拖拉机液压悬挂装置检测加载试验台设计及仿真分析

丛 茜， 马博帅， 李 凯， 陈廷坤1,， 郭蕊蕊， 杨倩雯

(1.吉林大学 工程仿生教育部重点实验室， 吉林 长春 130022； 2.吉林大学 生物与农业工程学院， 吉林 长春 130022；3.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林 长春 130022；4.洛阳西苑车辆与动力检验所有限公司， 河南 洛阳 471039)

引言

农业机械化程度直接反应了一个国家的农业发展水平，因此推广农业机械化十分重要, 农机关键技术的研究是推广农业机械化的重要核心[1-2]。自2004年我国颁布《中华人民共和国农机化促进法》，中央财政补贴0.7亿元，地方各级财政提供农机购置补贴4.1亿元，共补贴购置各类农机具逾10万台，超过38万农民受益。农机补贴政策的颁布有力的推进了农机装备水平，促进了农业机械化发展。截止到2017年底，中国农业机械总动力达到11.2亿千瓦，大中型拖拉机数607万台，小型拖拉机1703万台，分别是1978年的9.5和10.9倍[3]。目前我国拖拉机市场已趋于饱和。在激烈的市场竞争下，研究性能稳定、工作质量好、生产效率高、能源消耗率低的拖拉机工作装置，受到农机行业的广泛重视。液压悬挂装置作为拖拉机工作的重要机构，其主要功能为连接和牵引农机具，操纵农机具的升降，控制农机具的耕深和高度等[4]。液压悬挂装置的性能决定了拖拉机的作业质量及作业效率，影响拖拉机企业的品质和声誉[5]。因此对其提升能力进行试验尤为重要。对于小型维修单位缺乏有效的检测方法，只能依靠经验做粗略诊断和简单定性。导致液压悬挂装置的故障无法有效诊断和及时解决，这样的现状严重制约了农业生产的发展[6]。调查得知，目前针对液压悬挂的检测均为出厂检测。检测过程主要分为挂接过程和加载过程。加载过程中的加载方式可分为重块加载、油缸加载和其他方式加载[7]。通过对湖北三雷重工和洛阳一拖的实地调研可知，重块和油缸加载使用更为广泛。采用挂接方式通常都是人工手动挂接，挂接过程工人劳动强度大，且存在一定危险性。

因此本研究结合试验台工作特点和拖拉机液压悬挂装置检测要求[8-9]，设计了一种新型拖拉机液压悬挂装置检测加载试验台[10-11]。该试验台采用预置标准杆的挂接方式，减少了挂接过程中存在的危险性，降低了工人的劳动强度，并利用AMESim软件对液压加载回路进行了仿真分析，验证了试验台设计方案的可行性。

1 试验台整体结构与工作原理

本试验台结构如图1所示，基于拖拉机出厂检验指标设计，主要检测内容包括最大提升力、最大静沉降、提升时间、提升行程等。

本实验台由2部分组成，即挂接装置和加载部分，其他部分主要用于辅助挂接和加载。挂接部分主要作用为通过挂接装置的结构特点完成自动挂接，代替人工挂接。挂接部分结构主要包括固定板、弧形杆、纵向定位板、复位弹簧、承力柱、横向定位板、穿出销等。加载部分通过液压完成加载，液压加载部分作为试验台的核心部分，主要包括工位台、支架底座、支座轴承、油缸活塞杆、油缸框架、铰接关节、杠杆和液压加载油缸等。电气控制系统作为辅助系统完成挂接和加载辅助，主要结构包括数控台、触摸屏等。试验台工作的原理：工作前先固定拖拉机，使拖拉机下拉杆置于提升行程最低点，液压泵站为加载油缸供油控制挂接装置捕捉拖拉机下拉杆，挂接装置横向定位板首先接触下拉杆前端颈部，下拉杆开始进行空间横向定位；其前端头部会与挂接装置纵向定位板的凹槽内面接触，并沿凹槽向上滑动，当下拉杆滑至纵向定位板最上端时，加载油缸停止供油；接着控制安装在承力柱横柱内部的液压销工作，推动销轴穿入拉杆销孔，至此完成整个挂接动作；挂接完成后，拖拉机下拉杆开始提升，此时加载油缸持续供油，保持恒定负载，进行拖拉机悬挂装置提升能力相关指标的检测。

1.拖拉机下拉杆 2.挂接装置 3.液压加载油缸装置 4.工位台图1 试验台总体布局

2 试验台液压加载结构设计

试验台液压加载部分设计应按照挂接装置提升行程不小于750 mm、提升力范围为0～36 kN的标准进行设计。提升时间为3 s,提升力精度误差范围在±1% 以内，并且要求检测试验台1 min之内可以完成拖拉机后悬挂系统的6次提升检测，静沉降检测时保持拉力恒等于初始载荷。根据试验台试验工况，拖拉机最大提升行程是750 mm,为保证提升过程中安全性，设计挂接装置提升最大行程为1000 mm，故由杠杆原理选用液压缸的的行程为500 mm。微型液压缸负责挂接穿出销的穿出，为使穿出销能够完全从下拉杆的球铰孔中穿出，设计微型液压缸行程为50 mm。根据设计要求得到的液压加载回路如图2所示[12-13]。

1.油箱 2.空气过滤器 3.温度计 4.电动机 5.液压泵 6.加热器 7.回油过滤器 8、14.单向阀 9、13.溢流阀 10.精细过滤器11.压力表 12、19、21、22.电磁换向阀 15.电磁比例溢流阀 16.节流阀 17.电磁球阀 18.压力传感器 20.减压阀 23、24.微型液压缸图2 液压系统原理图

首先电磁溢流阀YV0通电，调整系统压力。电磁换向阀12置于左位YV1，加载油缸上升至拖拉机下拉杆球绞孔与挂接装置穿出销孔完全对准，将电磁换向阀21，22分别置于右位YV9，YV7，完成微型液压缸穿销挂接动作。

挂接完成后，电磁比例溢流阀YV3通电，液压站向油缸提供恒定压力值，实现恒定力的加载进行检测试验，此时拖拉机开始提升试验。为了保证负载力保持恒定，此过程油泵保持工作。

然后在YV0，YV3的保压条件下进行静沉降检测，记录静沉降的数值，完成检测，此时YV6，YV8通电，挂接销撤出，YV2，YV4通电，油缸下降复位。

其中，溢流阀9作为安全阀，保证整个系统的安全性。此外，液压加载油缸有杆腔回路增加减压阀20可减少加载油缸主提升过程的液压冲击，保证其运动平稳，同时也相当于增加回液背压力，可以防止整个装置因为自重而出现自重滑落的现象。微型液压缸回路加入了溢流阀和节流阀构成节流调速系统，保证了挂接过程的流量和压力过大，确保挂接过程的精准实施。

3 液压系统建模

为了验证拖拉机液压悬挂检测台液压系统设计可行性，在AMESim中进行液压系统建模，并对液压系统进行仿真分析。液压系统模型如图3所示，表1为仿真过程中液压系统的主要参数。

1.恒速控制信号 2.液压泵 3.溢流阀 4.安全阀5～7.电磁换向阀 8.比例溢流阀 9.单向阀 10.加载液压缸11、12.微型液压缸 13.恒定控制信号 14～16、20、22输入信号17、18.信号放大单元 19.位移传感器 21.力传感器23.负载力施加信号 图3 液压系统仿真模型图

表1 液压系统回路主要参数

4 仿真结果

1) 挂接过程

将仿真结果数据导入Excel中，挂接过程仿真结果如图4～图8所示，其中油缸杆初始位置为0.35 m，根据实际调研可知，下拉杆初始位置距杠杆一端挂接装置穿销孔约0.02 m。故杠杆另一端液压油缸需上升0.01 m。图4为节流信号对挂接时间的影响，由图4和图5可知球阀节流信号为0.05和0.1时液压系统运行良好，且施加0.05的节流信号可以减少挂接过程中所需时间，因此球阀节流信号可以施加0.05将节流信号设置为0.05，当油缸杆位移至0.45 m时，微型液压缸工作，控制穿出销穿出，穿销过程如图6和图7所示，根据仿真结果可知该液压油路能够完成定位和穿销。由图8加载油缸速度曲线可知，加载油缸完成挂接需2.2 s左右，满足快速挂接检验要求。

图4 加载油缸杆位移曲线

图5 电磁球阀信号相应曲线

图6 挂接穿销过程

图7 换向阀5，6输入信号

图8 加载油缸速度曲线

2) 提升过程

挂接过程完成后，进行提升过程仿真，22，23向系统输入信号，向液压系统施加力模拟拖拉机提升，开始进行拖拉机额定提升力检测试验仿真。仿真结果如图9～图11所示。

图9 液压加载油缸杆提升过程位移曲线

图10 电磁球阀动态响应时间

图11 电磁比例溢流阀动态响应时间

由图10可知，在4.84 s时电磁球阀导通，即图9中5.2 s时间开始进行提升力仿真，液压加载油缸开始被动回油，到8 s时液压加载油缸的行程由原来的0.45 m变为0.12 m,被动运动行程在610 mm时提升时间小于3 s。电磁比例溢流阀在4.9 s时刻出现短暂的波动，这是因为在此时刻节流阀信号由0.05变为1，流量瞬间变大才会出现短暂的压力下降现象。综上所述，拖拉机提升过程仿真阶段的这一仿真结果满足实际系统的需求。

5 试验验证

在吉林大学农机实验室进行试验台搭建，按照仿真油路设计的液压泵站如图12所示。该试验选用的检测对象是拖拉机东方红-LX804，为方便后续试验研究将该型号拖拉机液压悬挂总成安装于检测平台，如图13所示，针对加载系统与拖拉机悬挂系统的挂接成功率、额定提升力指标进行检测试验。其中，为了实现拖拉机悬挂提升系统的功能，本研究用另一个液压站为液压悬挂总成提供动力，用来实现提升系统的移动。

图12 液压泵站

图13 拖拉机液压悬挂装置检测加载试验台

在虚拟仿真条件和结果的指导下，针对该检测平台进行了10次挂接加载试验验证，试验结果如表2所示。

表2 试验验证结果

由试验结果可以得到该试验台挂接成功率为100%，平均挂接完成时间为2.39 s,平均提升时间为2.92 s,与虚拟仿真结果吻合，能够满足拖拉机液压悬挂系统的快速挂接和检测要求。

6 结论

仿真结果表明该试验台能够实现拖拉机悬挂装置额定提升力、提升行程、提升次数、提升时间和静沉降等关键指标的检测。利用该试验台可以提高检测效率和检测精确性。作为一种实用性高、推广潜力大的检测平台，有关企业和检测机构可以考虑将该试验台标准化采用。