杜娟 李敏 金誠謙 印祥

摘? ?要：農(nóng)業(yè)機械自動轉(zhuǎn)向是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械自動化和智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一，農(nóng)田作業(yè)工況較為復(fù)雜，拖拉機自動轉(zhuǎn)向裝置的現(xiàn)場安裝調(diào)試費時費力。針對這一問題，本研究研制了一種拖拉機自動轉(zhuǎn)向試驗臺，對拖拉機自動轉(zhuǎn)向裝置進行模擬調(diào)試與測試以保證其控制的準(zhǔn)確性和可靠性，從而減少田間測試時間，降低安裝使用成本。本研究選用120馬力拖拉機前橋，通過對機械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計計算，搭建了拖拉機自動轉(zhuǎn)向試驗臺。利用慣性測量單元對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作性能進行測試，試驗結(jié)果表明方向盤平均轉(zhuǎn)向間隙為16.48°，車輪平均轉(zhuǎn)角延遲時間為0.14s，響應(yīng)速度和穩(wěn)定性符合農(nóng)業(yè)機械轉(zhuǎn)向要求。所研制的拖拉機自動轉(zhuǎn)向試驗臺能夠用于測試拖拉機前橋的工作狀態(tài)，并對其轉(zhuǎn)向性能參數(shù)進行準(zhǔn)確采集和記錄，可為農(nóng)業(yè)機械自動轉(zhuǎn)向裝置的調(diào)試和性能檢測提供一個高效可靠的測試平臺。

關(guān)鍵詞：拖拉機;自動轉(zhuǎn)向;試驗臺;自動控制

中圖分類號：S232? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：201903-SA002

杜? 娟， 李? 敏， 金誠謙， 印? 祥. 拖拉機自動轉(zhuǎn)向試驗臺研制[J]. 智慧農(nóng)業(yè)， 2019， 1（2）： 85-93.

Du J ， Li M， Jin C， Yin X. Development of an automatic steering test bench for tractors[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（2）： 85-93. （in Chinese with English abstract）

1? 引言

拖拉機作為田間作業(yè)的主要動力機械，能夠掛接多種作業(yè)機具，其作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，對駕駛員技術(shù)要求較高，長時間的顛簸作業(yè)極易引起駕駛員疲勞。自動導(dǎo)航技術(shù)的實現(xiàn)，不僅可以降低操作難度、減少誤差、保證田間作業(yè)質(zhì)量，還可以節(jié)約農(nóng)時、降低生產(chǎn)成本、促進智慧農(nóng)業(yè)深度發(fā)展。近年來，基于衛(wèi)星定位的拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)大大提高了拖拉機田間作業(yè)的高效性和精確性[1，2]。自動轉(zhuǎn)向是實現(xiàn)拖拉機自動導(dǎo)航的前提[3-5]，國內(nèi)外對拖拉機自動轉(zhuǎn)向這一技術(shù)進行了大量研究，最常見、應(yīng)用最廣泛的兩種方式分別是電液控制和電機控制[6-9]。

在電液控制方向方面，羅錫文等[10]、吳曉

鵬等[11]分別設(shè)計了基于PID算法的導(dǎo)航控制器和基于C8051F040單片機的轉(zhuǎn)向控制單元，他們通過改裝原有拖拉機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成了電液控制的自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計，試驗證明其具有良好的響應(yīng)特性;陳文良等[12]通過組合液壓轉(zhuǎn)向器、步進電機等設(shè)計了一種電控液壓自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng);Qiu等[13]設(shè)計的拖拉機自動轉(zhuǎn)向操控系統(tǒng)具有良好的試驗效果。通過電液控制實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向的方法反映速度快、反映精度高、操縱穩(wěn)定性好。在電機控制方向，胡煉等[14]、張智剛等[15]分別以日本久保田SPU-68型和SPU-60型水稻插秧機為研究對象進行了自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計。來自美國Trimble公司的“EZ-Steer”采用摩擦輪電機系

統(tǒng)達到了自動轉(zhuǎn)向的目的，成本低且安裝簡單。通過加裝自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向的

方式盡可能地減少了對拖拉機原有轉(zhuǎn)向機構(gòu)的

改造。

拖拉機自動轉(zhuǎn)向機構(gòu)及其控制系統(tǒng)的測試大多是在拖拉機上進行的，然而田間測試對工作環(huán)境有著較高的要求，耗費較多的人力和物力。而拖拉機自動轉(zhuǎn)向試驗臺可以為自動轉(zhuǎn)向裝置的性能檢測提供一個高效可靠的測試平臺[16-18]。實驗臺架的研制工作受到國內(nèi)諸多高校的重視，李志臣等[19]設(shè)計的拖拉機智能主動轉(zhuǎn)向試驗臺能夠滿足檢驗拖拉機主動轉(zhuǎn)向控制方法的需要，但是由于沒法連接轉(zhuǎn)向車輪，不能滿足拖拉機主動轉(zhuǎn)向的實際工況。

針對農(nóng)業(yè)機械自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)現(xiàn)場安裝調(diào)試費時費力的問題，研制了一種用于自動轉(zhuǎn)向裝置調(diào)試和測試的拖拉機自動轉(zhuǎn)向試驗臺。所研制的試驗臺可集成液壓自動轉(zhuǎn)向裝置或電動方向盤，能夠完成輪式拖拉機的模擬加載和自動轉(zhuǎn)向裝置的性能測試。通過采集和記錄轉(zhuǎn)向過程參數(shù)，為拖拉機自動轉(zhuǎn)向裝置的快速安裝提供依據(jù)，有助于減少田間調(diào)試時間，提高工作效率。

2? 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證試驗臺較好的通用性，本試驗臺以東方紅1204型120馬力拖拉機[20]前橋為設(shè)計參考，進行整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。試驗臺總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由轉(zhuǎn)向前橋、導(dǎo)向車輪、模擬加載裝置、液壓助力方向盤總成、機架等組成。

機架采用箱式底座，尺寸為2500mm×1800mm×35mm，用于支撐并安裝其它部件。轉(zhuǎn)向前橋選用1204型拖拉機轉(zhuǎn)向橋，采用浮動式結(jié)構(gòu)設(shè)計，前橋與浮動架鉸接，可模擬路面不平時拖拉機的真實狀態(tài)。

為了能夠模擬拖拉機行駛時不同地面條件和作業(yè)工況，設(shè)計了模擬加載裝置，該裝置主要由輪胎托板、加載支架和千斤頂組成。如圖2所示。

拖拉機行駛速度較低，對加載裝置的控制精度和響應(yīng)速度沒有過高的要求，根據(jù)拖拉機的最小使用質(zhì)量及最大配重，本研究選用起重量為5t的機械式千斤頂作為力的加載機構(gòu)，通過調(diào)節(jié)加載定位螺栓可調(diào)節(jié)平臺與車輪的間隙，通過調(diào)節(jié)加載壓力螺栓可以改變平臺施加力的大小。千斤頂加載時，產(chǎn)生的作用力由梁架傳遞給輪胎托盤平臺，機體的重量由平臺承受，使之保持平衡，梁板支架之間設(shè)有緩沖壓簧。

3? 液壓系統(tǒng)設(shè)計

3.1? 液壓系統(tǒng)的原理

如圖3所示，本試驗臺的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以變頻電機作為動力源，主要包括液壓泵、液壓助力轉(zhuǎn)向裝置、轉(zhuǎn)向油缸、二位二通電磁閥等。

液壓齒輪泵由變頻電機驅(qū)動，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供壓力油源;二位二通電磁閥用以控制相應(yīng)油路的通斷;預(yù)留接口用以連接液壓自動轉(zhuǎn)向裝置。當(dāng)手動轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向器端的電磁閥接通油路，轉(zhuǎn)向器把液壓泵提供的油定量、定向的輸入到液壓缸，推動拖拉機前輪實現(xiàn)動力轉(zhuǎn)向，液壓油的流量和流向由方向盤的轉(zhuǎn)角大小來決定。當(dāng)采用液壓自動轉(zhuǎn)向時，通過預(yù)留接口連接自動轉(zhuǎn)向裝置，二位二通電磁閥將手動轉(zhuǎn)向油路斷開，使自動轉(zhuǎn)向油路接通，液壓油通過自動轉(zhuǎn)向裝置進入油缸，實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向。

3.2? 液壓元件的選型

正常工作條件下，拖拉機轉(zhuǎn)向輪承受著整機2/5的重量，而拖拉機原地轉(zhuǎn)向時需要克服的阻力矩約為行駛中的2～3倍，因此本研究以原地轉(zhuǎn)向最大阻力矩來作為設(shè)計參考數(shù)據(jù)[21-23]。原地轉(zhuǎn)向阻力矩由導(dǎo)向輪與地面的摩擦阻力矩和抬起前橋的阻力矩組成[24，25]：

Mdmax=Mμ+Mε=0.05GD+G（0.5Dtgε+S）sinεsinαmax

（1）

其中，Mdmax為拖拉機原地轉(zhuǎn)向最大阻力矩，N·m;Mμ為地面對導(dǎo)向輪的摩擦阻力矩，N·m;Mε為抬起前輪的阻力矩，N·m;G為靜止時前橋的垂直載荷，N;D為輪胎名義直徑，m;ε為主銷內(nèi)傾角，（°）;S為導(dǎo)向輪偏距，m;αmax為內(nèi)導(dǎo)向輪最大轉(zhuǎn)角，（°）。

圖4為執(zhí)行機構(gòu)簡圖，根據(jù)公式（2）計算作用在轉(zhuǎn)向液壓缸活塞桿的推力，考慮到導(dǎo)向輪各種工況，得到油缸的最大負載。

F =M max /（Lsinα）? ? ? ? ? ?（2）

其中，F(xiàn)為液壓缸活塞桿的推力，N;L為轉(zhuǎn)向連桿的長度，m。

經(jīng)查閱資料，該轉(zhuǎn)向機構(gòu)屬于輕型拉桿系列，選用額定壓力為16MPa的液壓泵，根據(jù)經(jīng)驗本設(shè)計按液壓泵的0.7倍確定液壓系統(tǒng)的實際工作壓力[26-28]，考慮到所選各元件的經(jīng)濟性和效率性，確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓缸的最終工作壓力為11MPa。

本試驗臺選用單活塞式雙作用液壓缸，參考以上數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)向液壓缸有效工作面積為：

A = F/P=πD 2/4? ? ? ? ? （3）

其中，A為轉(zhuǎn)向液壓缸有效工作面積，mm2;P為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓缸的工作壓力，MPa;D為液壓缸內(nèi)徑，mm。為保證液壓缸能夠持續(xù)穩(wěn)定地安全工作，活塞桿直徑的選取參考經(jīng)驗值d/D=0.5，根據(jù)液壓缸的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列經(jīng)數(shù)據(jù)元整確定液壓缸內(nèi)徑D為50mm，活塞桿直徑d為25mm。

液壓缸實際使用過程中最大轉(zhuǎn)向作用力

P為：

P=F/A=F/[π（D 2-d 2）/4]? ? ? ?（4）

其中，d為活塞桿直徑，mm。計算得液壓缸實際工作需要轉(zhuǎn)向壓力P為7.13MPa，小于液壓系統(tǒng)的工作壓力，滿足設(shè)計所規(guī)定的作用力。

考慮管路損失，確定液壓泵的最大工作壓力為12MPa，轉(zhuǎn)向過程中液壓缸所需的最大流量和液壓泵的輸出流量計算公式如下：

qmax=AVmax? ? ? ? ?（5）

qp=KΣqmax? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

其中，qmax為液壓缸所需最大流量，L/min;Vmax為液壓缸活塞移動的最大速度，mm/min;qp為液壓泵的流量，L/min;K為系統(tǒng)的泄露系數(shù)，K=1.1～1.3，取K=1.2;Σqmax為同時動作的液壓執(zhí)行元件的最大總流量，L/min。計算得液壓缸所需的最大流量為3.24L/min，則液壓泵輸出流量應(yīng)為3.9L/min。選用額定壓力為16MPa，公稱轉(zhuǎn)速為2000r/min的齒輪泵，該齒輪泵結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，工作性能穩(wěn)定，不怕油污污染。

4? 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要包括控制柜、變頻控制器、變頻電動機、操作顯示面板等，能夠根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向要求對電動機進行變頻調(diào)速，改變液壓泵的輸出流量;系統(tǒng)參數(shù)的采集處理，包括壓力、電機轉(zhuǎn)速、實時電壓和電流等。

在轉(zhuǎn)向過程中，系統(tǒng)的流量和壓力一直處

于變化之中，因此要求功率變化大，為了實現(xiàn)

整個工作循環(huán)的目標(biāo)要求，需要按大功率范圍來選用電動機。驅(qū)動液壓泵所需的電動機功率計算如下：

PM =PpQp / （60nP） （7）

其中，PM為液壓泵的驅(qū)動功率，kW;PP為液壓泵的最大工作壓力，MPa;Qp為液壓泵所需輸出的最大流量，L/min;np為液壓泵的總效率，齒輪泵取0.6～0.7。

通過上節(jié)數(shù)據(jù)可知液壓泵的最大供油壓力為12MPa，根據(jù)上式計算液壓泵所需的驅(qū)動功率約為1.3kW。故電動機選用國內(nèi)常用的Y系列三相異步電動機，額定功率為4kW，額定轉(zhuǎn)速為1400r/min。

變頻器作為執(zhí)行機構(gòu)，通過控制電機的頻率進而控制電機的轉(zhuǎn)速。選用功率為4kW，可輸出頻率為0～400Hz的變頻器。變頻器和電動機及其系統(tǒng)電路的接線如圖5所示。

電氣控制柜控制面板可顯示實時電壓、電流以及轉(zhuǎn)速等信息供操作人員參考，并通過加速、減速、啟動、停止按鈕實現(xiàn)對變頻電機的實時控制，控制面板見圖6。

5? 試驗臺測試及結(jié)果分析

5.1? 測試方法

圖7所示為所研制的拖拉機自動轉(zhuǎn)向試驗臺，主要包括機械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)?？刂乒?、油箱、油泵、變頻電機等固定安裝于底座支架上。

為了測試拖拉機自動轉(zhuǎn)向試驗臺的工作性能和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，對其進行了左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、車輪回正等一系列性能試驗。將慣性測量單元固定于試驗臺的轉(zhuǎn)向立柱及方向盤上，分別用以記錄轉(zhuǎn)向輪和方向盤的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，慣性測量單元的安裝如圖8所示。

試驗測得車輪從正中分別轉(zhuǎn)動到兩側(cè)的極

限角度均為40°，即轉(zhuǎn)向立柱旋轉(zhuǎn)角度的最大值φmax為80°。

試驗時間：2019年1月10～13日。

試驗地點：山東理工大學(xué)。

試驗對象：按照本研究方法研制的拖拉機自動轉(zhuǎn)向試驗臺。

測量設(shè)備：LPMS-USBAL慣性測量單元。

試驗過程中，設(shè)定拖拉機轉(zhuǎn)向輪正前方向為轉(zhuǎn)向角度的零點，向左角度為正，向右角度為負，分別以不同的轉(zhuǎn)動速度操作方向盤使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一定角度，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行工作性能測試。

5.2? 測試結(jié)果及分析

圖9是手動轉(zhuǎn)動方向盤使車輪從0°轉(zhuǎn)到35°時，用LPMS-USBAL慣性測量單元[29，30]記錄測量的方向盤和車輪角度變化曲線，圖中數(shù)據(jù)顯示，方向盤轉(zhuǎn)角為17.9°時車輪開始轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)向輪在方向盤轉(zhuǎn)到一定角度時才開始轉(zhuǎn)動是因為方向盤轉(zhuǎn)向間隙的存在，該次試驗的轉(zhuǎn)向間隙即為17.9°，且方向盤平均轉(zhuǎn)向間隙為16.50°，最大轉(zhuǎn)向間隙為28.90°，操縱柔和，符合拖拉機轉(zhuǎn)向機構(gòu)對轉(zhuǎn)向間隙的技術(shù)要求。

不考慮拖拉機起始轉(zhuǎn)向間隙，將記錄的方向盤轉(zhuǎn)角映射至與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角同一尺度范圍下，得到車輪的實際轉(zhuǎn)角、理論轉(zhuǎn)角及其斜率的轉(zhuǎn)向過程曲線。在一定時間間隔內(nèi)，取理論轉(zhuǎn)角值及其對應(yīng)時間，同時觀察與所取理論轉(zhuǎn)角相同的實際轉(zhuǎn)角所對應(yīng)的時間，對比兩者并得到時間差，該時間差即為轉(zhuǎn)向輪相對于方向盤轉(zhuǎn)角的延遲時間。

圖10為手動轉(zhuǎn)動方向盤使其完成轉(zhuǎn)向作業(yè)的情況下得到的轉(zhuǎn)向過程示意圖，最大延遲時間不超過0.3s，平均延遲時間為0.14s。

在常用范圍及小轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，實際轉(zhuǎn)角和理論轉(zhuǎn)角相比偏差較小，響應(yīng)時間短，操縱靈活。試驗結(jié)果表明該試驗臺能夠在人工操控下以較高的精度完成轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向性能可靠，可滿足自動轉(zhuǎn)向裝置的調(diào)試和性能測試要求。

6? 結(jié)論

為了減少農(nóng)業(yè)機械自動轉(zhuǎn)向裝置的田間調(diào)試時間，降低調(diào)試成本，搭建了拖拉自動轉(zhuǎn)向試驗臺，其結(jié)構(gòu)主要包括機械部分、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等，并通過慣性測量單元完成了試驗臺轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作性能測試。

（1）本研究所研制的拖拉機自動轉(zhuǎn)向試驗臺，模擬加載裝置可施加0～5t的力，驅(qū)動形式為液壓助力，可以通過矢量變頻器調(diào)節(jié)變頻電機速度來調(diào)節(jié)液壓齒輪泵轉(zhuǎn)速以模擬農(nóng)業(yè)機械的不同工況。

（2）該試驗臺采用全液壓轉(zhuǎn)向器進行轉(zhuǎn)向，能夠模擬拖拉機前橋的工作狀態(tài)，并對轉(zhuǎn)向性能參數(shù)進行采集處理，試驗結(jié)果證明其系統(tǒng)可靠、響應(yīng)迅速、具備良好的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

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Development of an automatic steering test bench for tractors

Juan Du1，2， Min Li1，2， Chengqian Jin1，2， Xiang Yin1，2*

（1. College of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo 255000， China;

2. Shandong Provincial Key Laboratory of Dry Farming Machinery & Informationalization，

Shandong University of Technology， Zibo 255000， China）

Abstract： In recent years， the technology of automatic tractor navigation based on satellite positioning has greatly improved the efficiency and accuracy of tractor field work. Automatic steering contributes is one of the key technologies to realize the automation and intelligentization of agricultural mechanization. It costs much time to install and test automatic steering systems for tractors in the field due to complicated conditions. An automatic steering test bench was developed to reduce time consumed in the field by conducting simulation tests on accuracy and reliability. The developed automatic steering system can be applied to the tractor after obtaining satisfactory results on the test bench， which will greatly shorten the development cycle and improve the precision of the system. In this study， a 120-horsepower tractor front axle was selected. Through the design and calculation of mechanical structure， hydraulic system and electrical control system， the tractor automatic steering test bench was built. The mechanical body consist of a tractor front axle assembly， a loading device and a mechanical frame. The hydraulic interface was reserved for post-installation of automatic steering devices. Two inertial measurement units were used to test the steering system performance by recording the rotation angle of front wheels and the steering wheel. The steering wheel had a steering clearance of 16.48° and an average wheel delay time of 0.14s. In the general range and small angle range， there is a small deviation between the actual corner and the theoretical corner. Responsibility and stability met requirements for agricultural machinery steering. Experimental results show that the test bench has stable performance in terms of status detection， steering control and measurement analysis， which could meet requirements for verifying working parameters of automatic steering devices. The research provides an efficient and reliable test bench for commissioning and performance testing of agricultural machinery automatic steering.

Key words： tractor; automatic steering; test bench; automatic control