四轮高地隙田间作业车独立转向系统的设计与研究

摘要

河南地区高秆作物主要是玉米和烟草，中后期的喷药、追肥等工作对其质量和产量来说异常重要。玉米、烟草秆茎较高，另外烟草多为人工种植，往往垄距不一，而传统田间作业车轮距固定，因此很难进入地块中间，造成两者中后期田间管理劳动强度大，效率较低，同时多数田间作业车转向方式单一，转向不灵活。针对上述问题本文设计了一种用于高地隙作业车可以调整轮距的四轮独立转向系统，依次从独立转向系统执行机构的设计，转向液压系统的设计，转向液压系统控制方案的确定以及转向台架试验等方面展开论述，主要完成的工作有:
　　首先针对河南地区玉米和烟草种植模式对作业车的整机方案进行了设计，作业车主要由车架、独立转向系统、行走系统、喷药等配套机具组成，可以根据两种植物特点顺利进入相应地块进行作业。重点论述了四轮独立转向结构的设计，独立转向执行机构采用六连杆结构，可以配合车辆的变距，整车实现的变距范围为1.7～2.1m，同时能实现前轮转向，四轮转向，斜形偏转转向等不同转向模式。对设计的独立转向机构通过建立力学模型进行了力学分析和位置分析，确定了转向液压缸的输出推力的数学表达式，并以转向液压缸的输出推力最小为目标借助ADAMS软件对转向液压缸的安装位置进行了优化设计，确定了最终液压缸缸体端的较佳安装坐标位置。
　　其次设计了作业车的转向液压工作系统，主要绘制并分析了转向液压系统的工作原理，另外对液压系统中的核心元件进行了参数计算和选型设计。同时结合作业车所要达到的转向功能，确定了通过控制液压缸位移来控制作业车转向角的基本思路，并分析了方向盘转角、液压缸位移、车轮转角三者关系，设计了比例转向液压控制方案，建立了电液比例转向系统的数学模型，并结合AMESim软件对控制方案进行了仿真分析，仿真模型结果表明了控制系统的可用性，转向液压油缸可以跟随输入信号快速响应，实现转向系统的可控性。
　　再次设计了作业车转向的电控系统，对控制器、编码器等系统硬件进行了参数选择，根据作业车转向功能需要设计了作业车转向以及变距电气回路，结合设计的电气回路对转向控制逻辑顺序进行了分析，并给出了转向系统的部分程序和编程流程图。
　　最后搭建了转向系统的前轮转向试验台架，通过搭建的转向台架对设计的控制方法进行了验证，试验中给定固定的模拟方向盘转向角度时，转向液压缸可以到达预期位置，最大误差可以保持在±1.2mm之内，同时液压缸在理想位置处振荡次数较少，当给定连续随机转向信号时，转向液压缸可以跟随输入信号运动，有相对较好的响应和跟随精度，虽然相比固定信号其控制精度略低，但基本达到预期转向要求。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题提出的背景

1．2 课题研究的意义

1．3 高地隙作业车国内外研究现状

1．3．1 国内高地隙作业车研究现状

1．3．2 国外高地隙作业车研究现状

1．4 车辆转向系统研究现状

1．4．1 转向机构的研究现状

1．4．2 车辆转向控制研究现状

1．5 研究内容与技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究技术路线

2 四轮高地隙田间作业车独立转向机构的设计

2．1 作业车的整体结构

2．2 作业车独立转向机构的设计与优化

2．2．1 独立转向机构的设计

2．2．2 独立转向机构的力学和位置分析

2．2．3 转向阻力矩的计算

2．3 转向机构在ADAMS中的仿真与优化

2．3．1 ADAMS软件简介

2．3．2 转向机构的优化设计

2．4 本章小结

3 作业车转向液压系统设计

3．1 高地隙作业车液压系统特点

3．2 作业车转向液压系统方案确定

3．3 作业车转向系统液压元件参数计算与选型

3．3．1 转向液压缸的参数计算

3．3．2 液压泵的参数计算

3．3．3 比例方向阀的选择

3．4 本章小结

4 作业车液压转向控制方案及建模仿真

4．1 作业车比例转向控制方案的确定

4．2 作业车比例转向系统的数学建模

4．3 作业车比例转向系统仿真分析

4．3．1 AMESim软件介绍

4．3．2 作业车比例液压转向的仿真分析

4．4 作业车转向角传动特性分析

4．4．1 方向盘转角与车辆转角关系

4．4．2 车辆转角与转向液压缸位移的关系

4．5 作业车转向系统的控制算法

4．5．1 PID控制算法原理

4．5．2 加入控制算法的转向液压系统仿真分析

4．6 本章小结

5 作业车转向电控系统设计

5．1 作业车转向电控系统硬件选择

5．1．1 控制器的选择

5．1．2 编码器的选择

5．1．3 位移传感器的选择

5．2 作业车转向控制电气回路设计与I／O分配

5．2．1 作业车转向控制电气回路设计

5．2．2 作业车转向系统I／O分配与外围接线图

5．3 作业车转向控制系统软件设计

5．3．1 CODESYS软件编程平台

5．3．2 作业车转向程序流程图

5．4 本章小结

6 作业车转向液压台架试验

6．1 前轮转向试验台架的搭建

6．2 试验的目的和方法

6．3 实验结果与分析

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附录