拖拉机自动驾驶液压转向系统研究*

赵 军，赵琳苑，李霄伟

（黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319）

拖拉机自动驾驶技术可以提高作业精度，降低生产成本，减少重播漏播，提高作业质量，是拖拉机现代化和智能化的根本要求。拖拉机液压转向系统是地面自动驾驶车辆的底层关键技术之一，国内学者的主要研究成果是对拖拉机转向油路进行改造，通过加装的电液比例阀控制转向和转速，通过电磁阀实现手动驾驶与自动驾驶的切换。本系统通过对并联于全液压转向器的液压回路和转向集成阀块的设计，能够实现手动驾驶与自动驾驶的自动切换，完全满足自动驾驶的要求。

1 液压转向系统

1.1 液压回路

拖拉机自动驾驶液压转向系统原理图如图1所示，该液压转向系统主要由转向器、逻辑阀、比例换向阀、液压锁、梭阀等组成。液压系统中的优先阀用来实现手动驾驶和自动驾驶的自动切换，拖拉机启动后为手动驾驶模式，方向盘与转向器直接相连，手动转向。自动驾驶时，比例换向阀接受控制器信号，优先阀换向，切断手动转向回路，实现自动驾驶。控制器计算出目标转角与实际转角的偏差，比例换向阀控制转向和流量的大小[1]。

图1 自动驾驶液压转向系统

1.2 转向阀块设计

设计的液压回路中的液压阀封装在集成块中，在集成块内布置和联通，具有结构紧凑、高度集成的特点，简化了液压系统的空间布局，增加了系统的集成度。液压集成阀块是集成后的阀及联通管路，根据液压回路原理图，将优先阀、液压锁、梭阀集成于阀块内，液压阀和油口合理布置到液压集成阀块的相关位置，并设计相关孔道，实现原理图要求的通断关系[2-3]。根据液压阀的流量、压力范围以及流量-压力曲线，选择合适的元件。

油道通径大小适中，计算如下：

阀块内连通回油管油道的通径流速为2.5 m/s~4 m/s，连通高压油管油道的通径流速为6 m/s~8 m/s。确定油道最小通径为6 mm，最大通径为12 mm，阀块壁厚为5 mm。

2 液压转向系统仿真

2.1 液压转向系统建模

根据液压系统原理图，针对自动转向部分，进行液压缸的动作仿真。进入AMESim环境，利用Sketch模式并调用系统提供的液压库、机械库建立液压系统仿真模型[4]，如图2所示。仿真系统所用模型均被参数化，如液压缸的缸径为63 mm，活塞杆直径为40 mm，行程为300 mm。其他元件的参数均进行了参数化设定。

图2 液压转向系统仿真模型

2.2 仿真结果分析

转向系统在负载不变的情况下，接收到不同的角位移信号，观察油缸运动速度。仿真中质量负载和外负载不变，仿真时间为20 s，通过调节与电磁比例换向阀相连的信号源，输入不同的信号，得到油缸运动位移以及速度的仿真曲线如图3、图4所示[5]。

图3 不同输入信号下油缸的位移曲线

图4 不同输入信号下油缸的速度曲线

由以上曲线可以清楚地反映在不同的输入信号下，液压缸的运动速度和运动位移动态过程中的差别。由图3可以看出，油缸在不同的信号下，位移逐渐增加并在达到相应的角度后趋于平稳；由图4可以看出，在不同的输入信号下，油缸的速度随之变化，并且逐渐增加到一个恒定值，继续进行运动直至达到输入值。由仿真结果可以看出，在不同输入信号下油缸运动平稳，满足转向要求。

图3 株高茎粗正态性检验图

设定电磁比例换向阀的输入信号，依次对应着左转向、右转向，仿真时间20 s，仿真结果如图5、图6所示。由图5可知，液压缸在伸出过程中，4.1 s即可达到最大行程0.3 m。液压缸从第8 s开始缩回，缩回完成时间约为3.2 s，满足系统的设计要求。图6的速度响应时间、满足要求。表明液压系统能够很好地完成左转向、停止以及右转向动作，活塞在左转向和右转向时基本匀速运动，不转向，不运动。

图5 活塞杆位移随时间变化曲线

图6 活塞杆速度随时间变化曲线

3 转向系统性能试验

为了验证该转向系统的可行性，设计了转向试验台架。试验台架主要由液压泵站、转向阀块、车轮转向装置三部分组成。转向验证试验进行了转向动作验证试验和自动驾驶模式与手动驾驶模式切换验证试验。

转向动作验证试验时，打开试验台电源开关，开启液压泵站，向电磁比例阀随机输入几个转向电压信号，拖拉机车轮能够随之转动；再对电磁比例换向阀输入一个转向来回信号，拖拉机能够完成一个转向来回，且转向速度稳定，说明该系统设计合理，满足转向需求。

自动驾驶模式与手动驾驶模式切换试验时，打开试验台电源开关，开启液压泵站，向电磁比例阀输入转向信号，拖拉机处于自动驾驶模式，接着转动方向盘，电磁比例阀断电停止工作，转向轮能随着方向盘的转动而转动，说明该系统能够自动切换手动驾驶模式及自动驾驶模式，满足设计预期。

4 总结

1）液压回路及转向阀块能够满足拖拉机液压转向要求，能够实现自动驾驶模式与手动驾驶模式的自动切换，易于实现自动化控制。

2）液压回路中的逻辑阀和梭阀的设计，很好地解决了两种驾驶方式的切换。

3）液压转向阀块高度集成，简化系统油路，减少管路布置及泄漏，是自动转向系统的一次创新性设计。

4）仿真结果表明，转向系统的工作状态均与设计参数相符合，验证了模型的正确性和可行性。转向试验验证结果表明，转向系统设计合理，满足转向要求。