拖拉机液压悬挂犁深的压力补偿电液控制系统设计

摘要：从拖拉机液压悬挂犁深电液控制系统原理出发，应用电控装置，设计了一种以电液比例阀为主控制阀的犁深电液控制系统。系统中安装位移传感器和力传感器等，电液比例阀应用压力补偿技术制成片式结构，方便集成为控制阀块，使系统结构紧凑，并对提升缸精确地升高或降低，进行精确的耕种，既保护了土壤又降低了油耗，同时还提高了生产率，操作更加方便、舒适。

关键词：拖拉机；电液控制系统；犁深；压力补偿

Abstract：Based on the principle of electro-hydraulic control system for plough depth of tractor hydraulic suspension， a plough depth electro-hydraulic control system with electro-hydraulic proportional valve as main control valve is designed by using electro-hydraulic control device. The system is equipped with displacement sensors and force sensors， and the electro-hydraulic proportional valve is made into sheet structure by pressure compensation technology， which is convenient to be integrated into the control valve block， so that the system structure is compact， and the lifting cylinder is accurately raised or lowered， and the accurate cultivation is carried out， which not only protects the soil but also reduces the fuel consumption， and at the same time improves the productivity. The operation is more convenient and comfortable.

Key words： Tractor；Electro hydraulic control system；Plow depth；Pressure compensation

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三种形式：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，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，对传统式液压悬挂系统的技术改进势在必行。

本文从拖拉机液压悬挂犁深电液控制统一的原理出发， 设计一种以位置控制、力控制和力位综合控制的方法，用具有压力补偿功能电液比例阀为主控制阀的犁深电液控制系统。

1 液压悬挂犁深控制系统

拖拉机电液悬挂控制系统主要功能是进行农机具升降控制，此外根据系统各种参数的设定和操作人员的操作指令该系统还可以实现对于悬挂系统高度的自动调节，以保证农机具在作业过程中的作业深度一致性。该系统的使用具有广泛的实际意义，一方面可以保证作物的出苗率；另一方面对于水土保持也有一定的实际效应。

拖拉机电液悬挂控制系统主要包括悬挂机构、液压系统和电子控制单元。通过对各传感器以及操作面板设定旋钮的数据进行检测、分析、计算，最后按照设定的程序进行电液比例阀的驱动从而达到控制提升油缸的目的，以此来实现阻力调节、位置调节、力位综合调节功能。液压悬挂犁深控制系统系统组成如图1。

（1）液压泵。为整个系统提供油源，一般由安装于拖拉机变速取力器的齿轮泵实现。

（2）液压控制阀。液压系统的控制器件，拖拉机液压阀一般由提升阀块、辅助动作阀块组成。

（3）电子控制器。系统的主控制器，用于程序控制的主机，将设计人员的控制思维编写成机器代码。

（4）控制面板。安装于驾驶室，用于操作者对整套系统的操作

（5）位置传感器。用于测量农具的高度，控制犁深。

（6）尾部按钮。安装于拖拉机尾部（后轮挡泥板）。

（7）力传感器。用于测量农具对拖拉机的实际作用力。

2 液压悬挂犁深电控装置

液压悬挂犁深电子控制器即比例控制器，该比例控制器采用变权值力位综合控制方案，如图2所示，在该方案中，虚拟终端作为人机交互平台，驾驶员根据田间土壤状况及作业要求通过虚拟终端设定犁深、牵引力以及力控制权值，犁深及牵引力传感器电压信号按权重比叠加后反馈到控制放大器，根据信号偏差生成控制电压，通过电液比例阀控制悬挂机构的犁深和牵引力。

系统功能说明：

所谓变权重是指：假设输入牵引力信号为X，权重系数为a，输入位置信号为Y，权重系数为b，综合控制指标S可用以下表达式描述：

S=aX+bY   且 a+b=1

指标S反映了上述两种输入信号按照不同的比例，各自对操纵机构起的“综合”作用。式中：

当a=1，b=0时，控制装置按力控制方式工作；

当a=0，b=1时，控制装置按位控制方式工作；

当a<l，b<1时，控制装置按力位控制方式工作：

当a≠O，a<b<1时，控制装置位控制作用大于力控制；

当b≠0，b<a<1时，控制装置力控制作用大于位控制。

（1）位置控制

位置控制可在任何驾驶状态下，拖拉机通过改变农具和拖拉机的相对位置来调节作业深度，将所附的农具保持在预先选择的犁深高度上。但该工况下，不具有自动调节作业深度功能。当土壤土质变化很大，起伏波动频繁时有可能使行走阻力过大，发动机熄火。

（2）力控制

力控制可使所需要的牵引力保持恒定，以便附具在土壤中工作。该工况下，控制系统根据作业过程中农具牵引阻力的变化调节控制器的输出，通过驱动液压悬挂装置自动调节作业深度，以保持均衡的所需要的牵引阻力。

（3）力位综合控制

力位综合控制是根据土壤的特性，按照设定的牵引力的位置和比例来引导犁或其它附具，使其在理想的工作深度上工作，即相对多大变化拉力来调整深度变化。既防止了犁深度的过大变化，又使的拉力在一定值内，不会使发动机熄火。

3 液压悬挂犁深液压控制阀

液压悬挂犁深液压控制阀（即电液比例阀）是拖拉机液压悬挂犁深电液比例控制系统的关键部件。在电控装置输出的电压信号控制下，改变液压油进出油缸的流量和流向，控制悬挂提升机构的升降，以达到自动控制犁深的目的。采用的犁深控制电液比例阀内部液压回路工作原理如图3所示，A1口作为负载输出口通向单作用提升液压缸。

图3中，当比例电磁铁A通电时，压力油经三通压力补偿器1到提升阀2右位，再经单向阀4到A1口进单作用提升缸使犁上升；当比例电磁铁B通电时，提升缸内液压油从A1口经阀3左位到回油道R1口流回油箱使犁下降。

犁上升时，二次溢流阀5起安全保护作用，防止阻力超大，犁上升的速度由进入单作用提升缸的液压油的流量决定。当负载变化使提升阀2阀后负载压力变化，三通压力补偿阀1通过阀芯移动，改变阀口的大小使提升阀2阀前压力也发生相应变化，从而使两者之差维持不变。

因此，三通压力补偿阀1是用来补偿负载变化带来的提升阀2的流量变化的影响，使提升阀2阀前压力及阀后负载压力之差维持不变。所以当提升阀2的开口面积A不变时，进入单作用提升缸的负载流量就是不变的常数，不会随负载的变化而变化，从而保证提升缸的上升速度稳定。

阀6是三孔梭阀，它是将来自犁深控制的电液比例阀的压力和来自相邻油路控制阀的压力通过压力补偿油道Y口传送到液压泵的变量机构，使泵适时进行变量满足系统流量的要求，提高系统效率。

因此，电液比例控制阀具有以下特点：

（1）电液比例控制阀具有较高的可靠性且具有良好的动态性能和稳定性，能够满足对重型拖拉机悬挂作业机组的农艺要求。

（2）在土壤比阻较小且变化均匀的地段中，拖拉机的通过性及耕作平顺性易于保证，应减小力控制权重，增加位置控制权重，以更好地满足农艺要求; 在土壤比阻较大的地段中，应首先保证拖拉机的通过性，因此需增大力控制权重。

（3）采用变权重力位综合控制方法，缓解了在力控制过程中耕深波动较大现象，改善了耕作质量，同时，在位控制过程中增加了力控制，降低了拖拉机功耗，减少了拖拉机尾气排放量。

4结论

拖拉机在现代农业的应用相当广泛，成为农业生产的主要动力。其中液压悬挂犁深控制系统的核心是电液比例提升控制阀，通过精确的力和位置控制可以对提升缸进行精确、快速和稳定地升高和降低，因此可以进行更精确的耕种。在保证拖拉机平顺性和作业质量的同时，提高了作业效率，降低了拖拉机驾驶员的劳动强度。这样可以使田间的工作更容易，并提高收割的质量。

参考文献

[1] 辛连学，李海金. 液压与气动技术[M].北京：北京航空航天大学出版社， 2010.

[2] 杨贵新，李新生. 液压与气动技术项目教程[M].北京：北京航空航天大学出版社， 2014.

[3] 周能文，王亚峰等. 基于AMESim的液压位置控制系统动态特性研究[J]. 机械工程与自动化， 2010，（4）：82-84.

[4] 杨建峰，王强等. 基于Matlah/Simulink的某电液比例调速阀控同步系统仿真[J].机床与液压，2011，（1）：115-117.

[5] 赵建军，朱忠祥，等. 重型拖拉机电液悬挂比例控制器设计[J]. 农业机械学报， 2014（4）：10-15.

[6] 杨兴旺，高刚毅，等. 农业机械自动化控制技术应用分析[J]. 南方农机， 2019（23）：55-56.

第一作者：刘蕴青 （1969-），男，江苏泰州人，副教授，高级工程师，主要从事机电设施装备的研究，单位：江苏农牧科技职业学院