机械毕业设计（论文）-拖拉机液压悬挂系统自动控制系统研究【全套图纸】

I 目 录 1 绪 论-1- 1.1 引言 -1- 1.2 研究背景和意义 -1- 1.2.1 研究背景 -1- 1.2.2 研究意义 -1- 1.3 国内外研究现状分析 -3- 1.3.1 国外研究现状 -3- 1.3.2 国内研究现状 -4- 1.4 研究内容 -5- 1.5 本章小结 -7- 2 拖拉机电控液压悬挂系统设计-8- 2.1 传统拖拉机的液压悬挂系统 -8- 2.1.1 液压悬挂系统组成 -8- 2.1.2 液压系统类型 -9- 2.2 电控液压悬挂系统设计.-10- 2.2.1 设计方案的提出 .-10- 2.2.2 设计方案的确定 .-14- 2.3 工作机理.-14- 2.4 本章小结.-15- 3 液压回路设计和信号处理电路设计-16- 3.1 液压回路设计和硬件选型 .-16- 3.1.1 电控液压系统回路设计 .-16- 3.1.2 液压泵和分配器的选择 .-17- 3.1.3 小油缸的选型 .-17- 3.1.4 换向阀的选择 .-18- 3.1.5 减压阀和溢流阀的选择 .-18- 3.2 信号处理电路设计 .-19- 3.2.1 传感器的选择 .-19- 3.2.2 传感器信号放大电路和滤波电路设计 .-22- 3.2.3 光电耦合器和三极管放大电路设计 .-23- 3.3 控制回路设计 .-23- 3.3.1 ECU 特点 .-23- 3.3.2 80C196KC 系统设计 -24- 3.4 本章小结 .-25- 4 电控液压悬挂系统软件设计.-27- 4.1 主程序设计 .-27- 4.2 A/D 转换中断程序设计 .-27- 4.3 本章小结 .-29- 结论及展望.-30- 参考文献.-31- I 附录 1-33- 附录 2-34- 附录 3-38- 致 谢-41- 全套图纸，加全套图纸，加153893706153893706 拖拉机液压悬挂系统自动控制研究 摘 要 随着新兴科学技术的不断创新，尤其是计算机技术、电子控制、人工智能、网络通讯等高新 技术的迅速发展，对拖拉机工业的发展产生了很大的影响和渗透。而采用机电液一体化控制技 术是拓宽拖拉机功能、提高其技术性能以及解决其所面临诸多技术难题的最佳选择方案，并且已经 成为现代拖拉机及其配套机组的主要技术发展趋势。 本文首先介绍了传统拖拉机液压悬挂系统的组成和类型。在此基础上，选择了拖拉机半分置式 液压悬系统进行设计，设计新型拖拉机电控液压悬挂系统。在原拖拉机半分置式液压悬挂机构中改 进设计了自动控制系统。分别阐述了自动控制系统的组成、工作原理、土壤阻力传感器、农具提升 高度传感器、主控制阀位移传感器信号的测取与处理以及单片机控制的实现。在液压油路方面，该 系统用电磁换向阀控制分配器取代传统机械式的控制分配器，并设计配套油路；在控制反馈信号获 取方面，系统中安装位移传感器、压力传感器和角位移传感器；同时，对拖拉机电子液压悬挂的各 种耕深控制方法进行比较分析。 拖拉机电控液压悬挂控制单元设计包括硬件和软件设计.根据本系统各功能模块的具体需求， 选用 Intel 公司 MSC-96 系列的 80C196KC 单片机设计控制器。在软件方面，完成了主程序控制程序 总体流向。 I 关键词：拖拉机；液压悬挂系统；换向阀；自动控制 Study on Automatic Control for Hydraulic Hitch Equipment of Tractor Abstract With the perpetual innovation of the emerging technology, especially the rapid development of high and new technology, such as computer technology, electronic control, artificial intelligence and network communications, the tractor industry is influenced greatly. Taking the integrated control technology of hydromechatronics is the best project for broadening tractor function, improving its technical performance and solving numerous facing technical difficulties and it has become the major technology trend of modern tractors and the supporting units. This paper first introduces the composition and type of the traditional tractor hitch control system. Based on this, choosing the structure of semi-partition hydraulic hitch system to carry on the design and designing a new electrohydraulic hitch system. A simple structure of semi-partition hydraulic hitch equipment and constituting of automatic control system was provided. The signal of soil resistance sensor and the implement lift height sensor and the control-valve sensor were measured and managed. The system was under the control of the SCM. The traditional mechanical splitter is replaced by proportional solenoid valve and its supporting circuit. A displacement sensor, a force sensor and an angle sensor is used for gaining feedback control signal. Furthermore, The various deep-conditioning method of cultivation of tractor electrohydraulic hitch are compared and analyzed in this paper. Control unit of tractor electrohydraulic hitch system is consisted of hardware and software systems. According to specific requirements of the system function modules, 80C196KC microcontroller of Intel I Corporation MSC-96 series is selected. For the software system, we used the assembly language to finish the control system program. Its main program is used to control the overall flow of the system. Key words: Tractor; Hydraulic hitch system; Change valve; Automatic control 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言 现有的多数农用拖拉机使用液压悬挂系统，拖拉机液压悬挂系统可分为3 种形式： 分置式液压系统、半分置式液压系统、整体式液压系统。其农具的提升和下降的控制 部分是机械式的，由驾驶员通过操纵手柄和一套杆件机构以位移量的形式输入信号， 输出量则是通过弹簧、凸轮和力、位调节杠杆机构转换成的位移量，从而实现操纵主 控制阀对农具位置的调整。机械控制的液压悬挂系统采用杆件和弹性元件，结构比较 复杂，弹性元件的迟滞、机械摩擦和杆件的胀缩会影响调节性能。进入21世纪后，拖 拉机向大功率、低油耗、轻排放、智能化、密封和舒适性方向发展，机械式的控制系 统在结构布置和性能方面已不适应现代农机发展的要求。将农业机械装备技术融合现 代液压技术、传感器技术、电子技术和单片机控制技术，可极大地提高液压悬挂系统 操作的舒适性和简捷性，准确、快速地使用和调节液压悬挂系统，可提高生产率和作 业质量。因此，对传统式液压悬挂系统的技术改进势在必行。 1.2 研究背景和意义 1.2.11.2.1 研究背景研究背景 农业机械化是现代农业的重要物质技术基础，是农业现代化的重要内容和标志。 世界发达国家己在上世纪50年代至70年代就实现了农业现代化，各国农业现代化发展 历程表明，农业机械化是农业现代化不可逾越的阶段。农业机械化作为现代化农业生 产的载体，把工业、自然科学等引入农业生产过程，使现代工程技术与现代生物技术 在现代农业生产中得以广泛应用，极大地改善了农业生态环境，促进了农业的可持续 发展，大大提高农业劳动生产率、资源利用率和农业产品商品化率，也使现代生产技 术由于有现代装备和工程技术手段的支持而得到实施和进一步发展。 I 拖拉机是实现农业机械化和现代化不可缺少的重要动力机械。我国的拖拉机工业 经过几十年的发展，已经取得了很大的进展。目前大中型拖拉机的生产能力己超过10 万台，小型拖拉机的生产能力己超过200万台，各类拖拉机的拥有量已超过1500万台， 其中大中型拖拉机约为80万台，配套机具的社会拥有量己超过 2000万台套(含挂车)。 但随着我国加入WTO，大量具有高新技术装备并且性能优良的拖拉机产品将会涌入中国 市场，这对产品技术含量相对较低的国内拖拉机工业来说，将会面临巨大的挑战。如 何适应市场需要，进行产品结构调整，提高产品的科技含量，改善产品的技术性能， 将是我国拖拉机工业所面临和需要解决的重要课题1、2。 1.2.21.2.2 研究意义研究意义 随着新兴科学技术的不断创新，尤其是计算机技术、电子控制、人工智能、网络 通讯等高新技术的迅速发展，对拖拉机工业的发展产生了很大的影响和渗透。各国拖 拉机研究人员普遍认识到，采用机电液一体化控制技术是拓宽拖拉机功能、提高 其技术性能以及解决其所面临诸多技术难题的最佳选择方案，并且已经成为现代拖拉 机及其配套机组的主要技术发展趋势。目前在国外拖拉机上，机电液一体化控制 技术己经获得了广泛的应用，例如，麦塞福格森、雷诺、萨姆、约翰迪尔、菲亚特、 钮荷兰、道伊兹等公司近几年推向市场的大功率拖拉机基本都装备了电液悬挂系统， 使电液悬挂产品已经进入主流市场；在电液负载换档技术方面，不少拖拉机采用了电 液控制的全负载换档的变速箱，使得负载换档操纵变得十分简单；一些拖拉机上还采 用了基于CAN总线的多路传输网络系统，使得机电液一体化应用在拖拉机上达到很 高的水平。 由此可知拖拉机上采用了大量的机电一体化技术，这些技术主要用于改善和优化 拖拉机以下几个方面的特性: 提高拖拉机的使用经济性和生产效率； 提高拖拉机的操纵性能和自动化程度，降低驾驶员的劳动强度； 将该技术应用在人机工程学设计中，优化人机界面，改善驾驶室操纵环境； 提高机器的可靠性和安全性； 降低拖拉机尾气排放，减少环境污染； 实现对拖拉机机组的性能监测、参数优化匹配和故障诊断等综合性工作。 机电一体化技术在农用拖拉机上的应用必然向着自动化、智能化的方向发展。拖 拉机智能化的实现，是以机电一体化技术在拖拉机上的应用为先导的，以微电子技术 和微机技术为核心的机电一体化技术，将机械、液压、电子、信息和控制等技术有机 地结合起来，使拖拉机控制系统具备了一定的信息处理能力，为智能化技术在拖拉机 上的应用和发展开辟了道路。智能化技术在拖拉机上的应用目标不仅要使拖拉机的各 个子系统实现高精度、高实时性的自动控制，而且还应使拖拉机的控制系统具有一定 I 程度的逻辑判断能力，提高拖拉机对外界环境的适应能力，能够在复杂多变的工作条 件下自适应地选择最佳的工作方式，最大限度地提高拖拉机各子系统的工作效能，实 现发动机、传动系统及悬挂系统的各子系统的自动控制以及各子系统之间的优化匹配， 更好地满足对拖拉机的各项使用要求。归纳起来对拖拉机的研究大致分为两个方面:一 方面，应用最优适应控制、模糊控制等先进的控制理论，进一步完善原有的控制系统， 提高系统对复杂工况的适应能力和逻辑判断能力；另一方面，根据系统工程学的思想， 从对拖拉机各个子系统的单独、分割监控走向相关系统联合、协调控制，在一定程度 上实现多个子系统的信息共享，最终形成对整个拖拉机系统的全面控制体系，实现拖 拉机作业机组在各种工作条件下的最优匹配。 基于以上所述，加强拖拉机行业与电子产品的密切结合，走机电一体化是必经之 路，加快消化吸收国外产品机电一体化的成果和经验，搞好拖拉机产品的更新换代， 缩短与世界同行业先进水平的距离。 1.3 国内外研究现状分析 20世纪70年代以来，随着电子技术和微机控制技术的出现和成熟，机电液一 体化技术逐步被应用到拖拉机上，为提高拖拉机作业机组的性能开辟了崭新的道路。 1.3.11.3.1 国外研究现状国外研究现状 1978年德国奔驰公司率先在其生产的农用拖拉机上采用了电液控制的三点悬挂机 构，标志着商业化的机电一体化产品开始在拖拉机上得到了成功应用。经过几十年的 研究和开发，各国纷纷推出新式控制系统。德国BOSCH公司研制的农用拖拉机电子控制 式液压悬挂机构采用带有数字信号处理设备的HER-D提升调节装置，其核心是一个带有 8路模拟量输入输出通道的微处理器和程序存储器，系统使用的传感器主要包括安装在 下拉杆的磁滞伸缩式测力销和安装在提升臂上的角位置传感器。电子控制装置通过对 各传感器上送来的数据进行分析，驱动液压执行元件，实现阻力调节、位置调节、压 力调节。为了与拖拉机上的其它电子控制系统进行数据交换，BOSCH公司还专门开发了 CAN总线结构，对悬挂系统的所有控制操作均可以通过安装于驾驶室内的控制面板来完 成。该系统可以调节耕深，控制驱动轮滑转率。芬特、万国、福格森等多个拖拉机生 产厂家均在其生产的几种大功率拖拉机上装备了此种电液控制装置，该装置对提高拖 拉机的作业效率和质量、降低燃油消耗起到了很好的作用。德国Braunschweig科技大 学研制了一种新式的三点悬挂装置，该装置与传统的三点悬挂装置相比具有更加简单， 更加灵活的特点。首先，在上拉杆和两个提升杆上分别装有液压缸，通过相应的控制 阀控制液压缸内活塞的运动，可以通过提升杆直接控制农具的升降，在机构方面省去 了提升轴和提升臂，结构尺寸更加紧凑；其次，将位置传感器与液压缸集成在一起， I 通过将位置传感器获得的信号输入到控制系统之中进行相应的位置和速度控制，省去 了传统的机械反馈控制机构，控制更加灵活。目前，该系统主要存在着以下两方面的 问题:第一，左右提升杆的动力性能尚需提高；第二，低价位的比例阀和液压缸的优化 匹配问题还没有彻底解决。通过实验分析，该系统中提升杆的位置偏差能够控制在几 个毫米以内。由于技术原因，该悬挂装置目前仍处于试验研究阶段，没有实用化。 在耕深控制方面，日本京都大学研制了一种耕深控制系统，该系统由测量单元、 控制单元、液压单元、悬挂系统连接单元、耕深设定值和死区控制单元组成。其中， 测量单元主要由超声波传感器、光传感器、倾斜角度传感器和提升臂位置传感器(分压 计)构成，用于测量提升臂的位移、拖拉机的俯仰角度和传感器离地面的高度；控制单 元由数模转换板、接口板、螺旋阀驱动电路板与计算机组成，总体控制系统的运转， 是整个控制系统的中心；液压单元模块由液压缸、螺旋阀和液压油路组成，主要用来 驱动三点悬挂系统。该系统整个控制过程大致如下:由传感器得到信号与设定值比较得 到误差信号，该误差信号和死区设定值进行比较，如果小于死区设定值，控制系统没 有输出，当大于死区设定值时，通过计算一个控制电磁阀的负荷比参数，经过该参数 的计算得到一个输出控制信号，该信号经过放大电路，放大后控制电磁阀的输出。经 过试验验证，该控制系统存在随着负载的增加，拖拉机的行驶速度变慢的问题。南非 Witwatersrand大学的研究人员提出了一种利用拖拉机的轮滑率来控制耕深的方法。该 系统装配在160kw的拖拉机上，主要由传感器模块、控制模块、输出模块、液压模块等 组成。其中，传感器模块包括一个雷达传感器、一个磁性传感器和一个电位计，雷达 传感器用来测量拖拉机实际行走的距离，磁性传感器测量拖拉机轮子行走的距离，通 过计算两者之差来得到轮滑率，电位计安装在提升轴上，通过提升轴的转角来计算耕 深；控制模块主要采用PIC17C44单片机，该单片机具有两个频率捕捉器、两个脉宽调 制输出模块、和强大的指令集以及一个8位乘法器。该控制系统的控制过程如下:首先 由传感器得到拖拉机的实际行走距离和轮子行走距离，然后通过数模转换器将模拟信 号转换成数字信号输入到控制单元，再经控制单元的计算将控制信号利用单片机的脉 宽调制信号输出，最后经输出放大电路放大后控制电磁比例阀，从而通过液压系统来 控制农具的升降。这样就完成了一个有轮滑率来控制耕深的过程。实践证明，该控制 系统的特点有:能够将土壤表面的各种阻力情况纳入控制当中；能够使拖拉机以最优的 轮滑率行驶，从而得到最优的牵引效率；可以节省燃油消耗和拖拉机的作业时间。同 样，该系统也存在反应灵敏度问题，因为各个环节引起的滞后问题造成了控制系统的 反应灵敏度不高，主要有以下几个原因:第一，因为雷达模块内部含有各种滤波电路， 从而造成了大约200ms的滞后。第二，控制其内部的软件滤波算法引起的大约50ms的滞 后问题。第三，由于系统的惯性引起的滞后。第四，当农具升高或降低时，拖拉机的 后轮要先进行压缩，由于该压缩引起的滞后。上述原因引起的滞后问题造成了该控制 系统的灵敏度难以提高2。 I 综上所述，目前在国外拖拉机上，机电液一体化技术已经获得了广泛的应用， 许多公司近期推向市场的大功率拖拉机装备了电液悬挂系统，使电液悬挂产品已经进 入主流市场，还有一些拖拉机上还采用了基于CAN总线的多路传输网络系统，使得机 电液控制系统在拖拉机上的应用达到很高的水平。但同时，也还存在着许多有待于 进一步研究探讨的问题，主要表现在系统的灵敏度、可靠性和实用化方面。 1.3.21.3.2 国内研究现状国内研究现状 我国对具有力调节、位调节、力位综合调节的拖拉机液压悬挂装置的研究比较晚。 可分为三个阶段: 第一阶段为初步研究阶段。在20世纪七十年代中期，我国一些高等院校和科研机 构对一些型号的拖拉机液压悬挂系统的性能进行了田间耕作试验，希望从中找出一些 有用的规律，但是由于种种原因，如季节的影响，试验周期长，试验条件复杂，没有 达到预期的效果。到了七十年代后期，国内才有人从理论上对力控制系统的动态性能 进行初步研究。 第二阶段为机液控制系统的室内模拟仿真及分析。进入八十年代开始了拖拉机液 压悬挂系统室内仿真试验，一些具有拖拉机专业的高校先后建立了拖拉机液压悬挂系 统室内仿真试验台，并基于此进行了一些有关机组动态性能的实验和理论分析，这些 研究主要有拖拉机力调节系统建模、稳定性分析、动静态特性试验和理论分析、土壤 阻力干扰对耕深的影响分析以及机组在实际耕作过程中诸信号之间的传递关系等，从 而形成了研究的高峰，此后不断有新的成果出现。八十年代后期为了跟踪国外先进技 术，也开始了电子化自动控制技术的研究，在原机型液压系统的基础上进行改造，增 加电液控制装置和器件，并做了初步的试验工作。 第三阶段为电液控制系统的研究。20世纪九十年代以及21世纪初，随着电子技术 的飞速发展，国内有些高校开始探讨电子技术、计算机控制技术等新技术在拖拉机液 压悬挂中的应用。 文献3、4、5中提出一种新的纯牵引力传感器，拖拉机液压试验台的模拟加载控 制和性能测试由一台微机来完成，对原机型的机液控制系统的动态品质进行了测试和 评价。接着把单片机应用于拖拉机农具耕深控制中，对比原机型的机液控制系统与新 设计的数字式控制系统，提出位置控制、阻力控制、耕深控制和力位综合控制四种方 式，进行了电液控制的初步探索和伺服自动控制与计算机控制耕深的试验比较。文献 6认为悬挂系统的工作特性一般属于继电器开关型，并在此基础上采用开关型电磁阀 进行了试验研究。文献7进一步研究了微机控制系统，采用液压伺服系统取代拖拉机 原有的液压系统，运用MCS51单片机控制器对拖拉机耕作作业中的耕深进行自动控制， 取代传统的机械式调节装置，并进行了田间试验。文献8中，将原有机械式液压悬拄 控制系统改装为电液式悬拄控制系统，采用单片机对拖拉机电液悬挂控制系统进行了 I 硬件和软件设计并在室内仿真试验台上进行了试验验证试验。文献9在原拖拉机半分 置式液压悬挂机构中改进设计了自动控制系统，该系统将原有的机械式分配器控制装 置改为由一些传感器、小油缸和一套配套油路驱动分配器的方式进行控制。 我国当前拖拉机作业机组的生产和实际应用而言，对机电液一体化控制技术 的研究工作还处于起步阶段，对一些关键性技术问题尚缺芝系统和深入的研究，没有 形成可行的解决方案。液压技术在拖拉机作业机组中的应用，仍然处于以液压悬挂的 推广完善为代表的液压悬挂阶段，并且更多的研究都是针对传统机液控制系统的仿真 拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究和实验研究，还未进入实际应用阶段 10、11、12。 1.4 研究内容 鉴于我国拖拉机工业的发展水平和所面临的实际问题，本项研究拟选择拖拉机液 压悬挂系统自动控制系统，主要是液压悬挂装置及其自动控制，作为主要研究对象。 研究、探讨其在实现机电液一体化控制方面的关键技术，提出一套关于拖拉机液 压悬挂装置及其自动控制机电液一体化控制系统的基本方案和理论，研究液压系 统的优化匹配方法，最终设计开发新型拖拉机机电液一体化控制器系统，使拖拉 机作业机组能够在复杂多变的工作条件下自动化控制工作，最大限度提高整个拖拉机 作业机组的工作效能。该研究具有很大的实际应用价值和研究意义，必将对我国的农 业生产活动产生显著的经济效益和社会效益。本研究以约翰-迪尔天托1204为研究对象， 主要研究其液压悬挂系统的自动控制。 本课题主要完成的内容有: 1、拖拉机液压悬挂控制方法分析 2、液压系统的改造，传感器选型和安装 3、液压悬挂控制策略选择及研究 4、液压悬挂系统电液控制的设计和研制 研究背景与意义 国内外文献分析，对当前作 业机组进行技术调查 提出研究的问题和思路 拖拉机悬挂机电液一体 化控制策略的确定 I 图1-1 研究流程图 论文研究流程图如图1-1所示。 1.5 本章小结 本章简要介绍了课题研究背景、研究意义以及国内外机电液一体化技在拖拉 机液压悬挂机构上的应用现状。最后提出了课题研究的主要内容和研究流程图。 液压传动和液压控制系统的 研究 传感器、控制单元的选择与 外围电路设计 液压元件的选择与液压系统 设计 信号检测、传输和处理方法 的研究 编写系统控制软件 问题与展望 I 拖拉机电控液压悬挂系统设计 I 第第2 2章章 拖拉机电控液压悬挂系统的设计拖拉机电控液压悬挂系统的设计 2.1 传统拖拉机的液压悬挂系统 农用拖拉机液压悬挂系统是用液压提升和控制农机具的整套系统，其功用是连接 和牵引农机具，操纵农机具的升降，控制农机具的耕作深度或提升深度，给拖拉机驱 动轮增重以改善拖拉机的附着性能，把液压能输出到作业机械上进行其他操作。农用 拖拉机液压悬挂系统是由液压系统、操纵机构和悬挂机构三部分组成。液压系统是提 升农机具的动力装置，除工作介质（液压油）外，液压泵、油缸、分配器等液压元件 和附属装置组成。操纵机构是用来操纵分配器的主控制阀，以控制液压油的流动方向， 它有手柄操纵机构和自动控制机构两部分组成。悬挂机构用于连接农机具，传递液压 升降力和拖拉机对农机具的牵引力，并保证农机具的正常工作位置。由于液压悬挂机 组比牵引机组操纵方便、机动性高，便于自动调节耕深，因此，目前国产大、中、小 型拖拉机普遍采用液压悬挂系统。 拖拉机要进行各种作业，就必须与相应的配套农具可靠地连接在一起。根据配套 农具与拖拉机连接方式的不同，一般可分为牵引式、悬挂式和半悬挂式三种。 悬挂农具通过拖拉机液压系统获得动力，实现农具的上升和降落；农具依靠悬挂 机构与拖拉机可靠地连接在一起。因此，拖拉机的液压系统、悬挂机构、农具三者构 成一个整体，叫做“液压悬挂系统”13。 2.1.12.1.1 液压悬挂系统的组成液压悬挂系统的组成 传统拖拉机液压悬挂系统主要由:悬挂农具、悬挂机构和液压部分组成，如图2-1 所示2。 图2-1 液压悬挂系统示意图 (1) 悬挂农具:它是农田作业的工作部件，通过悬挂机构连接在拖拉机上。悬挂农 具的种类很多，目前常用的有犁、耙、播种机、收割机等。根据农具在拖拉机上挂接 位置的不同，可分为前悬挂、后悬挂和侧悬挂三种，本论文研究对象是目前使用最广 拖拉机电控液压悬挂系统设计 I 的后悬挂机组。 (2) 悬挂机构:它由连接农具的一些杆件机构所组成。按与拖拉机机体连结点数的 不同，后悬挂又有两种形式:三点悬挂和两点悬挂，如图2-2所示13。 a)三点悬挂 b）两点悬挂 图2-2 后悬挂的两种方式 三点悬挂农具相对拖拉机没有太大的偏摆，因而农具随拖拉机的直线行驶稳定性 较好。但拖拉机走偏方向时，农具己经入土，要矫正机组的行驶方向比较困难。三点 悬挂多用于中小型拖拉机上。 两点悬挂农具，工作中相对拖拉机可以作较大的摆动，多用于大功率拖拉机悬挂 重型或宽幅农具。 (3) 液压系统:它由油泵、油缸、分配器和其他辅件组成。油泵和油缸将发动机的 动力转换为农具提升所需要的力量。 传统液压悬挂的主要执行部件是分配器，通过机械推拉杠杆装置调节分配器位置 控制油液的流量与流向，使农具处于不同的工作位置。 2.1.22.1.2 液压系统的类型液压系统的类型 在液压系统中，按油泵、分配器，油缸三个主要部件位置布置和组合方式的不同， 分为分置式、半分置式和整体式三种类型，如图2一3所示13。 (1) 分置式液压系统 油泵、分配器、油缸分别布置在拖拉机的适当位置上，然后用油管把它们连接起 来。东方红75、铁牛55、东方红28等拖拉机采用这种液压系统。这种液压系统 的优点是液压元件便于专业化批量生产，系列化产品的液压元件通用性强，维修方便， 由于在拖拉机上容易布置，所以易手实现农具的前悬挂和侧悬挂。它的缺点是:连接管 路较长，易出现油液的泄漏;操纵机构全部暴露在外面，易受损伤；不便实现农具耕深 拖拉机电控液压悬挂系统的设计 I 的力调节等，目前只用于少数型号较老的拖拉机上。 图2-3 液压系统类型 (2) 半分置式液压系统 分配器、油缸、操纵机构甚至油箱，都集中在一个壳体内，称为提升器。提升器 通常位于传动箱之上，驾驶座之下，并兼作传动箱的盖子。油泵单独安装在一个适宜 的地方，由拖拉机的动力输出轴驱动。这种液压系统的优点是结构紧凑，油路较短， 液压元件与操纵机构全部密封在壳体内，因而工作较为可靠；易于实现农具的力，位 耕深调节。它的缺点是:个别液压元件的故障检查不够方便。这种液压系统广泛应用于 中、小型拖拉机上，如常发集团CF800、东方红300、东方红MG600等拖拉机均采用 半分置式液压系统。 (3) 整体式液压系统 油泵、分配器、油缸等主要工作部件，都集中在拖拉机后桥壳体内，形成一个整 体。丰收35、上海50等拖拉机的液压系统即属此种。这种液压系统的优点是:可采 用力、位及高度调节法控制耕深，工作较可靠。但其结构复杂，体积较大，因而在拖 拉机的布置上受到一定限制，拆装检查也比较麻烦，因而使用不广。 2.2 电控液压悬挂系统的设计 2.2.12.2.1 设计方案的提出设计方案的提出 悬挂系统的液压控制系统是提升农具的动力和控制装置，是悬挂装置中的动力部 分，它一般由液压泵、提升液压缸及其他一些阀类和辅助装置组成。为了实现对液压 悬挂系统的多种调节方式，液压悬挂系统必须采用电液悬挂控制方式，因此需要在按 照国际标准的前提下，对约翰-迪尔天托1204轮式拖拉机液压控制系统的基础上进行改 造。 方案一：原拖拉机的分配器把主控制阀、回油阀和安全阀集成于一体，组成了一 个总成，其输入口与液压泵通过油管连接，输出口直接与单作用液压缸无杆腔相连， 这样安装节省了空间，减小了油道的长度。因此，为了尽量采用原拖拉机的液压元件， 例如液压泵、液压油缸、滤清器、油管等。我们提出采用电液比例方向阀、电磁溢流 拖拉机电控液压悬挂系统的设计 I 阀、单向节流阀、压力表及压力传感器等，代替原拖拉机的分配器，如图2-4，2-5所 示。 图2-4 电控液压悬挂系统原理图a 图2-5 电控液压悬挂系统原理图b 拖拉机电控液压悬挂系统的设计 I 电控液压悬挂系统由液压悬挂系统、自动控制系统和信号检测与处理系统组成。 工作中，当电液比例换向阀左端电磁铁通电时，液压泵输出的高压油经过电液比例方 向阀，再经过单向节流阀的单向阀进入液压缸的无杆腔，使农机具提升；当电液比例 换向阀右端电磁铁通电时，同时控制电磁溢流阀的电磁铁断电，则液压泵输出的油液 经过电磁溢流阀流回油箱，液压泵处于卸荷状态。而在农机具自重作用下，液压缸无 杆腔的液体被排出，使农机具下降，被排出的液体经单向节流阀的节流阀和比例方向 阀流回油箱。 方案二：与方案一不同，不使用其它的液压元件代替原拖拉机的分配器，由于液 压悬挂系统控制农机具的提升、中立、下降过程主要是通过控制分配器中主控制阀的 移动位置来完成的，因此，为了为了尽量采用原拖拉机的液压元件，例如液压泵、液 压油缸、 图2-6 电控液压悬挂系统原理图c 1背压阀 2光电耦合器 3电磁换向阀 4中央处理器 5控制面板 6小油缸 7力传感器 8活塞杆 9位移传感器 10角位移传感器 11回油阀 12单向阀 13液压缸 14分配器 15主控制阀 16减压阀 17油泵 18滤油器 19油缸 拖拉机电控液压悬挂系统的设计 I 滤清器、油管包括原拖拉机的分配器。我们提出用简单的三位四通电磁换向阀组成的 液压油路控制一小油缸的方案，通过小油缸活塞杆与主控制阀的固接及移动来控制分 配器主控制阀的移动位置，近而达到设计目的，控制农机具的提升、中立、下降过程。 如图2-6所示。 方案二中电控液压悬挂系统也包括液压悬挂系统、自动控制系统和信号检测与处 理系统。 液压悬挂系统：由原液压悬挂系统的油泵、分配器、液压油缸、提升臂、拉杆和 弹簧等组成。主要完成液压油路的控制，以完成农具的提升、中立、下降过程。 自动控制系统：由电磁换向阀、减压阀、小油缸、控制面板等组成。主要完成控 制信号的输入，并由三位四通电磁换向阀和小油缸，完成分配器主阀移动位置的控制。 信号检测与处理系统：由位移传感器、压力传感器、提升轴转角传感器、放大电 路、CPU等组成，主要完成土壤阻力、农具提升高度和主阀位移量的信号检测与数据处 理。 工作中，操作控制面板上的调节旋钮，电信号输入控制电路使电磁阀换向，改变 小油缸中的液压流向，使小油缸位移，推动主阀移动，农具提升或下降。主阀的位移 量则 图2-7 力、位调节的信号传递路线方框图 电磁阀 主阀 小油缸 油缸 提升臂 耕深 悬挂机构 农具 液压油泵位移传感器 转角传感器 压力传感器 CPU 设定调节量 反 馈 量 拖拉机电控液压悬挂系统的设计 I 由位移传感器检测并控制。随着农具提升(下降)高度的变化，提升器轴转角传感器测 得电信号不断变化，当转角信号(提升高度)与操纵信号进行比较量达到预定值时，CPU 发出信号，操纵电磁阀动作，小油缸位移，主阀移动使农具处于中立状态。 农具入土后，随着耕深、土质和湿度的不断变化，土壤的阻力不断变化。该变化 经上拉杆反应在弹簧总成上，并通过弹簧杆作用在压力传感器上。压力传感器测得其 压力信号与预置参数相比较，当达到预值时，控制系统使电磁阀动作，改变油路，使 小油缸带动主阀移动，改变分配器油路，使液压悬挂系统对农具进行相应的提升或下 降。力、位调节过程的信号传递路线如图2-7所示。 2.2.22.2.2 设计方案的确定设计方案的确定 方案一是针对改进分配器，即用电液换向阀来代替液压悬挂系统分配器的作用， 进而实现电液控制的自动控制。方案二用小油缸控制分配器的主控制阀，简单方便， 轻巧，并不会有太大的能量损失。综合上述两种电控液压悬挂系统的方案提出过程及 依据，两个方案各有优劣，最终选择方案二作进一步的设计研究。 2.3 工作机理 拖拉机电子液压悬挂可以实现悬挂的可调速提升、下降。耕深调节方式有:位调节、 力调节以及它们之间的综合调节。该系统整体框架如附录一图所示。 系统控制面板设计如图2-8。 图2-8 控制面板 1、锁定开关 2、四位旋钮(a下降位b停止位。上升位d工作位) 3、下降指示灯 4、上升指示灯 5、耕深设定旋钮 6、综合调节开关 7、力调节开关 8、位调节开关 9、位调节指示灯 10、力调节指示灯 11、综合调节指示灯 拖拉机电控液压悬挂系统的设计 I 12、位置非安全报警指示灯 13、悬挂载荷非安全报警指示灯 控制面板主要由:四位旋钮、耕深设定旋钮、工作选择按键、工作指示灯和报警示 灯五部分组成。该面板主要功用是完成人机交互通信作用。拖拉机驾驶员通过控制面 板控制悬挂，并由控制面板了解悬挂的工作模式以及判断系统是否工作于安全工作区 域。 左边的四位开关旋钮可以控制悬挂上升和下降，处于上升或下降工作状态时，对 应三角形工作指示灯点亮表明工作状态。 当四位开关旋钮处于工作位，操作人员可以选择各种工作调节模式(位调节、力调 节和综合调节)，选择确定后，控制面板将信号送给主控制器单元，系统进入对应的工 作模式控制拖拉机电控液压悬挂进行相应的工作状态，此时控制面板上对应菱形工作 状态指示灯点亮。 拖拉机悬挂犁耕地机组的位调节系统是一种位置控制系统，它要求农机具与拖拉 机的相对位置保持不变。当相对位置发生变化时，位调节起作用，系统自动使农机具 回到原位。设定值是用户希望达到的耕地深度，拖拉机工作时的实际耕深由提升臂转 轴上的位置传感器间接测量出来，并作为反馈信号。此反馈信号通过一定的信号处理 后送入CPU控制芯片，经采样、A/D转换和数据处理，与设定值比较得到偏差量e，如果 偏差量e过位调节的控制范围士10%(参见国标 GB1593-79)，程序根据e的大小由HSO口 输出一的PWM波，经过驱动后形成三位四通电磁换向阀的控制信号。在此信号作用下， 电磁换向阀按PWM占空比进行开关闭合量调节来改变液压系统中液压油的流动方向和流 量，从而使农机具提升或下降。农机具由e的正负决定上升还是下降。偏差信号e越大， 阀芯开口量越大，输出油液越多，农机具动作就越迅速。当e在士10%范围内，也就是 悬挂系统工作与死区范围内，农机具处于稳定工作状态。为提高控制精度，士10%范围 降低为士2.5%。 拖拉机悬挂犁耕地机组的力调节系统是以维持拖拉机发动机负荷平稳为目的的恒 值消扰控制系统，它通过上拉杆轴向力的不变来保证拖拉机牵引阻力的近似不变。牵 引阻力作用在上拉杆上改变其拉压力，通过力传感器直接测量作用于上拉杆的拉压力。 力传感器输出的电压经过放大电路、滤波、电压保护等信号处理后，送给 CPU芯片， 进行采样、A/D转换和数据处理，并与设定牵引阻力比较，产生一个偏差量e。根据e的 大小由CPU通过HSO口产生一定占空比的PWM波，再经过功率放大控制电液比例换向阀改 变液压系统中液压油的流动方向和流量，从而使农机具提升或下降。农机具由e的正负 决定上升还是下降。当e的大小在控制范围士2.5%内，系统处于平衡状态，农机具不升 不降。 2.4 本章小结 本章主要讲述了传统拖拉机的液压悬挂系统，并简述了液压悬挂系统的组成及类 拖拉机电控液压悬挂系统的设计 I 型，针对JD-1204拖拉机的半分置式液压悬挂系统，进行分析提出了两套自动控制系统 的设计方案。两套方案都是利用电子控制系统的设计思想提出的，并最终确定方案做 下一步的设计工作。 液压回路设计和信号处理电路设计 I 第三章第三章 液压回路设计和信号处理电路设计液压回路设计和信号处理电路设计 3.1 液压回路设计和硬件选型 3.1.13.1.1 电控液压系统回路设计电控液压系统回路设计 根据系统的设计要求和液压执行元件的工作状况设计液压基本回路，在电控液压 悬挂系统自动控制中，所选择的液压回路必须使液压执行元件实现各项功能。根据农 田作业中的基本要求，电控液压悬挂系统需满足农具的提升、中立、下降的要求。电 控液压回路如图3-1所示，由三位四通电磁阀、小油缸、分配器、油泵、减压阀和溢流 阀等组成。设计时，应根据约翰-迪尔天拖1204拖拉机系统的工作压力、流量、功率的 大小以及系统对温升、工作平稳性等方面的要求选择回路，以满足上述要求。其中约 翰-迪尔天拖1204拖拉机相关参数如表3-1所示。 表3-1 JD1204拖拉机相关参数 拖拉机 型号 系统额定输出 压力 /MPa 液压输出总 流量 L/min 提升能力（悬挂点后 610mm外） /Kg 液压泵转 速 r/min 电气系统 /V JD-12041959.53150250012 图3-1 电控液压系统回路 1.背压阀 2电磁换向阀 3小油缸 4活塞杆 5回油阀 6单向阀 7分配器 8主控制阀 9减压阀 10油泵 11滤油器 12 油缸 液压回路设计和信号处理电路设计 I 由于所采用分配器中推动主控制阀弹簧的最大负荷力为1000N，因此控制主控制阀 的小油缸内的油压大于720 kPa即可，远小于油泵的输出压力19 MPa. 为了系统的安全和节能，悬挂系统中要有减压回路。在回油路中，控制分配器主 阀的小油缸的出油口，如果直接和油箱相连接，系统会出现负值负载。为了减轻负值 负载所造成的不良影响，回油路上装有背压阀，在背压阀作用下，小油缸的速度受到 限制，防止出现速度失控现象。根据溢流阀的特点和性能，可用溢流阀做背压阀。由 于小油缸要实现向左、右运动和中立3种状态，设计系统油路时，为实现系统的自动控 制，需要一个三位四通电磁换向阀。液压回路如图3-1所示。 3.1.23.1.2 液压泵和分配器选择液压泵和分配器选择 泵的主要参数有压力、流量、转速、效率，为了保证系统正常运转和泵的使用寿 命，一般在固定设备系统中，正常工作压力为泵的额定压力的80%左右，泵的Q要大于 系统工作压力。 经分析计算约定约翰-迪尔天拖1204拖拉机的液压泵型号为CB-Q30，查14 P20- 152 表20-5-6，相关参数如表3-2所示。 表3-2 JD1204拖拉机液压泵相关参数 压力 /MPa转速 r/min 类别型号排量 ml/r 额定最高额定最高 容积效率/% 外啮合齿轮CB-Q20-6020252000250092 同时电控液压悬挂系统中的分配器，使用JD1204拖拉机开心式半分置式液压系统 的分配器。 3.1.33.1.3 小油缸的选型小油缸的选型 电控液压系统中用小油缸活塞杆的运动来控制分配器中的主控制阀，以实现液压 悬挂系统中的油路换向，进行农具的相关操作。 分配器内的弹簧对主控制阀的负荷力为1000 N，分配器中主控制阀的位移量为25 mm。在提升器中，小油缸的安装空间为宽80 mm，高150 mm，长200 mm，由此可初步确 定小油缸的最大外径不能超过80 mm。查14 P20-282 表20-6-2，不妨令液压缸的内径 为50 mm，即D=50 mm。又查15 P115 表4-4，由于液压缸的工作压力小于10 MPa，于 是选往复运动比=1.33，则由15 P114 式4.24得活塞杆径： 906mm.24 33 . 1 1-33 . 1 50 1- Dd 查14 P20-282 表20-6-2，取d=25 mm。 液压回路设计和信号处理电路设计 I 下面确定小油缸的工作压力P，由于所采用的推动分配器主控制阀弹簧的最大负荷 力为1000 N,因此，控制主控制阀的小油缸内的油压： a51. 0 )1050( 100044 232 MP D F P 又液压回路中存在背压，即小油缸的出油口存在背压，取小油缸的工作压力为3MPa。 查14 P20-282 表20-6-2 活塞行程系列，取活塞的最大行程为又活塞长度：40mml 40mm508.08.0DB 导向套长度 ： 25mmd A 于是小油缸的长度： 105mm254040lABL 最终，取 。 120mmL 综上，查14 P20-311 表20-6-30，取小油缸的型号为HSGF-50/25E。 3.1.43.1.4 换向阀的选择换向阀的选择 换向阀是实现油路的换向、顺序动作及卸荷等功能的阀门。根据小油缸控制分配 器主阀完成提升、中立、下降的需要及压力、流量和拖拉机采用直流电的条件，查14 P20-528 表20-7-164选择DSG-G01-3C-2A-D24-5O型三位四通电磁换向阀，如图3-2所示。 图3-2 三位四通电磁换向阀 此电磁换向阀配有强吸力，高性能的湿式电磁铁，具有高压、大流量、压力损失 低等特点，其非常适用于农业机械及车辆中。其最大流量为63 Lmin，最高压力31.5 MPa，T口允许背压16 MPa，最高换向频率为300次min。 3.1.53.1.5 减压阀和溢流阀的选择减压阀和溢流阀的选择 减压阀是一种利用液流流过缝隙产生压降的原理，使出口压力低于进口压力的压 力控制阀。在电控液压系统中，减压阀作为稳定油路工作压力的调节装置，使油路的 液压回路设计和信号处理电路设计 I 压力不受油源压力的影响。由于小油缸工作压力变化较小，选择定值减压阀的型号为 PRCV-G10-1-32型，由上海公新机械有限公司供应。 其中： PRCV-单向减压阀； G-安装形式板式安装； 10-公称直径32mm； 1-压力调节范围7-70MPa； 32-设计号低压型。 溢流阀在液压悬挂系统中做背压阀用，背压阀装于液压系统的回油路中，给液压 系统形成一定的背压力，以增加小油缸的运动平稳性。根据油路的流量确定其型号为 R