1、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
2、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
3、 .-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153893706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
4、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
5、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 HydraulicHitch Equipment of TractorAbstractWith the perpetual innovation of the emerging technology, especially the rapid development of high and new technolo
6、gy, 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
7、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 hy
8、draulic 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 c
9、ontrol-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
10、. 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
11、modules, 80C196KC microcontroller of Intel ICorporation 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;
12、 Automatic control第一章 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
13、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1.2.1 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
14、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，
15、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。1.2.2 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
16、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
17、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
18、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
19、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。1.3.1 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
20、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
21、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
22、，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
23、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
24、、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
25、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
26、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。1.3.2 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
27、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
28、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
29、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
30、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
31、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
32、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2章 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
33、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
34、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。2.1.1 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
35、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
36、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。2.1.2 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
37、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
38、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2.2.1 设计方案的提出悬挂系统的液压控制
39、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
40、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
41、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c1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
42、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
43、、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
44、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。2.2.2 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
45、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I12、位置非安全报警指示灯 13、悬挂载荷非安
46、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
47、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
48、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
49、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 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3.1.1 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
