拖拉机液压悬挂试验台研究

商高高，顾 新，朱晨阳

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)



拖拉机液压悬挂试验台研究

商高高，顾 新，朱晨阳

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

为提高拖拉机液压悬挂系统检测的自动化水平和测试精度，提出了一种应用电液比例阀控制加载力和垂直度的试验台结构方案，基于SimulationX软件对试验台的液压加载系统进行仿真分析。结果表明：目标加载力调节时间均小于0.3 s；加载力跟随试验最大误差约为0.6 kN，并且在跟随加载力上升阶段实际曲线与跟随曲线基本吻合；垂直度仿真过程中，系统在低初始偏差和中、高初始偏差达到稳定状态的时间分别在0.3，2.0 s以内，可见设计方案是可行的，为拖拉机液压悬挂系统的产品开发和质量检测提供了高效的测试平台。

车辆工程；悬挂试验台；液压加载；仿真分析

拖拉机液压悬挂装置是利用液压油液的压力来提升并维持农具处于各种不同位置的悬挂装置，它是拖拉机的必备工作装置之一。为检验所设计液压悬挂装置的性能和制造质量能否达到要求，须对产品进行严格的检测。目前，国家规定的拖拉机液压悬挂检测项目主要是后置三点悬挂装置提升能力的检测，内容主要包括了最大提升力试验和静沉降试验。以往使用的检测设备大多数十分陈旧，主要采用手动测量的方式，使用起来劳动强度大，试验时间长，自动化水平低，不便于计算机数据采集与处理[1-3]。而笔者设计的液压悬挂试验台采用了液压加载的方式，在完成与被试验拖拉机悬挂装置的连接后，可自动完成下悬挂点的提升力(或框架上的提升力)试验和静沉降试验，整个试验过程的信号采集和控制全部由计算机自动操作，无需过多的人工操作。

1 试验台结构原理

1.1 结构方案

试验台采用的是油缸加载方式，可以同时满足提升力和静沉降试验的要求，其结构原理如图1。加载油缸为内置位移传感器的伺服油缸，将加载油缸通过轴承固定在滑块机构上，油缸可以绕着滑块机构转过一定的角度。加载油缸的活塞杆通过拉力传感器与提升框架连接，当角度传感器测得加载缸垂直度发生变化时，可通过控制角度调整油缸拖动滑块机构向前或向后移动来修正加载缸角度使得加载力方向始终垂直向下。在进行最大提升力测试时，首先控制加载油缸截止，此时拖拉机相当于“自己提升自己”，对拖拉机液压悬挂系统会产生一个被动加载力，当拖拉机安全阀打开时测出的该力大小即为该点的最大提升力。需要调整测量点位置时，控制加载油缸相关油路打开，使得油缸在提升力的作用下可以被动提升，到达测量点后再关闭油缸的相关油路即可。当检测到加载油缸的垂直度发生变化后，可通过控制角度调整油缸拖动滑块机构向前或向后移动来及时修正加载油缸的角度，使加载力始终与地面垂直。在进行静沉降试验时，通过油泵向加载油缸内加油可以实现无极加载，从而保持加载力恒定。

1—拖拉机液压悬挂示意；2—提升框架；3—拉力传感器；4—液压泵站总成；5—角度调整油缸；6—加载油缸；7—加载缸角度传感器；8—滑块机构；9—滑块机构支架

图1 试验台结构方案

Fig.1 Structure of test bench

1.2 液压系统原理

液压加载系统采用了电液比例阀的方式进行加载，系统工作过程中比例阀可以根据输入的控制电压信号连续的按比例控制系统的液压方向，流量和压力。可有效保证静沉降试验加载时所施加载荷的稳定性，而调整油缸采用的电液比例阀保证了垂直度实时控制时的精度和稳定性。笔者所设计试验台液压加载系统的最大加载能力可达50 kN，其液压系统原理如图2。其中，为了减少油液的泄露，在加载油缸的有杆腔中增加了蓄能器进行保压；加载油缸的无杆腔中通过平衡阀设定一定的背压值可以防止加载油缸的活塞及其连接部件由于自重突然下落，失速等不稳定现象[4]；而垂直度调整油路中加入的双平衡阀，在减少了油液泄露的同时增加了调整油缸运动的稳定性[5]。图2中，1为吸油过滤器，2为油泵，3为溢流阀，4为比例换向阀，5为安全阀，6为蓄能器，7为平衡阀，8为电磁换向阀，9为叠加式平衡阀，10为比例换向阀，11为风冷，12为回油过滤器。

图2 液压加载系统原理

2 试验台仿真分析

加载力和垂直度的自动控制是本试验台能否满足要求的关键，笔者将对这两个部分的控制进行仿真分析。由于本试验台主要采用液压控制方式，而在各液压系统的仿真软件中SimulationX[6]采用基于基本物理元素组合的建模方式，无需对系统数学模型有很深了解[7]，因此选用SimulationX来进行仿真验证。

2.1 加载力自动控制仿真模型

加载力控制的SimulationX仿真模型[8]如图3。该模型分为试验台液压系统和负载系统。其中，负载系统模拟拖拉机液压系统，简化起见，直接将负载油缸通过拉力传感器与加载油缸相连。拉力传感器信号作为反馈信号和设定的拉力值进行比较，差值通过PID控制器处理后输入给比例阀进行控制。部分参数如表1。

图3 加载力自动调节仿真模型

表1 加载力自动控制部分仿真参数

由试验台结构原理可知加载缸垂直度的控制是通过调节调整油缸的位移来实现的，因此可以将调整油缸的行程变化转化为加载缸的角度变化，搭建的仿真模型如图4。在该模型中，选用机械库里的摩擦力模块模拟调整油缸在运动过程中所受的阻力；通过函数模块将油缸的位移转换成了角度作为执行机构的反馈，再将目标值与该值的差值通过PID控制器处理后输入给比例阀进行垂直度的控制。部分模型参数如表2。

图4 垂直度自动调节仿真模型

表2 垂直度自动控制部分仿真参数

2.2 仿真结果

2.2.1 固定目标加载力仿真

在加载力自动控制模型中，初始加载力设为0，设置仿真时间为3 s，仿真时间间隔为0.01 s，以4种不同目标加载力，以验证在系统的加载能力。仿真结果如图5。

从图5可以看出，在PID控制策略下系统可以满足各种范围的目标加载力的快速调节，调节时间均小于0.3 s，完全满足系统要求。

图5 不同目标载荷的加载力调节结果

2.2.2 加载力跟随仿真

为了进一步验证加载系统的环境适应能力及控制精度，设置了一个偏移正弦信号的目标加载力，并进行了相应跟随仿真。正弦信号的频率为1 Hz，幅值为10 kN，偏移量为15 kN。设置仿真时间为10 s，仿真时间间隔为0.01 s进行仿真，仿真结果如图6。

图6 加载力跟随仿真结果

该结果很好的反映了系统加载和卸载的情况。由仿真结果可以看出，跟随目标的初值为25 kN，实际值初值为0 kN，大约0.3 s的调整后，系统在PID控制策略下就能很好的跟随加载力上升和下降，进入稳定跟随状态。其中系统最大误差发生在跟随加载力下降阶段，最大跟随误差约0.6 kN；而在跟随加载力上升阶段，实际曲线与跟随曲线基本吻合。

2.2.3 垂直度仿真结果

垂直度模型的控制目标是将加载缸角度始终调整到垂直状态，根据建模时的假设条件，设定目标角度为0°，并在不同初值角度下进行了仿真，验证系统在PID策略下的垂直度调节的响应速度和精度。设置的仿真时间为3 s，仿真时间间隔为0.01 s，仿真结果如图7。

图7 不同初值角度下的仿真

图7(a)和图7(b)为系统在低初始偏差角度情况下进行垂直度调节时的仿真情况。由图可见，在几种不同的初始角度偏差状态下，系统可以很快进行调节响应，到达稳态时间均在0.3 s以内。由于实际情况下加载缸的垂直度偏差不会到达太大值，因此该部分仿真主要反映的是实际垂直度调节时的情况。

图7(c)和图7(d)为中、高初始偏差下的垂直度调节情况，反映了系统垂直度调节时的储备能力。在正负两个方向的中、高偏差初值角度的调节中，系统的动态响应速度也很快，最大偏差状态下调整到垂直状态的时间也都在2.0 s以内。

3 试验控制流程

根据标准的试验要求设计[9]的最大提升力试验和静沉降试验的控制流程如图8。

图8 流程图

由于试验过程是由计算机进行控制的，用户只需根据测试软件上的提示的信息进行相应准备即可。此外，本测试软件还具有拖拉机液压提升器试验台加载方法分析保存试验数据和生成报告等功能。

4 结 语

笔者首先设计了新型的试验台液压加载方案，并基于SimulationX对加载力和垂直度的自动控制进行了仿真分析，验证了系统方案的可行性。采用计算机对整个试验过程进行控制，大大提高了试验时的测量精度和劳动效率。本系统的自动化程度远高于以往的液压悬挂试验装置，操作简单，可广泛应用于液压悬挂系统的产品研制、开发、质量检测过程中。

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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

江苏省产学研联合创新资金项目(BY2012170)

商高高(1962—)，男，湖北武汉人，副教授，硕士，主要从事机电一体化方面的研究。E-mail:shanggaogao@ujs.edu.cn。

U463.33;O319.56

A

1674-0696(2015)06-162-05