林立恒，侯加林，吳彥強(qiáng)，李天華，劉向峰，郭鳳江

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；3.山東華盛農(nóng)業(yè)藥械有限責(zé)任公司，山東 臨沂 276017)

0 引言

高地隙自走式噴霧機(jī)作為大型噴霧機(jī)的典型代表，在作物病蟲草害化學(xué)防治過程中發(fā)揮著重要的作用。因其具有作業(yè)效率高、施藥均勻性好、駕駛操作方便靈活、勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為一種重要的植保機(jī)械。尤其在解決高稈類作物中后期施藥難、病蟲害防治效果差、農(nóng)藥利用率低等問題時(shí)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。此外，現(xiàn)代微電子技術(shù)、儀器與控制技術(shù)、信息技術(shù)等許多高新技術(shù)在高地隙自走式噴霧機(jī)上的成功應(yīng)用，更是推動(dòng)高地隙自走式噴霧機(jī)朝著智能化、光電一體化方向快速發(fā)展[2]。

實(shí)際生產(chǎn)中，由于作業(yè)環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，如何確保高地隙自走式噴霧機(jī)在噴霧作業(yè)過程中始終保持較高的作業(yè)效率和靈敏的轉(zhuǎn)向操作，是高地隙自走式噴霧機(jī)設(shè)計(jì)和研發(fā)的重要內(nèi)容[3]。本文通過綜合分析現(xiàn)有高地隙自走式噴霧機(jī)轉(zhuǎn)向行走和調(diào)速模式[4-6]，設(shè)計(jì)了一套高地隙自走式噴霧機(jī)電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Hydraulic Power Steering , EHPS )。該系統(tǒng)主要包括主控制器PLC、接近開關(guān)、逆變器、電磁換向閥、液壓泵、液壓鎖、轉(zhuǎn)向液壓缸及溢流閥等組件。通過主控制器控制電磁換向閥以不同的方式接通液壓缸，使車輛在不同行走模式、不同轉(zhuǎn)向模式之間進(jìn)行靈活的切換。該系統(tǒng)同時(shí)賦予了高地隙自走式噴霧機(jī)3種轉(zhuǎn)向模式，即兩輪模式、四輪模式和斜行模式，如圖1所示。

圖1 車輛轉(zhuǎn)向模式

此外，在工作和運(yùn)輸過程中，高地隙自走式噴霧機(jī)可以根據(jù)實(shí)際情況和需要選擇不同的速度模式，極大提高了車輛對(duì)不同工況的適應(yīng)能力和工作效率。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于大型自走式噴霧機(jī)普遍具有載重量大和行駛慣性大等特點(diǎn)，本文在進(jìn)行自走式噴霧機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了全液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)。實(shí)踐表明：液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)可以有效提高車輛的轉(zhuǎn)向靈敏度，減緩道路沖擊對(duì)車輛產(chǎn)生的影響，提高駕駛安全性，降低駕駛員疲勞程度[7]。截至目前，液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)在國(guó)外植保機(jī)械尤其是大型自走式噴霧機(jī)設(shè)計(jì)上應(yīng)用已較為普遍，技術(shù)較為成熟，但液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用仍然處于相對(duì)落后的狀態(tài)，需要更深入的研究和試驗(yàn)[8-9]。本文所設(shè)計(jì)的電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓部分主要由液壓泵、全液壓轉(zhuǎn)向器、電磁閥、溢流閥、液壓鎖、油箱和轉(zhuǎn)向液壓缸組成，原理圖如圖2所示。其中，液壓泵為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動(dòng)力，其自身動(dòng)力來(lái)源于自走式噴霧機(jī)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；電磁閥通過不同的通斷電組合來(lái)改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到達(dá)液壓缸的油路，實(shí)現(xiàn)車輛不同轉(zhuǎn)向模式和不同行駛速度模式的切換；全液壓轉(zhuǎn)向器在液壓助力下控制車輛的左右轉(zhuǎn)向和直線行駛。此外，為保證系統(tǒng)油路壓力穩(wěn)定，還安裝有安全溢流閥和液壓鎖等液壓保護(hù)裝置。圖2中，電磁閥Y1-Y8不同的通電狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)向模式和動(dòng)作：Y1為斜行模式，Y2為四輪模式，Y3和Y4為噴霧機(jī)后輪自動(dòng)回正，Y5、Y6、Y7和Y8為噴霧機(jī)車輪位置校正調(diào)節(jié)。

1、2、5、6.液壓缸 3、9、11、12.液壓鎖 4、10、14.三位四通電磁閥 7、8.兩位兩通電磁閥 15.液控轉(zhuǎn)向器 16.溢流閥 17、19.液壓泵 18、20.油箱

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以電氣控制液壓部件實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)轉(zhuǎn)向模式切換及速度模式的選擇。電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)的電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，電氣控制系統(tǒng)主要包括硬件部分和軟件部分。

2.1 控制系統(tǒng)硬件部分

電氣控制系統(tǒng)硬件部分主要包括系統(tǒng)主控制器PLC、電壓轉(zhuǎn)換的逆變器、檢測(cè)車輪位置的接近開關(guān)、操作控制按鈕及車載24V直流電源。

2.1.1 主控制器PLC

PLC是可編程控制器(Programmable Logic Controller)的簡(jiǎn)稱，是為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)，主要用于替代傳統(tǒng)的繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，廣泛應(yīng)用于機(jī)電控制、電氣控制和數(shù)據(jù)采集等多個(gè)領(lǐng)域[10-11]。本文選用三菱公司生產(chǎn)的FX1N-60MR-001型PLC作為電氣控制系統(tǒng)的主控制器，其CPU內(nèi)置8 000步無(wú)需電池支持的EEPROM、輸入輸出刷新指令、輸入濾波調(diào)整指令、輸入中斷功能和脈沖捕捉功能。該型號(hào)PLC使用100～240V交流供電、36點(diǎn)輸入、24點(diǎn)繼電器輸出、200點(diǎn)16位增計(jì)數(shù)器、可擴(kuò)展輸入輸出點(diǎn)數(shù)128點(diǎn)。

2.1.2 接近開關(guān)

接近開關(guān)(Proximity Switch)是一種無(wú)需與運(yùn)動(dòng)部件直接接觸就可以動(dòng)作的開關(guān)型傳感器，既有行程開關(guān)、微動(dòng)開關(guān)的特性，同時(shí)具有傳感器性能，動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快，使用壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，且防水、防震、耐腐蝕。接近開關(guān)的原理是：當(dāng)被檢測(cè)物體表面與接近開關(guān)的距離小于接近開關(guān)的檢出距離時(shí)，接近開關(guān)輸出電信號(hào)到控制器。本文選用型號(hào)為L(zhǎng)J18A3-8-Z/BX三線制NPN型接近開關(guān)來(lái)檢測(cè)噴霧機(jī)前后輪的位置狀態(tài)，性能參數(shù)如表1所示，內(nèi)部原理如圖3所示。

表1 LJ18A3-8-Z/BX型接近開關(guān)參數(shù)表

續(xù)表1

圖3 接近開關(guān)電路原理圖

2.1.3 其他硬件設(shè)備

本系統(tǒng)硬件設(shè)備所需電源均由車載24V直流電源提供。為給主控制器PLC提供合適的工作電壓，選配500W“DC 24V TO AC 220V”型車載逆變器，接線圖如圖4所示。

圖4 500W逆變器接線圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件部分

控制系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)不同轉(zhuǎn)向模式及不同速度模式的靈活轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)所編寫的噴霧機(jī)電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)程序能很好地滿足噴霧機(jī)兩輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向及斜行3種轉(zhuǎn)向模式，保證噴霧機(jī)在不同的工況下能以最可靠、靈活的方式工作，輕松躲避行駛路線上的障礙物；主控制器通過控制不同電磁閥動(dòng)作改變噴霧機(jī)行走馬達(dá)的排量設(shè)定了3種速度模式，使車輛工作和運(yùn)輸更加方便。系統(tǒng)工作時(shí)，主控制器PLC進(jìn)入自檢模式，檢測(cè)控制系統(tǒng)是否故障：若無(wú)故障，則進(jìn)入主程序執(zhí)行階段；否則，發(fā)出系統(tǒng)故障報(bào)警。進(jìn)入主程序后，噴霧機(jī)四輪轉(zhuǎn)向行駛模式置位，后輪自動(dòng)回正，噴霧機(jī)開始四輪轉(zhuǎn)向模式行駛。當(dāng)按下兩輪或斜行模式切換按鈕后，控制器首先檢測(cè)后輪狀態(tài)，若后輪不在中位，主控制器輸出控制信號(hào)到電磁閥接通液壓缸使后輪自動(dòng)回正，然后轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤待前輪回正后完成車輛轉(zhuǎn)向模式的切換。轉(zhuǎn)向程序執(zhí)行流程圖如圖5所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，安裝在3WP-2600G高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)上進(jìn)行性能測(cè)試及可靠性試驗(yàn)，如圖6所示。

3WP-2600G高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)是一款大型、大幅寬、大容量的高地隙噴桿噴霧施藥機(jī)械，整機(jī)采用了全液壓技術(shù)，其部分參數(shù)如表2所示。

具體實(shí)現(xiàn)和安裝方法是：在噴霧機(jī)左側(cè)前后輪轉(zhuǎn)向油缸每處分別安裝兩個(gè)LJ18A3-8-Z/BX型接近開關(guān)，用來(lái)檢測(cè)前后輪位置狀態(tài)，安裝位置如圖7所示。為了便于進(jìn)行轉(zhuǎn)向和行駛模式的切換，在駕駛室內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)向模式切換及速度模式選擇按鈕，控制按鈕布置情況如圖8所示。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：本文所設(shè)計(jì)的電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠保證高地隙噴霧機(jī)在行駛和工作過程中根據(jù)實(shí)際情況的變化可靠地進(jìn)行轉(zhuǎn)向模式的切換；當(dāng)噴霧機(jī)執(zhí)行轉(zhuǎn)彎或掉頭操作時(shí)，若采用四輪轉(zhuǎn)向模式轉(zhuǎn)彎，內(nèi)側(cè)輪最小轉(zhuǎn)彎半徑為3 930mm，外側(cè)輪最小轉(zhuǎn)彎半徑為6 160mm；若采用兩輪模式轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)輪最小轉(zhuǎn)彎半徑7 930mm，外側(cè)輪最小轉(zhuǎn)彎半徑10 160mm；若采用斜行模式行駛時(shí)，車輛能靈活地躲避行駛路線上的障礙物，并能完成移庫(kù)操作。此外，噴霧機(jī)可以根據(jù)工作及運(yùn)輸?shù)炔煌膱?chǎng)合在3種速度模式之間實(shí)現(xiàn)輕松切換，最高行駛速度可以達(dá)到30km/h。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，整個(gè)電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較高可靠性和反應(yīng)靈敏度。

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)流程圖

圖6 3WP-2600G高地隙噴桿噴霧機(jī)

主要性能指標(biāo)單位參數(shù)值設(shè)備型號(hào)3WP-2600G質(zhì)量kg9300噴幅mm24000噴桿調(diào)整范圍mm500～3000藥箱容積L2600工作壓力MPa0.2～1.0最小通過高度mm2800行駛速度km/h0～30驅(qū)動(dòng)形式四輪液壓驅(qū)動(dòng)

圖7 接近開關(guān)安裝位置示意圖

圖8 控制按鈕

4 結(jié)論

高地隙自走式噴霧機(jī)電控液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的成功應(yīng)用，能夠有效改善高和提高地隙自走式噴霧機(jī)工作性能和操作靈敏性。鑒于高地隙自走式噴霧機(jī)的自身特點(diǎn)，采用液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)能有效緩解駕駛員的疲勞程度，減輕駕駛員體力消耗。本文設(shè)計(jì)的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過綜合分析現(xiàn)有大型自走式噴霧機(jī)轉(zhuǎn)向模式，經(jīng)過認(rèn)真設(shè)計(jì)，在3WP-2600G高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)上取得成功應(yīng)用，驗(yàn)證了系統(tǒng)具有良好的工作性能和較高的可靠性，使噴霧機(jī)操作更加簡(jiǎn)便、靈活，同時(shí)極大提高了高地隙自走式噴霧機(jī)的工作效率，對(duì)大型高地隙自走式噴霧機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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