商高高，顧 新，朱晨陽

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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拖拉機(jī)液壓懸掛試驗(yàn)臺(tái)研究

商高高，顧 新，朱晨陽

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為提高拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)檢測(cè)的自動(dòng)化水平和測(cè)試精度，提出了一種應(yīng)用電液比例閥控制加載力和垂直度的試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)方案，基于SimulationX軟件對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：目標(biāo)加載力調(diào)節(jié)時(shí)間均小于0.3 s；加載力跟隨試驗(yàn)最大誤差約為0.6 kN，并且在跟隨加載力上升階段實(shí)際曲線與跟隨曲線基本吻合；垂直度仿真過程中，系統(tǒng)在低初始偏差和中、高初始偏差達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間分別在0.3，2.0 s以內(nèi)，可見設(shè)計(jì)方案是可行的，為拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量檢測(cè)提供了高效的測(cè)試平臺(tái)。

車輛工程；懸掛試驗(yàn)臺(tái)；液壓加載；仿真分析

拖拉機(jī)液壓懸掛裝置是利用液壓油液的壓力來提升并維持農(nóng)具處于各種不同位置的懸掛裝置，它是拖拉機(jī)的必備工作裝置之一。為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)液壓懸掛裝置的性能和制造質(zhì)量能否達(dá)到要求，須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)。目前，國(guó)家規(guī)定的拖拉機(jī)液壓懸掛檢測(cè)項(xiàng)目主要是后置三點(diǎn)懸掛裝置提升能力的檢測(cè)，內(nèi)容主要包括了最大提升力試驗(yàn)和靜沉降試驗(yàn)。以往使用的檢測(cè)設(shè)備大多數(shù)十分陳舊，主要采用手動(dòng)測(cè)量的方式，使用起來勞動(dòng)強(qiáng)度大，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，自動(dòng)化水平低，不便于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理[1-3]。而筆者設(shè)計(jì)的液壓懸掛試驗(yàn)臺(tái)采用了液壓加載的方式，在完成與被試驗(yàn)拖拉機(jī)懸掛裝置的連接后，可自動(dòng)完成下懸掛點(diǎn)的提升力(或框架上的提升力)試驗(yàn)和靜沉降試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程的信號(hào)采集和控制全部由計(jì)算機(jī)自動(dòng)操作，無需過多的人工操作。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理

1.1 結(jié)構(gòu)方案

試驗(yàn)臺(tái)采用的是油缸加載方式，可以同時(shí)滿足提升力和靜沉降試驗(yàn)的要求，其結(jié)構(gòu)原理如圖1。加載油缸為內(nèi)置位移傳感器的伺服油缸，將加載油缸通過軸承固定在滑塊機(jī)構(gòu)上，油缸可以繞著滑塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過一定的角度。加載油缸的活塞桿通過拉力傳感器與提升框架連接，當(dāng)角度傳感器測(cè)得加載缸垂直度發(fā)生變化時(shí)，可通過控制角度調(diào)整油缸拖動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)向前或向后移動(dòng)來修正加載缸角度使得加載力方向始終垂直向下。在進(jìn)行最大提升力測(cè)試時(shí)，首先控制加載油缸截止，此時(shí)拖拉機(jī)相當(dāng)于“自己提升自己”，對(duì)拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)被動(dòng)加載力，當(dāng)拖拉機(jī)安全閥打開時(shí)測(cè)出的該力大小即為該點(diǎn)的最大提升力。需要調(diào)整測(cè)量點(diǎn)位置時(shí)，控制加載油缸相關(guān)油路打開，使得油缸在提升力的作用下可以被動(dòng)提升，到達(dá)測(cè)量點(diǎn)后再關(guān)閉油缸的相關(guān)油路即可。當(dāng)檢測(cè)到加載油缸的垂直度發(fā)生變化后，可通過控制角度調(diào)整油缸拖動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)向前或向后移動(dòng)來及時(shí)修正加載油缸的角度，使加載力始終與地面垂直。在進(jìn)行靜沉降試驗(yàn)時(shí)，通過油泵向加載油缸內(nèi)加油可以實(shí)現(xiàn)無極加載，從而保持加載力恒定。

1—拖拉機(jī)液壓懸掛示意；2—提升框架；3—拉力傳感器；4—液壓泵站總成；5—角度調(diào)整油缸；6—加載油缸；7—加載缸角度傳感器；8—滑塊機(jī)構(gòu)；9—滑塊機(jī)構(gòu)支架

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)方案

Fig.1 Structure of test bench

1.2 液壓系統(tǒng)原理

液壓加載系統(tǒng)采用了電液比例閥的方式進(jìn)行加載，系統(tǒng)工作過程中比例閥可以根據(jù)輸入的控制電壓信號(hào)連續(xù)的按比例控制系統(tǒng)的液壓方向，流量和壓力?？捎行ПＷC靜沉降試驗(yàn)加載時(shí)所施加載荷的穩(wěn)定性，而調(diào)整油缸采用的電液比例閥保證了垂直度實(shí)時(shí)控制時(shí)的精度和穩(wěn)定性。筆者所設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的最大加載能力可達(dá)50 kN，其液壓系統(tǒng)原理如圖2。其中，為了減少油液的泄露，在加載油缸的有桿腔中增加了蓄能器進(jìn)行保壓；加載油缸的無桿腔中通過平衡閥設(shè)定一定的背壓值可以防止加載油缸的活塞及其連接部件由于自重突然下落，失速等不穩(wěn)定現(xiàn)象[4]；而垂直度調(diào)整油路中加入的雙平衡閥，在減少了油液泄露的同時(shí)增加了調(diào)整油缸運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性[5]。圖2中，1為吸油過濾器，2為油泵，3為溢流閥，4為比例換向閥，5為安全閥，6為蓄能器，7為平衡閥，8為電磁換向閥，9為疊加式平衡閥，10為比例換向閥，11為風(fēng)冷，12為回油過濾器。

圖2 液壓加載系統(tǒng)原理

2 試驗(yàn)臺(tái)仿真分析

加載力和垂直度的自動(dòng)控制是本試驗(yàn)臺(tái)能否滿足要求的關(guān)鍵，筆者將對(duì)這兩個(gè)部分的控制進(jìn)行仿真分析。由于本試驗(yàn)臺(tái)主要采用液壓控制方式，而在各液壓系統(tǒng)的仿真軟件中SimulationX[6]采用基于基本物理元素組合的建模方式，無需對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型有很深了解[7]，因此選用SimulationX來進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2.1 加載力自動(dòng)控制仿真模型

加載力控制的SimulationX仿真模型[8]如圖3。該模型分為試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)和負(fù)載系統(tǒng)。其中，負(fù)載系統(tǒng)模擬拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)，簡(jiǎn)化起見，直接將負(fù)載油缸通過拉力傳感器與加載油缸相連。拉力傳感器信號(hào)作為反饋信號(hào)和設(shè)定的拉力值進(jìn)行比較，差值通過PID控制器處理后輸入給比例閥進(jìn)行控制。部分參數(shù)如表1。

圖3 加載力自動(dòng)調(diào)節(jié)仿真模型

表1 加載力自動(dòng)控制部分仿真參數(shù)

由試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理可知加載缸垂直度的控制是通過調(diào)節(jié)調(diào)整油缸的位移來實(shí)現(xiàn)的，因此可以將調(diào)整油缸的行程變化轉(zhuǎn)化為加載缸的角度變化，搭建的仿真模型如圖4。在該模型中，選用機(jī)械庫里的摩擦力模塊模擬調(diào)整油缸在運(yùn)動(dòng)過程中所受的阻力；通過函數(shù)模塊將油缸的位移轉(zhuǎn)換成了角度作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋，再將目標(biāo)值與該值的差值通過PID控制器處理后輸入給比例閥進(jìn)行垂直度的控制。部分模型參數(shù)如表2。

圖4 垂直度自動(dòng)調(diào)節(jié)仿真模型

表2 垂直度自動(dòng)控制部分仿真參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 固定目標(biāo)加載力仿真

在加載力自動(dòng)控制模型中，初始加載力設(shè)為0，設(shè)置仿真時(shí)間為3 s，仿真時(shí)間間隔為0.01 s，以4種不同目標(biāo)加載力，以驗(yàn)證在系統(tǒng)的加載能力。仿真結(jié)果如圖5。

從圖5可以看出，在PID控制策略下系統(tǒng)可以滿足各種范圍的目標(biāo)加載力的快速調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)間均小于0.3 s，完全滿足系統(tǒng)要求。

圖5 不同目標(biāo)載荷的加載力調(diào)節(jié)結(jié)果

2.2.2 加載力跟隨仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證加載系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力及控制精度，設(shè)置了一個(gè)偏移正弦信號(hào)的目標(biāo)加載力，并進(jìn)行了相應(yīng)跟隨仿真。正弦信號(hào)的頻率為1 Hz，幅值為10 kN，偏移量為15 kN。設(shè)置仿真時(shí)間為10 s，仿真時(shí)間間隔為0.01 s進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6。

圖6 加載力跟隨仿真結(jié)果

該結(jié)果很好的反映了系統(tǒng)加載和卸載的情況。由仿真結(jié)果可以看出，跟隨目標(biāo)的初值為25 kN，實(shí)際值初值為0 kN，大約0.3 s的調(diào)整后，系統(tǒng)在PID控制策略下就能很好的跟隨加載力上升和下降，進(jìn)入穩(wěn)定跟隨狀態(tài)。其中系統(tǒng)最大誤差發(fā)生在跟隨加載力下降階段，最大跟隨誤差約0.6 kN；而在跟隨加載力上升階段，實(shí)際曲線與跟隨曲線基本吻合。

2.2.3 垂直度仿真結(jié)果

垂直度模型的控制目標(biāo)是將加載缸角度始終調(diào)整到垂直狀態(tài)，根據(jù)建模時(shí)的假設(shè)條件，設(shè)定目標(biāo)角度為0°，并在不同初值角度下進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)在PID策略下的垂直度調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度和精度。設(shè)置的仿真時(shí)間為3 s，仿真時(shí)間間隔為0.01 s，仿真結(jié)果如圖7。

圖7 不同初值角度下的仿真

圖7(a)和圖7(b)為系統(tǒng)在低初始偏差角度情況下進(jìn)行垂直度調(diào)節(jié)時(shí)的仿真情況。由圖可見，在幾種不同的初始角度偏差狀態(tài)下，系統(tǒng)可以很快進(jìn)行調(diào)節(jié)響應(yīng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間均在0.3 s以內(nèi)。由于實(shí)際情況下加載缸的垂直度偏差不會(huì)到達(dá)太大值，因此該部分仿真主要反映的是實(shí)際垂直度調(diào)節(jié)時(shí)的情況。

圖7(c)和圖7(d)為中、高初始偏差下的垂直度調(diào)節(jié)情況，反映了系統(tǒng)垂直度調(diào)節(jié)時(shí)的儲(chǔ)備能力。在正負(fù)兩個(gè)方向的中、高偏差初值角度的調(diào)節(jié)中，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也很快，最大偏差狀態(tài)下調(diào)整到垂直狀態(tài)的時(shí)間也都在2.0 s以內(nèi)。

3 試驗(yàn)控制流程

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)[9]的最大提升力試驗(yàn)和靜沉降試驗(yàn)的控制流程如圖8。

圖8 流程圖

由于試驗(yàn)過程是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的，用戶只需根據(jù)測(cè)試軟件上的提示的信息進(jìn)行相應(yīng)準(zhǔn)備即可。此外，本測(cè)試軟件還具有拖拉機(jī)液壓提升器試驗(yàn)臺(tái)加載方法分析保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)和生成報(bào)告等功能。

4 結(jié) 語

筆者首先設(shè)計(jì)了新型的試驗(yàn)臺(tái)液壓加載方案，并基于SimulationX對(duì)加載力和垂直度的自動(dòng)控制進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的可行性。采用計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程進(jìn)行控制，大大提高了試驗(yàn)時(shí)的測(cè)量精度和勞動(dòng)效率。本系統(tǒng)的自動(dòng)化程度遠(yuǎn)高于以往的液壓懸掛試驗(yàn)裝置，操作簡(jiǎn)單，可廣泛應(yīng)用于液壓懸掛系統(tǒng)的產(chǎn)品研制、開發(fā)、質(zhì)量檢測(cè)過程中。

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Research on Hydraulic Hitch Test Bench of Tractor

Shang Gaogao, Gu Xin, Zhu Chenyang

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

In order to increase the automation level and test accuracy of the tractor hydraulic hitch system, a test-bench structure of the program was proposed, which used the electro-hydraulic proportional valve for controlling the loading force and verticality during the test. Based on SimulationX software, the hydraulic loading system of the test bench was simulated and analyzed. The results indicate that the adjustment time of target loading force is all less than 0.3 s; the maximum error of the loading force test is about 0.6 kN; and the actual curve and the following curve are basically agreed in the rising phase of loading force. In the simulation process of verticality, the time of the system to reach a steady state at a low initial deviation, intermediate and high initial deviation is within 0.3 and 2.0 s respectively, which verifies the feasibility of the design and provides an efficient test platform for the product development and quality testing of the tractor hydraulic hitch system.

vehicle engineering; hitch test bench; hydraulic loading; simulation analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.30

2014-06-05；

2014-09-10

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)目(BY2012170)

商高高(1962—)，男，湖北武漢人，副教授，碩士，主要從事機(jī)電一體化方面的研究。E-mail:shanggaogao@ujs.edu.cn。

U463.33;O319.56

A

1674-0696(2015)06-162-05