一種拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改進(jìn)對(duì)比分析

龔煌輝

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 引言

隨著當(dāng)前農(nóng)用機(jī)械智能化技術(shù)的不斷研發(fā)與應(yīng)用，農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)作為主要的牽引動(dòng)力裝置，已由傳統(tǒng)的工作方式逐步向自動(dòng)高效率的控制模式轉(zhuǎn)變。經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)可知，國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)學(xué)者針對(duì)拖拉機(jī)的零部件及整機(jī)工作效率提升做出了不同角度、不同切入點(diǎn)的試驗(yàn)與研究。就轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，付衛(wèi)強(qiáng)等通過(guò)研究車輪的轉(zhuǎn)角測(cè)量方法獲取精確適宜的轉(zhuǎn)向控制方式；就導(dǎo)航系統(tǒng)而言，白秉旭等引入模糊控制算法理論進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。筆者結(jié)合當(dāng)前拖拉機(jī)的機(jī)械制造與設(shè)計(jì)技術(shù)，針對(duì)一型號(hào)的輪式拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行了分析探討。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

車輛的轉(zhuǎn)向方式有多種，主要包括靠改變行走裝置的驅(qū)動(dòng)輪施力而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變方向的履帶式機(jī)及手推式機(jī)，靠車輛輪胎主動(dòng)進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變方向的輪式機(jī)。配套優(yōu)質(zhì)的輪式機(jī)在驅(qū)動(dòng)輪力與方向的共同作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，這一過(guò)程中輪胎做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，須滿足相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)與力矩關(guān)系。

拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)反應(yīng)靈敏與準(zhǔn)確性很大程度決定了拖拉機(jī)的作業(yè)效率，拖拉機(jī)核心部件及參數(shù)如表1所示。圖1所示為一種拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作簡(jiǎn)圖。

表1 拖拉機(jī)核心部件及參數(shù)Table 1 Main components and parameters of the tractor

圖1 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作簡(jiǎn)圖Fig.1 Working chief diagram of the tractor steering system

由圖1可知：整個(gè)系統(tǒng)由泵提供動(dòng)力進(jìn)行能量的傳遞，主要由方向盤、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行裝置及相應(yīng)的提供動(dòng)力源裝置(油泵配套系統(tǒng))等組成，通過(guò)操縱人員給出一定的轉(zhuǎn)向信號(hào)，拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行判斷并動(dòng)作。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)

2.1 數(shù)學(xué)模型

分析拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在行進(jìn)過(guò)程中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，拖拉機(jī)的輪胎滑轉(zhuǎn)率為

(1)

式中ω—拖拉機(jī)前輪的轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；

r—拖拉機(jī)前輪的滾動(dòng)半徑(cm)；

v—拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的整機(jī)中心速度(km/h)。

依據(jù)式(1)，結(jié)合轉(zhuǎn)向節(jié)臂、搖臂、轉(zhuǎn)向器與連接拉桿間的尺寸配合關(guān)系，建立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)車輪轉(zhuǎn)向角的數(shù)學(xué)模型，即

(2)

同理，可推導(dǎo)出

(3)

式中α—拖拉機(jī)的左車輪轉(zhuǎn)向角度(°)；

R0—拖拉機(jī)的輪胎轉(zhuǎn)向半徑(cm)；

L—拖拉機(jī)的前后車輪軸距(cm)；

K—拖拉機(jī)的前車輪左右輪距(cm)。

由式(2)、式(3)得到拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)任意時(shí)刻的等效轉(zhuǎn)向角為

(4)

同時(shí)，建立拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角度控制改進(jìn)的輪廓思路，優(yōu)化流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。優(yōu)化主要從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件配置與軟件控制兩方面進(jìn)行展開(kāi)，改進(jìn)理念為將全液壓的轉(zhuǎn)向控制優(yōu)化為線控液壓轉(zhuǎn)向控制。其中，控制執(zhí)行閥與油泵型號(hào)的選取與匹配、角度傳感器的安裝部位確定及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向?qū)崟r(shí)調(diào)控指令成為核心任務(wù)。

圖2 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角度控制改進(jìn)流程簡(jiǎn)圖Fig.2 Improvement process diagram of the angle control on the steering system in the tractor

2.2 硬件組成改進(jìn)

采用液壓與控制技術(shù)相結(jié)合的線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要依據(jù)在于：拖拉機(jī)的輪胎在轉(zhuǎn)向過(guò)程中會(huì)同時(shí)承受橫向力、縱向力與慣性力的作用，因而拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向狀態(tài)由這三者的轉(zhuǎn)速合成，將要求的轉(zhuǎn)向角度與實(shí)際的轉(zhuǎn)向角度通過(guò)PID模糊控制算法，編制ECU控制規(guī)則表控制動(dòng)作。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件參數(shù)包括比例溢流閥、轉(zhuǎn)角傳感器、壓力表及開(kāi)關(guān)等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)，如表2所示。

表2 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)核心部件設(shè)計(jì)Table 2 Main components design of the tractor steering system

根據(jù)拖拉機(jī)方向盤轉(zhuǎn)角傳感裝置與油缸位移傳感裝置的信號(hào)，通過(guò)信號(hào)采集調(diào)整模塊，經(jīng)蓄能電源控制的PLC驅(qū)動(dòng)控制電路及關(guān)鍵電磁比例換向閥推動(dòng)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油缸裝置動(dòng)作，最終推動(dòng)拖拉機(jī)的四輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，如圖3所示。此硬件設(shè)計(jì)改進(jìn)較全液壓轉(zhuǎn)向表現(xiàn)在傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)了更為符合實(shí)際且精準(zhǔn)的調(diào)整與控制。

圖3 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件組成改進(jìn)Fig.3 Improvement of hardware composition of the tractor steering system

2.3 軟件控制優(yōu)化

針對(duì)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)角信號(hào)采集與電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)合CAN通訊進(jìn)行控制程序優(yōu)化，對(duì)核心反饋原件角度位移傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括輸出信號(hào)范圍、分辨率與識(shí)別精度等。該拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向裝置配備精度達(dá)0.1°的角度位移傳感器，將獲得的拖拉機(jī)轉(zhuǎn)角信號(hào)經(jīng)放大電路后轉(zhuǎn)換為可識(shí)別控制的電壓信號(hào)。

同時(shí)，針對(duì)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向油缸位移進(jìn)行核心控制程序?qū)懭?流程圖見(jiàn)圖4)，通過(guò)比較調(diào)整輸出準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向控制信號(hào)，保證動(dòng)作有效。此處給出控制程序指令片段：

…

ADCProcessorTrigger(ADC_BASE,0);

while((HWREG(ADC_BASE+

ADC_O_X_SSFSTAT)&0×00000100));

ADCSequenceDataGet(ADC_BASE,0,

&ulData);

ulV=((ulData&0×3ff)*1000/1024;

dalpha=(ulV-2600)*0.024;

if(fabs(dalpha)<1e-3)

dalpha=1e-3;

ahpha=atan(wheelbase/

(wheelbase/tan(dalpha/180*PI)+

dTreed/2));

mmalpha=alpha*180/PI;

…

…

圖4 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制程序流程圖Fig.4 Flow chart of control procedure of tractor steering system

3 性能試驗(yàn)

3.1 條件設(shè)置

進(jìn)行拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)裝置的性能測(cè)試，按照?qǐng)D5所示的測(cè)試布置簡(jiǎn)圖，選取4816數(shù)據(jù)采集卡將轉(zhuǎn)向控制角、轉(zhuǎn)向動(dòng)作阻力與拖拉機(jī)行進(jìn)速度3個(gè)關(guān)鍵采集參數(shù)經(jīng)傳遞感應(yīng)裝置匯至其上，從而通過(guò)相應(yīng)的測(cè)試顯示控制界面來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化試驗(yàn)。

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)參數(shù)測(cè)試布置Fig.5 Improved parameters test layout of the steering system

拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向裝置性能試驗(yàn)外觀接線簡(jiǎn)圖，主要包括轉(zhuǎn)向裝置控制部件和執(zhí)行部件，如圖6所示。進(jìn)一步設(shè)定前置條件：①設(shè)定與田間作業(yè)環(huán)境相似的場(chǎng)地；②保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)；③電源裝置供應(yīng)可靠等。

(a) 轉(zhuǎn)向控制部件連接

(b) 轉(zhuǎn)向動(dòng)作部件連接圖6 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向裝置性能試驗(yàn)簡(jiǎn)圖Fig.6 Performance test diagram of the tractor steering device

3.2 過(guò)程分析

利用MatLab工具與測(cè)試參數(shù)有效性理論進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，并選取拖拉機(jī)整機(jī)改進(jìn)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，如表3所示。評(píng)定前以數(shù)字1～10的排位進(jìn)行優(yōu)劣分析。由表3可知：整體較全液壓轉(zhuǎn)向控制評(píng)價(jià)指標(biāo)均有提升。其中，拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向剛度評(píng)價(jià)值可由改進(jìn)前的6.1提高到7.8；整機(jī)的車輪回正滿意度可由改進(jìn)前的5.9提高至7.5；轉(zhuǎn)向靈敏度可由改進(jìn)前的7.1提高至8.5。綜合來(lái)看拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)測(cè)試效果明顯。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)的可實(shí)施性，繪制如圖7所示的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)前后的對(duì)比曲線，在同等頻率的采樣時(shí)間條件下，得出：A曲線為改進(jìn)前的拖拉機(jī)轉(zhuǎn)角運(yùn)行誤差，在初步動(dòng)作階段的誤差較大，可達(dá)0.5m，隨后逐步趨于穩(wěn)定，誤差控制在±0.22m范圍內(nèi)；B曲線的采樣到轉(zhuǎn)角誤差范圍波動(dòng)平穩(wěn)控制在±0.15m范圍內(nèi)，可見(jiàn)改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)平穩(wěn)可靠。

表3 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)評(píng)價(jià)Table 3 Key parameters evaluation of the tractor steering performance test

A.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)前采樣誤差 B.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)后采樣誤差圖7 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)對(duì)比曲線Fig.7 Contrast curves of the tractor steering system before and after improvement

4 結(jié)論

1) 通過(guò)分析農(nóng)用拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在原來(lái)的全液壓轉(zhuǎn)向控制基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，選取線控液壓轉(zhuǎn)向控制，并進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件配置和軟件控制，以獲得全新可行的拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

2) 進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需的硬件部件進(jìn)行參數(shù)選型，同時(shí)針對(duì)轉(zhuǎn)角控制進(jìn)行程序編制，設(shè)計(jì)合理的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對(duì)改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試將主觀評(píng)定數(shù)字1～10的排位納入優(yōu)劣分析，發(fā)現(xiàn)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)矩剛度、回正滿意度、車身穩(wěn)定性與輕便性均有提升。

3) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣分析，得出改進(jìn)后的各項(xiàng)評(píng)定指標(biāo)均有所改善且改進(jìn)后的轉(zhuǎn)角控制誤差可保持在±0.15m左右。此改進(jìn)思路可為類似農(nóng)用機(jī)械的零部件優(yōu)化與改進(jìn)提供參考。