电液控制自动张紧系统在联合收割机主离合上的应用

郝良军

（新疆新研牧神科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 830026）

0 前言

在联合收割机工作过程中，主离合皮带主要担负着由发动机传递工作动力给主工作部件，是整机系统中重要的组成部件，目前国内主流机型的主离合传动采用的方式主要有两种，一种机械连杆机构的张紧轮手动控制系统，另外一种是利用液压油缸结合张紧弹簧的张紧轮控制系统。这两种方式都是通过调整弹簧的压力来使张紧轮张紧皮带的，皮带的张紧程度往往与操作者的经验有关，经常出现张紧力过大或者过小，皮带的张紧力对其传动效率、带轮轴承的寿命和轴的疲劳强度都有很大影响。张紧力不足，传递载荷的能力降低，效率低，且使小带轮急剧发热、皮带磨损；张紧力过大，则会使皮带的寿命降低，轴和轴承上的载荷增大，轴承发热和磨损。因此适当的张紧力是保证皮带传动正常工作的重要因素。

在整机工作过程中，主工作部件的负荷会随着时间发生随机的变化，常用的皮带自动张紧方法主要是重力张紧方式[1]，这种方式适合小功率工况下及固定作业环境下的机械传动系统，对于自走式联合收割机的工况则会出现张紧力波动较大导致动力传递连续性不足等问题，使整机工作效能降低，另一种是以液压元件或者液压伺服机构为主的液压自动张紧系统[2]，整套系统使用液压元件较多，结构复杂，维护成本较高，目前在联合收割机上实施难度还较大。

本文阐述了一种利用电液自动控制系统对油缸张紧轮控制系统的改进方法。改进过的张紧轮系统通过数字化技术检测出皮带张紧力大小后自动调节张紧轮到达合适的值，从而有效避免了动力传递皮带的张紧力过大或过小引起的系列问题，另外随着国家十三五的有关智能农机的规划，单片机控制器慢慢开始进入主机控制系统，这就为本方案提供了实施可靠廉价的便利条件，使大范围推广成为可能。

1 工作原理及特点

由于联合收割机系统一般工作部件比较多，负荷较大，为减少工作部件的冲击一般要求慢结合和快分离，且为了安全考虑结合过程中还需要随时中断结合过程，这对整个系统软件控制方面提出了更高的要求。

皮带自动张紧的过程分为两个过程：主离合结合初期，由于机械结构负荷较大，控制系统会控制液压系统张紧皮带轮，并且使皮带张紧力达到一个较大值，等待系统运行平稳后，逐渐减小皮带张紧力达到正常值；另一个是在系统正常工作的过程中由于负荷的变化或者新皮带使用过程中的正常性拉长使皮带张紧力超出了皮带的张紧力范围时，系统自动根据负载的变化调整皮带张紧力至正常值，以保证动力传递的高效性，达到环保节油的目的。

图1 系统流程图

控制系统在接收到主离合结合信号后，通过判断发动机转速传感器或者发动机ECU通过CAN总线发来的发动机转速数据，当发动机转速高于1 200 rpm时，为了避免高转速结合时对机械部件造成的冲击，系统不执行结合动作，并且通过HMI显示器输出错误代码E01，提醒操作机手；反之直接输出主离合结合信号。配备功率放大电路的单片机控制器相对应端口直接输出电力驱动主离合结合电磁阀，使电磁阀接通油路导通，油缸朝向结合方向运动，主离合结合。结合过程中，压力传感器将采集到的回液压管路的压力值送入数据处理部分，数据处理部分根据压力值和张紧力的置换算法后得到皮带张紧力，当张紧力达到设计值时单片机系统控制张紧油缸停止，此时皮带张紧力依靠液压回路的自锁功能保持张紧轮的张紧力。整机工作工程中由于负荷的变化对液压系统管路所造成的冲击则由系统中配备的液压蓄能器或者张紧弹簧所吸收，数据处理部分则对采集到的脉冲压力值采用特定的卡尔曼滤波算法进行滤波处理，处理后的数据作为系统判断张紧力是否超出合理范围的依据，并采取适当的调整策略对张紧力进行调整。等主动轮和从动轮转速由于弹性滑动和负载打滑的比例超过一定比例后，系统自动给蓄能器补充油液从而增大张紧轮压力，反之减少蓄能器油液，简要程序流程图如图1所示，电器原理图如图2所示，液压原理图如图3所示。

图2 电器原理图

图3 液压原理图

2 系统组成

系统主要组成部分：液压动力单元，电磁换向阀，压力传感器，单片机控制器，蓄能器，液压油缸，流量调节阀，比例流量调节阀，主离合限位开关，操作开关，转速传感器，其他电路组成部分和油路组成部分。

液压动力单元主要提供压力油，换向阀用来驱动张紧轮油缸换向，蓄能器是为蓄能保压和减缓冲击作用，传感器为了采集相关数据送入控制器来进行控制策略的决策分析，比例流量调节阀用来控制张紧轮的张紧过程中的速度，以便在不同动作要求下达到需要的张紧速度，其主要控制方式通过控制器的PWM输出端口来控制；流量调节阀用来控制张紧系统的结合速度，为省成本和实际应用特点一般采用手动调节的流量调节阀，主离合限位开关为了给控制器提供主离合状态信息；转速传感器用来检测主动轮和被动轮的转速，以供控制系统对打滑率进行决策分析；液压油缸用来推动张紧轮；张紧弹簧主要用来防止传感器失效后的保护和提供足够的张紧压力和减缓冲击压力。

表1 控制器IO分配表

系统控制策略主要是由单片机控制器来完成，主要原理图如图3所示，输入输出IO配置如表1所示。整套系统通过HMI人机交互显示器显示系统运行过程中的错误提示及报警系统，错误故障代码如表2所示。

表2 错误代码故障表

3 试验及应用

本套系统已经在新疆牧神的4YZT-12籽粒联合收割机系统中使用，整机配备潍柴247 kW的国三发动机，主离合皮带为普通V带C3720，数量为4根，整套系统安装的压力传感器量程为0～20 Mpa、4～20 mA模拟量传感器，通过主离合的机械结构计算油缸的张紧拉力范围为1 250～1 320 N，油缸缸径25 mm，活塞直径20mm，计算得到需求的液压压力范围为5.6～5.9Mpa[1]，对应传感器数据为7～7.4 mA。在工作现场通过程序的调试与现场数据的分析后标定了7～8 mA。整机下地试验运行超过300小时累计作业超过66.67hm2地，整个过程中未调整过皮带，主离合系统部分没有出现过泄露、轴承损坏皮带损坏或严重磨损现象，效果良好。

4 总结

本系统通过CAN总线技术，单片机逻辑控制技术，结合HMI人机交互界面让动力传递系统具有了稳定、可靠特性的同时，还具备了自诊断功能，为将来的智能化农机奠定了实践和理论基础，如果配置有GPS和GPRS系统，故障代码上传至服务器中，可成为将来的远程运维的一个重要组成部分，而且系统硬件组成部分简单，降低了维护难度、功能完善，值得借鉴和推广。