山地拖拉机电控液压转向系统设计分析

翟艳辉

(河南省三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000)

0 引言

我国作为农作物产出与种植大国，不同的地形对于农用机械提出了更高的要求。在地势不同的山地丘陵地区，山地拖拉机的作业优势更为明显，为不断推动农业机械向先进化与智能化方向发展，其设计与研发势在必行。经翻阅资料文献可知，我国的山地拖拉机设计与开发与国外研发相比有点落后，但近年来国内相关学者已通过对山地拖拉机的应用性能改进取得了明显进展，图1为山地拖拉机外形图。由图1可知：山地拖拉机较通用拖拉机应具备高效的转向性能与稳定的机身平衡性能，笔者以进一步提升山地拖拉机的工作效率为目标，利用机电液一体化控制技术，以行走与转向动作为设计切入点，进行了设计分析。

1 转向系统概述

山地拖拉机的转向通常由机械转向与助力转向两大部分构成，传统的转向系统以机械运动为主，系统的工作较为单一且精度不高；将液压控制与电气控制相继融合，形成了电控液压转向系统，其转向精度大幅度提升。表1列出了当前国内外山地拖拉机领域内的转向控制应用技术。在相对特殊的作业场合，如山地、丘陵、坡地等，转向系统采用的关键控制技术主要表征为液压减振、HER电液悬挂与整机集成控制等。

图1 专用山地拖拉机外观图Fig.1 AppearanceFigure of the special mountain tractor表1 山地拖拉机转向控制应用技术Table 1 Main components and parameters of the mountain tractor

序号应用场合关键控制技术拖拉机系列产品1山地、丘陵液压提升摆动减振Geotrac4系列2山地HER电液悬挂CNH、一拖系列3山地、丘陵负载传感静液压转向Monty系列4坡地履带行走、车身调平机构STI-8系列5重载场合整机集成技术BD200-500系列6变地形变地隙行走控制北航研发中

电控液压转向系统是助力转向控制方式之一，在电机的直接驱动下，液压泵准确动作，并给予拖拉机转向机构提供所需动力，实现转向功能。其间，涉及泵的流量与压力大小控制，山地拖拉机行驶速度与转向盘转矩角度等关键参数的设计，应进行重点分析。

为更好地实现山地拖拉机电控液压转向系统的设计，图2给出了应用于山地拖拉机的电机控制内部形成机理。由图2可知：以电磁转矩控制原理为主线，在电机的定子励磁绕组与中枢绕组间将d轴定义为主磁极基波磁场轴，q轴定义为交轴，在励磁电流if的作用下，以ωr角速度进行旋转，形成N、S两极磁极，进而构成总转矩恒定的换向器绕组，这在山地拖拉机电控中起到关键作用。

图2 应用于山地拖拉机的电机控制内部形成机理Fig.2 Internal forming mechanism of motor control applied to mountain tractor

2 转向系统设计

2.1 数学模型建立

山地拖拉机的转向动作基于电机控制技术，结合图3所示的电机控制原理示意图，为驱动山地拖拉机的转向执行机构获取准确信号并动作。根据机械动力学运动原理，建立转向系统的数学运动模型为

(1)

式中te—山地拖拉机转向系统的电磁转矩；

Ωr—山地拖拉机转向系统的转子机械角速度；

RΩ—山地拖拉机转向系统的阻尼系数；

tL—电机所带动的负载转矩；

J—山地拖拉机转向系统的转动惯量(包括转子)。

设θΩ为转向系统的转子旋转角度(机械角度)，得

(2)

结合式(1)、式(2)，化简得

(3)

图3 电机控制原理示意图Fig.3 Schematic diagram of motor control principle

分析拖拉机转向系统在行进过程中核心参数，将转向系统的转矩与山地拖拉机的整机行进速度作为设计出发点，分别表征基于电机控制的转向系统调速与伺服特性，形成如图4所示的山地拖拉机电控液压转向系统的设计流程。

图4 山地拖拉机电控液压转向系统设计流程简图Fig.4 Design progress brief diagram of the electric control hydraulic steering system of the mountain tractor

其主要融入转向PID控制的核心算法，对转速的传感信号调节与传递、驱动电机电流的传感信号调节与传递进行实时控制，与预先设定的电机转速进行对比，根据测定信号调节及控制拖拉机的液压泵的流量与流速，实现转向系统液压缸运动行程的精准控制。

2.2 核心部件参数设计

基于电机控制与液压执行相结合的山地拖拉机转向系统原理分析，选取核心部件进行参数值设计调整，列出如表2所示的核心部件参数的名称及给定设计值。在保证转向平衡度为75%的基础上，利用拖拉机四轮驱动机理，设计前后液压缸的作业行程，同时选定电液比例换向阀的工作压力为25MPa，转向系统的电控液压效率为90%。

表2 山地拖拉机电控液压转向系统核心参数设计Table 2 Main parameters design of the electric control hydraulic steering system on the mountain tractor

根据山地拖拉机转向系统核心参数的选取，设计出包含电控单元、液压控制回路与多种角度与位置传感装置构成的电控液压转向控制系统的整体结构。其中，依据拖拉机的轮胎偏转角度与液压缸执行的伸缩量建立内部的对应关系，进行转角动作。图5为山地拖拉机电控液压装置的工作简图。其工作过程简要概述为：山地拖拉机转向盘的变化，将产生不同大小的控制电流，从而带动电液比例阀进行不同的动作，实现拖拉机转向系统各个角度的转动与位移。此过程表现为输出的转角信号和拖拉机整机车速信号，经处理变换后吸合阀芯的运动方向不同。

2.3 转向系统平衡控制

山地拖拉机在实现了转向准确动作的同时，需考虑转向过程中的平衡问题。传感装置设置匹配角度、温度及系统压力3类传感器进行测量以实现山地拖拉机在进行转向过程中的机身平衡控制。为此，选取CQ-450型号双轴倾角传感器；Pt100的温度传感器，测量范围设定在-40～160°；PY208型液压油压力传感器，进行PLC触摸屏实时显示。

图5 山地拖拉机电控液压装置工作简图Fig.5 Working brief diagram of the electric control hydraulic device of the mountain tractor

山地拖拉机转向系统的平衡控制硬件配置图，如图6所示。选择转向系统的压力与温度为山地拖拉机的车身平衡模拟量输入信号，通过配备EM231和EM235模块将信号传递至PLC中央控制系统模块，通过实时调整机身，确保山地拖拉机整机在作业行进过程中机身稳定转向。

图6 山地拖拉机转向系统平衡控制硬件配置图Fig.6 Hardware configuration diagram of balance control of steering system of mountain tractor

3 性能试验

3.1 条件设置

通过合理计算确定转向系统各部件的尺寸及相互配合关系，建立核心转向部件的物理模型，并利用SolidWorks软件运动模拟与3Dmax软件虚拟场景相结合，进行山地拖拉机的电控液压转向仿真性能试验。试验需设置如下前置条件：

①设置试验场景与实际山地作业的场地相一致，近似度应达90%以上；②保证各转向系统参数设置正确；③试验过程中的基础性条件保持不变等。

3.2 过程分析

试验过程逐一改变需要测定的转向参数，依次从左转向试验与右转向试验进行分析，图7为山地拖拉机转向性能试验实景。数据转换处理后得出如表3所示的山地拖拉机电控液压转向性能试验关键参数评价表。

(a) 左转向试验

(b) 右转向试验图7 山地拖拉机转向系统性能试验Fig.7 Performance test of the steering system of the mountain tractor表3 山地拖拉机转向性能试验关键参数评价Table 3 Key parameters evaluation of the mountain tractor steering performance test

序号转向角设计值/(°)转向角试验值/(°)误差/(°)转向平稳性/%12524.36-0.6481.621514.65-0.3584.3355.94+0.9481.9400082.5

续表3

由表3可知：选定转向设计角度与仿真试验角度范围为-25°～25°，每次变化角度误差控制在-0.64°～+0.94°的范围内，误差较小，满足设计要求；同时，针对转向平稳性，考虑了山地拖拉机的机身转向平稳机构设定后，可确保转向平稳性控制在79.8%以上，整体机身平稳的一致性程度保持较好。其中，当转向为25°时，机身平稳性可达84.7以上，说明仿真试验可行。

4 结论

1) 对山地拖拉机的转向系统进行原理分析，并融入当代电机控制理论，对其转向系统展开设计分析。在正确建立转向系统运动模型的基础上，通过合理设计山地拖拉机转向系统的核心部件参数，如液压缸、活塞直径及电液比例控制阀等，组装成可进行高效转向的试验样机。

2) 利用三维仿真设计软件进行仿真试验，结果表明：在模拟山地拖拉机日常运作的场景下，通过后台转向控制指令变换转向系统的转向角度，与预期的设定值间具有高度的一致性，误差较小且转角平稳性满足设计要求，大于设计要求75%。