shù)有壓力、流量、轉(zhuǎn)速、效率，為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和泵的使用壽命，一般在固定設(shè)備系統(tǒng)中，正常工作壓力為泵的額定壓力的80%左右，泵的P要大于系統(tǒng)工作壓力。 已知缸筒內(nèi)的最大油壓為14.6MPa 所以 P=/η=18.25MPa 液壓缸的額定壓力值 經(jīng)分析計(jì)算約定電動拖拉機(jī)的液壓泵型號為CB-Q30，查[13] P20-152 表20-5-6，相關(guān)參數(shù)如表3-2所示。 表3-2 CB-Q30液壓泵相關(guān)參數(shù) 類別 型號 排量 ml/r 壓力 /MPa 轉(zhuǎn)速 r/min 容積效率/% 額定 最高 額定 最高 外嚙合齒輪 CB-Q 20-60 20 25 2000 2500 92 4.6本章小結(jié) 本章在第三章的計(jì)算結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行選型，主要完成了小油缸，換向閥，減壓閥，溢流閥，液壓泵的選型，確保所選元件能滿足各方面的需求。