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1、1990年3月农业机械学报第1期拖拉机液压悬挂动特性数字模拟加载试验台的研究周云山张兰义秦维谦陈秉聪(吉林工业大学)【摘要】本文介绍了数字式模拟 试验台的设计过程和结 构特点。这套试验装置能 用来模拟土集和地表的变化对阻力控制系统的影 响,在室内再现拖拉 机农具机组在田间的工作过程。试验台的模拟加 载控制和性能测试 由一台微机来完成,操作方便,测试精度高。由于加载信号可准 确控制,对于不同的液压悬挂系统,可以在相同条件下测试和评价其动态品质,是悬挂系统性能指标评价和测试 的理想实验装置。关钻询农具控制系统拖 拉机液压悬挂数字式液压控制系统一、引言为了改善和评价拖拉机液压悬挂的动态特性,多年来人
2、们对液压悬挂进行了大量的田间试验。由于土壤环境变化复杂,使得田间试验存在许多难以控制和预测的因素,影响了试验结果的精度。如:1.在试验的周期内,土壤的机械物理特性经常变化,影响试验结果。2。要给系统施加特定的输入信号,需要花费大量人力去整理具有特定形状的 地 块,这样准备时间长,误差大。3。作用到农具上的负载不能人为控制,很难在相同条件下对不同系统的动态品质 作出客观的评价。为了克服田间试验的各种不利因素,人们一直在不断探索室内实验方法2。我们研制了数字式模拟加载装置,虽然它的频响较低,但足以满足对阻力控制系统的各项性能测试要求。经过不 同的试验表明:数字式模拟加载试验台操作方便,造价低,测试
3、的精度高。二、试验 台的设计1.环境对阻 力控制系统的影晌拖拉机农具机组工作时,土壤对农具的作用力(对阻力控制系统起作用的力)可分解为牵引阻力F二和垂直力F,(见图l)。这些分力由于土壤环境的随机干扰而经常变化,主要干扰来自三个方面:(1)机组本身是一具有二自由度的四阶系统,地表的干扰通过车轮激 励它,引起农具随机组运动使耕深发生变化,(2)农具的耕作位置受地表的起伏而引起 耕深农业机械学报1990年的变化,(3)土壤的机械物理特性的不均匀性使作用在农具上的力发生变化。尽管上述产生干扰的因素不同,但最终都是影响农具上 的作用力牵引阻力和垂直力。因此可把一个复杂的、受多种因素影响的实际系统转化为
4、仅有水平力和垂直力作用的室内试验系统。2.加毅系统的要求要准确测试出阻力控制系统的动态特性,其加载系统必须有足够的频宽,以保证加载信号能够持续激励被测系统的全部动态特性。以东风一5 0 拖拉机的悬挂系统作为参考对象,测得该系统对阶跃干扰力的调节过程可用带滞后的一阶非周期传递函数1G(s)=e一 0,一1+O。25来描述,估算得被测系统的频宽约为。.SH:。通过试验测得所选用的加载系统的频宽为5.2Hz,是被测系统的六倍以上,足见所选用的数字加载系统能够满足所需的测试精度。3.试脸系姚方案犁在耕作时,要同时受到牵引阻力和垂直力的作用。如选用两套独立的加载系统,则将过于复杂,费用太高。为了简化系统
5、,拟用一水平油缸7作用一斜板5上(见图2),而作用于农具上 的垂直力F,将依照一定的关系随水平力F二变化。这与实际工况相比虽有差距,但仍然可满足对悬挂系统各项性能测试的要求。4.农具耕裸与受力关系棋拟图1拖拉机农 具机组工作图F19.1Theworkingsehemeoftraetor一im Plemente ombination加载对象= 二= = =书一一 一一门_讨l一一一户口,.夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕夕洲甲贬贬匹匹匹尹尹尹!I I I味味味味味从斗丁丁黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝L_J加载 装置图2室内加载系统原理Fig.2T hePrineiP leofindoorload一ingsy
6、,企em1。支架,2.提升器 和壳休,3。模拟犁配 重,4.阻尼 油缸,5.加载俐板,6.数字闷,7.伺服油 缸,8.光姗尺19.驻 动 电路,1 0.电机,、一拉压力信号,一耕深变化信号, 一数字阁攀初信号.加载系统是位置伺服系统,通过扭杆弹簧把伺服油缸7的位置变化转化为对农具的水平作用力F二 。扭杆弹簧和斜板5在加载系统中有两个功用:一是加载作用,此时农具的位置不变,伺服油缸沿水平方 向移动距离x,引起扭杆的转角变化为:0=(xe o s价)八(1)又因为e二对/形,=z尸x/兀:eo s价所以式中cos Z价l2K了x=Kx(2)l扭杆中心到油缸作用点的距离,I nM施力油缸对扭杆的作用
7、力矩,kN。KT加载装置的扭转刚度,kNm/ra dF二施力油缸对斜板的水平作用力,kN毋斜板与垂直线的夹角,ra d第l期拖拉机液压悬挂 动特性数字模拟加 载试验台的研究K=c o:2价K汀尸施力装置在水平方向的等效刚度,kN/。在加载时,由于价和l的变化很小,等效刚度K近似为一常数。因此,水平加载力与伺服油缸的位移成正比。只要位移x按照给定的规律变化就能实现所需的加载规律。而垂直力F,的变化规律为:F,=F二t g功扭杆弹簧和斜板的第二个功用是起调节作用,模拟农具上的牵引阻力随耕一深的变化关系。由于施力油缸的位置不变,当农具偏离预定耕深八d时,则 作用在农具上的水平分力为:F二=c o s
8、Z价,一K:x/l,2(3)在调节过程中,功。诱。,1 ,01。一d,因此上式可近似表示为:F二=e o sZ价。.K:.x/(l。一d)2(4)把上式按幂级数展开,并略去三阶以上的项得:滚轮图3弹性扭转元件F193To r son alvartofelastieity:=军华.二;+:黑+3f半)21八:云L,。/J(等)1.(5)式中功。农具未调节前斜板与铅垂线夹角,ra dl。农具未调节前扭杆中心到施力作用点的距离,m在预定耕深范围内,八d/ l。远小于1,故作用在农具上的牵引阻力与耕深近似为线性关系,这与文献2的结论是一致的。作用在农具上的垂直 阻尼力为,FD二C。,夕式中夕农具垂直运
9、动速度,m/9c。阻尼系数,kN.“/。它可用图2所示的阻尼油缸4模拟。调整阻尼油缸 回路中的节流阀的开度就可改变阻尼系数c。,以模拟不同土壤条件对农具的阻尼作用力。三、牵引阻力与耕深关系 的模拟试验由(5)式知,作用在农具上的牵引阻力F二与油缸位移二和耕深变化量盛d有关。x的变化表示农具单位耕深的阻力变化,d则反映耕深的变化引起阻力的变化。当x的值给 定后(即农具单位耕深的阻力给定后),操纵位控手柄改变农具的耕深,得到阻力与耕深 的 变化曲线如图4所示,它近似为线性关系,证实所设计的模拟加载装置是可行的。农业机械学报1990年H( c m)2 6肠2 2万一书了一下厂凡kN,图4牵引阻力与耕
10、深的关系Fig.4Relations五iPbet,eendraughtandimPlementdePth四、加载控 制和测试系统加载控制和测试系统如图5所示。加载控制信号由计算机的二路D/A通道输出,经放大后驱动步进电机带动数字阀转动,使加载油缸按给定的规律运动,模拟土壤对农具的作用力。系统测试的物理量有六个,分别为油缸、油泵压力,上拉杆传感信号,耕深,阻尼力和牵引阻力。为了保证实时控制和采样速度,控制和采样程序用机器语言编写,数据处理和绘图用高级语言。由于加载控制和测试都是 由一台微机完成,试验前的一些准备工作可 由计算机完成。如自动把农具提升到指定的位置,保证每次试验都在同一条件下进行。让
11、农具完全由地面支承,加载油缸回到零位,自动测试各传感器 的相对零点,各次试验即使传感器的零点有微量的漂移也不会影响试验结果。因此,数字模拟加载试验台操作简便,测试的精度高。测试系统厂一一 一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一可二J乙_些缨左 到里乡竖望_一_次次二二人 t t t算毛毛加载控制系统图5加载控制和测试系统Fig.55 了stemsof lo adinge ontr olandtesting 一水平力信号, 一阻尼力信号,一上拉杆信号,一油泵压力,一油 缸压力,一耕深变化信号,一数字阔控制信号。五、阻力控制系统的动态特性仿真试验拖拉机阻力控制系统为误差调节系统,当输入信号给定
12、以后,工作中不再变化。当土壤出现扰动力使农具上的作用力偏离给定值时,阻力控制系统就自动消除偏差 以维持农具上 的工作阻力恒定。下面是阻力控制在不同的扰动信号作用下的仿真测试。1.对阶跃扰动力的动态晌应的洲试给定农具 的牵引阻力为1 0kN,扰动力的幅值为3kN,测得力控系统的消扰调节 过 程如图6所示。由试验结果可见,当农具上的牵引阻力大于给定值时,力控系统要多次提升农具才能消除阻力偏差,调节的频率为5Hz左右。由于阻力控制系统有近Z kN的阻力非反应第i期拖拉机液压悬挂动特性数字模拟加载试验 台的研究区,因此系统存在一定的稳态误差。2.对份波扰动r的动态晌应浦试给定农具的牵引阻力为1 0k
13、N,扰动力幅值为3kN,分别测试了力控系统在儿种 典 型频率的谐波扰动力作用下的动态响应过程。由测试的结果得知:阻力控制系统的消扰能力随干扰频率增加而减弱。当干扰信号的频率为。.ZH:时,力控系统具有较好的消扰能力。当干扰频率 为IH:时,阻力控制系统虽有调节作用,但几乎没有消扰能 力。对ZHz的扰动力不再有调节作用,已完全丧失消扰能力。这里仅给出力控系统对0.2Hz的谐波扰动力的动态响应 过 程(见图7)。3.对防机扰动的动态侧试把实测的土壤扰动力的随机信号,经 计 算机的一个A/D通道输入,再由计算机根据输入的随机信号控制加载系统,就能给农具施加所需的随机载荷,实现对力控系统的随机仿真试验
14、。因为没有实测的随机信号,该试验是由计算机产生的随机噪声进行的。由计算机产生具有给定功率谱密度和给定的概率分布的随机噪声可参考文献3,这里不讨论。(P a)、10;9016 0 13 00 k N )仃闷1 6k N )1 281一一一一一口(s)12图6对 阶跃扰动力的动态响应Flg6Dyna口ler esPonseforsfePditurbance1.牵引阻力,2.阶跃扰动力,3.上拉杆传感信号,4.油系压力。把计算机产生的具有所需统计特性的随机 噪声序列作为加载系统的控制信号,对阻力控制系统进行仿真试验的结果见图8。图中圆点是输入信号(在位控时测得)的正态概率分布曲线,它的样本容量,0
15、0,采样时间间隔:=1/ 3 0秒,功率谱密度s,(。卜南。图中星号是经阻力控制系统调节后的正态概率分布曲线。由试验结果可见,经力控系统调节后正态分布曲线变尖变窄,输出方差从2.6( kN)至下降到1.25( kN)2。由F检验 得:阻力控制系统对上述的随机噪声 有明显 的消扰能力。而均值从7.9 5kN下降到了7.O6 kN,这是因为阻N卿2 0 01 0 0_.;:”犷- 一一- 一书二生一一二刁J- 卜卫 不试kN)令b石I UI艺笋气一, ( . )图7对谐波扰动力的动态响应Fig7Dynamiere ,Pon: eforha rmoniedi弓turbanee1.奉引阻力,2.谐波扰
16、动力,幅 值3kN,孩率O。ZH”3.上拉杆 传感信号,4.油缸压力。图8随机试脸F198Randomte sting*一阻 力系统调节后棍率分布曲线,均值,7.0 6 k N,方差“1.25(kN”,o一抽入 噪声概率分布曲线,均值二7.9 5kN,方差=2.6(kN)2 ,F二一牵引困 力,N一统计次数。4 0农业机械学报1990年力系统有近ZkN的非反应区,调节时农具的提升速度大于下降速度,最后使阻力系统稳定到非反应区的下 限。六、结论拖拉机液压悬挂动特性数字模拟试验台是阻力控制系统动特性测试及其评价的理想试验装置,它可以排除田间试验的各种不利因素,并能可靠地保证试验精度。由于数字加载控
17、制和测试都 由微机完成,因而造价低,便于推广。每次测试结果可以直接打印或用磁盘 贮存,也可 直接绘成曲线,全过程仅需十几分钟,操作十分方便。记录拖拉机田间作业土壤扰动力的随机信号,把它重放到计算机的 一个A/D通道 作 为输入信号,就可在室内进行拖拉机农具机组在田间工作的仿真试验。今考文嗽2345凤 洪元.农 业机械概论.中国农业机械 出版社,t98 1.DwyerMJT heD了namiePerfoma neeofTra eto r一元m PlementCo口 bina正10 05Pr o eIn stiMechEngrs,196 9一70熊光 楞.控制系统数字仿真.清华大学出版社,19 8
18、2 .徐南荣.系统辩识 导论.电子工业出版社,198 6 .王春行。液压伺服控制系统.机械工业 出.版社,198 1.DI G I T ALLOAD !NG.SIMULATORFORDYNAMI CSOFTR ACT ORH YDRAULICLIFTINGSYSTEMZ五。住Y往ns五anQinWeiqianZ 五angLanyiC五enBingeong(JilinUniv ersityofTe e五n olog y)AbstraetThedevie ePaPerwhiehPresentsthede signandstruetur eofadigitalus edtosimulatetheva
19、ria皿e eof5011analogueloadingeaneonditioneffeetedtrae走ordra ug五teontr olsystem,andtoandtest1tst五eimPlemente ombinationtionsaree ontrolledb yindoo r sr athe rthaninthefields.T helo adingsurfa e etr a etor一5imula _micro一eomPuterwitl ie asyoPer ationandPr eeis ea c euratelyeontrolled,50b eme a surings.BeeausetheinPutlo adingsignalscoulditwillbeeonvenie. ntfo rtestingdiffer entt丁Pe sof hy dr aulieliftings了stemsunderthesameeonditionsandfore valuationsoft五eirdjnamieT五er e e om田endeddevie eande v alu ation.15al lewandide altestequiPmentPe rfo rmaaeeexPeriment
