拖拉机轮胎压力多态控制系统浅析

张彬彬 ，尹晨旭 ，井 仪 ，蒋亚波 ，程 乾

（第一拖拉机股份有限公司大拖公司，河南 洛阳 471004）

0 引言

拖拉机是主要用于牵引和驱动各种配套机具，完成农业田间作业、运输作业等的动力机械[1]。在不同作业环境以及拖拉机转场运输过程中，拖拉机对自身轮胎的胎压需求不同。

以东方红某200 马力四轮驱动拖拉机为例，出厂的轮胎压力一般为180 kPa 左右，在深耕作业时前轮胎压力一般为98 kPa~118 kPa，后轮胎压力为98 kPa~118 kPa；在运输作业时前轮胎压力一般为147 kPa~196 kPa，后轮胎压力为147 kPa~196 kPa；不同作业环境下轮胎压力相差多达50 kPa[2]。此外，不同马力段的拖拉机在不同工况下的胎压需求亦不相同，但相同工况下胎压要求区别不大。

不同土壤形态对拖拉机的胎压需求也不一样[3]，针对不同的作业环境合理调节轮胎压力，可提高拖拉机的作业能力，特别是在深耕作业时，将胎压降至100 kPa，可提高牵引功率6%~8%，增大轮胎接地面积约5%，减少油耗约6%。在运输作业时，将胎压升至170 kPa，可降低轮胎接地面积约5%，降低轮胎磨损程度，延长轮胎使用寿命，另外可减少油耗约6%[4]。

针对不同拖拉机工况及时调节合适的轮胎压力至关重要，但由于拖拉机的作业环境和工况时常变化，且拖拉机在作业时大多数地区不具备对轮胎进行充放气的条件，在实际作业过程中基本没有用户对轮胎压力进行合理调节。因此，本文致力于开发一种快捷方便的拖拉机轮胎压力多态控制系统，以解决目前拖拉机作业过程中胎压无法调节的问题。

1 设计过程

1.1 方案讨论

要实现对行驶过程中的拖拉机胎压的自动调整，需要解决气源问题[5-10]。在本文中研究的胎压控制系统以拖拉机气泵为气源。气泵与拖拉机发动机齿轮连接，在拖拉机启动状态下气泵工作产生压缩气体，压缩气体经过卸荷阀（也称调压阀）进入储气筒，储存在储气筒内。当储气筒中气体充满，系统压力达到0.7 MPa 时，调压阀开启，开始卸荷，确保整个控制系统压力稳定。当控制系统检测到需要充气时，会控制换向阀动作，储气筒内的压缩空气通过换向阀进入轮胎实现充气；当控制系统检测到需要放气时，同样会控制换向阀动作，使轮胎和大气气路接通，实现轮胎放气。

1.2 原理设计

拖拉机轮胎压力多态控制系统原理图如图1 所示，拖拉机轮胎压力多态控制系统包括控制器8、压力传感器6 和轮胎充放气执行机构。在控制器8 内预设有多种对应不同作业形态的轮胎压力标准值，压力传感器6 用于检测轮胎压力并将轮胎压力值传送给控制器8，控制器8 用于将压力传感器6 传送来的轮胎压力值与控制器8 内对应作业形态下的轮胎压力标准值相比较，并根据比较结果向轮胎充放气执行机构发出给轮胎充气/放气或者保持不动的命令，实现对轮胎压力的智能控制。与控制器8 连接设有用于选择作业形态的多态选择开关9。

图1 拖拉机轮胎压力多态控制系统原理图

轮胎充放气执行机构包括气泵1 以及连接气泵1的储气筒4，与储气筒4 连接设有四个气动电磁换向阀7，四个气动电磁换向阀7 分别对应控制四个轮胎的充气和放气，并且四个气动电磁换向阀7 分别通过各自的信号线（图1 中双点划线表示的气路控制线路）与控制器8 相连接；每个轮胎对应设有一个压力传感器6，压力传感器6 设置在气动电磁换向阀7 与对应轮胎之间的空气管路中，并且每个压力传感器6均通过各自的信号线（图1 中虚线表示的气压传感线路）与控制器8 相连接。

气泵1 在拖拉机启动状态下不断向整个控制系统提供0.8 MPa 的稳定气源，正常情况下，四组气动电磁换向阀7 处于中位（O 型），气体都储存在储气筒4中，当储气筒4 中气体充满，系统压力达到0.7 MPa时，卸荷阀2 阀芯开启，开始卸荷，确保整个控制系统压力稳定、安全。当驾驶员通过多态选择开关9 选择相应工作模式（对应为作业形态）时，轮胎的实际压力（即当前轮胎压力）通过压力传感器6 反馈至控制器8，控制器8 将当前轮胎压力与控制器中预设的对应作业形态的轮胎压力标准值相比较，根据对比结果控制气动电磁换向阀7 的启闭，从而对轮胎进行充气或放气。

当轮胎压力小于预设的轮胎压力标准值，需要充气时，控制器8 控制相应的气动电磁换向阀7 左位处于作业形态，储气筒4 向相应的轮胎充气，轮胎压力达到控制器8 中预设的轮胎压力标准值时，控制相应的气动电磁换向阀7 中位处于作业形态，即停止充气。当轮胎压力大于预设的轮胎压力标准值，需要放气时，控制器8 控制相应的气动电磁换向阀7 右位处于作业形态，轮胎内的气体通过气动电磁换向阀7 右位排出，轮胎压力达到控制器8 中预设的轮胎压力标准值时，控制相应的气动电磁换向阀7 中位处于作业形态，即停止放气。

1.3 结构设计

拖拉机轮胎压力多态控制系统结构图如图2 所示。其中，气泵1 缸径为65 mm，排量为100 L/min，额定排气压力为0.8 MPa，可为整套系统提供0.8 MPa 的稳定气源；卸荷阀2 设定卸荷压力为0.7 MPa，系统的压力超过0.7 MPa 时卸荷阀2 自动打开开始卸荷，保证整个系统的安全性。为了避免卸荷阀2 发生故障无法正常卸荷，导致储气筒4 中压力一直升高产生爆裂，储气筒4 上还设置有安全阀5（开启压力为0.85 MPa）。在储气筒4 的底部设置有放水阀3，通过打开放水阀3 可快速排除储气筒4 内积累的水、油污，保证系统气源清洁。

图2 拖拉机轮胎压力多态控制系统结构图

当储气筒的气压达到设定压力后，卸荷阀靠自身的结构切断空压机至储气筒之间的气路，同时使空压机排气直接通往大气，实现卸荷。卸荷阀具体工作原理如图3 所示。

图3 卸荷阀工作原理图

压缩空气通过进气口A 进入，经过过滤网B、斜孔C，再经过单向阀D 由出气口2 口输出。同时，一部分气体经反馈气路E 分别作用在膜片F 和进气阀门G 上，当2 口的气压达到调定的压力时，气压推动膜片F、压缩弹簧H，打开进气阀门G，进入I 腔，推动排气活塞J，打开排气阀门K，使A 腔的压缩空气连同过滤网B 上滤下的水、杂质一起从3 口排出，使空压机处于空载状态。

2 装车验证

如图4 所示，该系统中每个压力传感器均通过各自的传感器固定装置设置在相应车轮的轮毂上。传感器固定装置包括一个与车轮轮毂固定连接的U 型支架，U 型支架的两个支脚端部设有内弯的下翻边，所述的下翻边通过连接螺栓与车轮的轮毂固定连接。在U 型支架的底部外侧固定连接有一个外套筒，外套筒的一端与U 型支架的底部固定连接，外套筒内套设有内套筒，内套筒与外套筒远离U 型支架的一端动密封配合安装，内套筒伸进外套筒内的长度小于外套筒的长度，从而使外套筒内腔与内套筒内腔相连通。在内套筒远离U 型支架的一端连接有一个气路连接器，气路连接器与气动电磁换向阀之间通过空气输送管路连接，压力传感器也连接在气路连接器上。在外套筒上连接有用于与轮胎充气门连接的充气管路，空气输送管路与充气管路均为气动电磁换向阀与对应轮胎之间的空气管路的一部分。

图4 拖拉机轮胎压力多态控制系统支架装配图

在外套筒和内套筒之间设有轴承，外套筒与轴承外圈过盈配合，内套筒与轴承内圈过盈配合并由锁紧螺母压紧，锁紧盖板压紧旋转密封圈使外套筒内部形成密封空间，气路连接器通过过渡接头与内套筒连接，气路连接器和内套筒通过轴承与外套筒可进行相对转动。

3 结语

该系统中预设有多种对应不同作业形态的轮胎压力标准值，通过分析对应作业形态下的作业形式、土壤形态等多种因素对拖拉机牵引力的影响，对轮胎的摩擦力、剪切力等理论数据进行计算，再根据不同农机具工作时对牵引力的影响及需求，结合实际田间试验数据，总结得出不同作业形态的轮胎压力标准值如下：运输模式下，轮胎压力标准值为180 kPa~200 kPa；中耕模式下，轮胎压力标准值为210 kPa~220 kPa；旋耕模式下，轮胎压力标准值为120 kPa~130 kPa；犁耙模式下，轮胎压力标准值为90 kPa~100 kPa。以上各作业模式，对应不同作业环境，也即对应不同作业形态。

不同作业环境下选择相应合理的轮胎压力可提高牵引功率6%~8%，充分发挥拖拉机功率，从而发挥拖拉机最大牵引力，并可提高作业效率、降低油耗。此外，该系统操作简单方便，驾驶员在驾驶室内通过多态开关根据不同作业形式便可选择相应作业形态对应的轮胎压力标准值，在控制器的控制下自动调节胎压以适应当前的作业形态。