一種插秧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種插秧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)包括動力元件、執(zhí)行元件、控制元件；動力源為發(fā)動機，液壓系統(tǒng)動力元件為液壓泵；執(zhí)行元件為4個分別安裝在四個車輪內(nèi)側(cè)的單作用液壓缸，能夠分別控制四個車輪的轉(zhuǎn)角；控制元件包括三位四通電磁比例換向閥，三位四通電磁比例換向閥通過控制其比例電磁鐵電流的大小無極地調(diào)節(jié)換向閥的開度；轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)主要包括中央控制器和角度傳感器，中央控制器根據(jù)所選擇的轉(zhuǎn)向模式，調(diào)整車輪角度和液壓系統(tǒng)油液的流動方向，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)向模式計算各個車輪轉(zhuǎn)向角之間的關系，角度傳感器分別安裝在各個車輪內(nèi)側(cè)，在轉(zhuǎn)向過程中，角度傳感器測量各個車輪的轉(zhuǎn)向角度，并反饋給中央控制器以不斷消除轉(zhuǎn)向角度偏差。
【專利說明】
一種插秧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其控制方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種插秧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其控制方法，屬于插秧機轉(zhuǎn)向控制技術領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，我國已經(jīng)成為世界上最大的農(nóng)業(yè)裝備生產(chǎn)和使用大國，但農(nóng)機產(chǎn)品"大而 不強"的局面普遍存在，隨著國家"十三五"的實施，液壓技術逐漸被引用到農(nóng)業(yè)機械裝備領 域，農(nóng)業(yè)機械也逐漸向著自動化、智能化高速發(fā)展。同時，水稻是我國最重要的糧食之一， 2015年，中國水稻種植面積約為3000萬公頃，占中國糧食作物總面積的30%，占世界水稻種 植面積的20%，確保水稻增產(chǎn)增收對維持糧食供給、保證國家糧食安全具有重要意義。
[0003] 插秧機長期在田塊較小、道路狹窄、泥腳深度大的水田中工作，需要保證其正常行 駛和轉(zhuǎn)向掉頭，這使得對其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計極為嚴苛?，F(xiàn)有量產(chǎn)的高速插秧機多為液壓助 力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，存在以下缺點：
[0004] (1)我國的水田地塊大多較為狹小，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為前輪轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向角度小，轉(zhuǎn) 彎半徑大，不易在狹窄的空間內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、掉頭；
[0005] (2)現(xiàn)有轉(zhuǎn)向方式固定單一，僅能依靠前輪轉(zhuǎn)向，無法根據(jù)水田形狀、插秧機行駛 位置的需求調(diào)整轉(zhuǎn)向方式；
[0006] (3)現(xiàn)有插秧機為液壓助力轉(zhuǎn)向，而水田泥腳深度大，轉(zhuǎn)向阻力大，操作方向盤較 為吃力，長期駕駛易造成機手疲勞；
[0007] (4)現(xiàn)有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不利于實現(xiàn)自動化、智能化控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對水田道路迂回，狹窄，插秧機轉(zhuǎn)彎不方便，轉(zhuǎn)彎時容易碾壓插 秧完成的水田等問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、轉(zhuǎn)向輕盈合理、轉(zhuǎn)向方式可變、轉(zhuǎn)彎半徑小、 易于實現(xiàn)自動化智能化、能夠滿足高速插秧機在水田和路面正常作業(yè)行駛的新型液壓轉(zhuǎn)向 機構(gòu)及其控制方法。
[0009] 本發(fā)明采取以下技術方案：
[0010] -種插秧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)；所述液壓系統(tǒng)包括動力元 件、執(zhí)行元件、控制元件;所述動力源為發(fā)動機1，動力元件為液壓栗2;所述執(zhí)行元件為4個 分別安裝在四個車輪內(nèi)側(cè)的單作用液壓缸8，能夠分別控制四個車輪的轉(zhuǎn)角;所述控制元件 包括三位四通電磁比例換向閥7,所述三位四通電磁比例換向閥7通過控制其比例電磁鐵電 流的大小無極地調(diào)節(jié)換向閥的開度;所述轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)主要包括中央控制器和角度傳感 器，所述的中央控制器根據(jù)所選擇的轉(zhuǎn)向模式，調(diào)整車輪角度和液壓系統(tǒng)油液的流動方向， 同時，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)向模式計算各個車輪轉(zhuǎn)向角之間的關系，所述的角度傳感器分別安裝 在各個車輪內(nèi)側(cè)，在轉(zhuǎn)向過程中，角度傳感器測量各個車輪的轉(zhuǎn)向角度，并反饋給中央控制 器以不斷消除轉(zhuǎn)向角度偏差。
[0011] 進一步的，所述控制元件還包括安全閥6、單向閥5,所述單向閥5設于液壓栗2之間 連通的油路上，所述安全閥6與四個三位四通電磁比例換向閥7并聯(lián)設置;所述的單向閥5為 無簧單向閥，其額定流量不小于液壓栗的最大流量，單向閥5具有防止液壓缸內(nèi)油液回流的 作用;所述安全閥6為溢流閥，當液壓系統(tǒng)的壓力超過安全閥6設定壓力時，安全閥6開啟溢 流，防止液壓元器件因為高壓而損壞。
[0012]進一步的，三位四通電磁比例換向閥7的三個位置分別控制液壓缸的油路方向，中 位采用O型機能，具有切斷油路和鎖止作用。
[0013] 進一步的，所述液壓系統(tǒng)還包括輔助元件，所述輔助元件包括濾油器3、油箱4，所 述濾油器3安裝在液壓栗的進油口處，其可以防止污物顆粒進入液壓栗和其它液壓元件中； 所述油箱4為開式油箱，油箱內(nèi)部的吸油區(qū)與回油區(qū)用隔板分開，以增大油液循環(huán)的路程、 減緩油液循環(huán)的速度，隔板的高度不低于油面紙箱底高度的三分之二。
[0014] -種上述的插秧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法，轉(zhuǎn)向模式分為三種:兩輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向 和原地轉(zhuǎn)向；所述兩輪轉(zhuǎn)向為前輪轉(zhuǎn)向，選擇兩輪轉(zhuǎn)向模式后，液壓缸和角度傳感器配合工 作，使得兩后輪轉(zhuǎn)角歸零且維持，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的前輪為基準輪，在轉(zhuǎn)向過程中，基準輪的轉(zhuǎn)角 由方向盤控制并由角度傳感器實時采集，中央控制器根據(jù)程序計算出另外一個轉(zhuǎn)向輪的對 應轉(zhuǎn)向角度，并通過單作用液壓缸8推動其達到所計算的轉(zhuǎn)向角以完成兩輪轉(zhuǎn)向控制;所述 的四輪轉(zhuǎn)向為全輪轉(zhuǎn)向，選擇四輪轉(zhuǎn)向模式后，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的兩個車輪為基準輪，方向盤同步 控制兩個基準輪的轉(zhuǎn)角，同時，兩個角度傳感器實時采集基準輪轉(zhuǎn)角，中央控制器通過控制 程序同步實時的調(diào)節(jié)兩個非基準輪的轉(zhuǎn)角，以完成四輪轉(zhuǎn)向；所述的原地轉(zhuǎn)向為四輪轉(zhuǎn)向 的一種特殊狀態(tài)，選擇原地轉(zhuǎn)向模式后，中央控制器分別控制四個液壓缸，以使得四個輪子 均轉(zhuǎn)過確定的角度，實現(xiàn)對原地轉(zhuǎn)向的控制。
[0015] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0016] 1)針對水田內(nèi)的插秧機，進行了轉(zhuǎn)向優(yōu)化設計，對于狹小的水田地塊輕易的實現(xiàn) 小角度轉(zhuǎn)向、掉頭，靈活性大大提升;使得轉(zhuǎn)向輪具有更大的轉(zhuǎn)向角，有效減小轉(zhuǎn)彎半徑，易 于插秧機在狹小的田塊中掉頭轉(zhuǎn)向。
[0017] 2)便于根據(jù)水田形狀、插秧機行駛位置的需求調(diào)整轉(zhuǎn)向方式；
[0018] 3)實現(xiàn)了水田插秧機自動化、智能化的控制；
[0019] 4)轉(zhuǎn)向方式可變，提供兩輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向三種轉(zhuǎn)向模式，可以根據(jù)具 體的轉(zhuǎn)向需求來選擇。
[0020] 5)采用液壓轉(zhuǎn)向的機構(gòu)方向盤輕便易操作，減小機手操作強度。
[0021] 6)本發(fā)明設計的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動化、智能化程度高。
[0022 ] 7)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計優(yōu)化，減小車輪磨損，轉(zhuǎn)向性能好。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓原理圖。
[0024]圖2是前輪轉(zhuǎn)向示意圖。
[0025]圖3是四輪轉(zhuǎn)向示意圖。
[0026]圖4是原地轉(zhuǎn)向示意圖。
[0027]圖5是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制圖。
[0028]圖6是前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制圖。
[0029]圖7是四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制圖。
[0030]圖8是后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制圖。
[0031]圖中，1-發(fā)動機2-齒輪栗3-濾油器4-油箱5-單向閥6-安全閥7-三位四通電 液比例換向閥8-單作用液壓缸。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0033] 參見圖1-圖8:
[0034]圖1所示為本發(fā)明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓原理圖。
[0035]發(fā)動機1是整個系統(tǒng)的動力源，其經(jīng)過連接裝置將動力傳遞給液壓栗2,所述的發(fā) 動機為現(xiàn)有高速插秧機的柴油發(fā)動機，所述的液壓栗為齒輪栗，齒輪栗的出油口連接單向 閥5，所述的單向閥的作用是防止液壓缸的油液倒流，單向閥5的出油一端并聯(lián)四個單作用 液壓缸8和安全閥6,并在每一個液壓缸前安裝有方向控制元器件三位四通電液換向閥7,所 述的三位四通電液換向閥為比例閥，其作用是改變液壓油的方向，并可以根據(jù)電流大小無 極地調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，換向閥中位采用0型機能，具有切斷油路和鎖止作用，所述的安全閥6作 用是防止系統(tǒng)壓力過高而損壞液壓元器件，所述的液壓栗2進油口連接有濾油器3,所述的 濾油器3過濾精度為精濾，所述的濾油器3的進油端為液壓油箱4。
[0036]圖2所示為本發(fā)明前輪轉(zhuǎn)向示意圖。
[0037] 圖中，L為高速插秧機軸距1050mm，F(xiàn)為高速插秧機軸距1220mm，0為轉(zhuǎn)向中心，基準 輪轉(zhuǎn)向角為β，非基準輪轉(zhuǎn)向角為α，α和β的關系應該滿足：
[0038]
[0039 ]圖3所示為本發(fā)明四輪轉(zhuǎn)向示意圖。
[0040] 圖中，L為高速插秧機軸距1050mm，F(xiàn)為高速插秧機軸距1220mm，0為轉(zhuǎn)向中心，前后 基準輪轉(zhuǎn)向角為β，前后非基準輪轉(zhuǎn)向角為α，α和邱勺關系應該滿足：
[0041]
[0042] 圖4所示為本發(fā)明原地轉(zhuǎn)向示意圖。
[0043] 圖中，L為高速插秧機軸距1050mm，F(xiàn)為高速插秧機軸距1220mm，0為轉(zhuǎn)向中心，圖中 ZB、ZC應滿足關系：
[0044]
[0045] 圖5所示為本發(fā)明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制圖。
[0046] 插秧機具有三種轉(zhuǎn)向模式:前輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向。在選擇某一種轉(zhuǎn)向模 式之后，中央控制器控制液壓系統(tǒng)，使得固定的液壓缸動作，以調(diào)整車輪角度，同時，根據(jù)三 種轉(zhuǎn)向模式對應的阿克曼轉(zhuǎn)向原理所編寫的程序精準計算各個車輪轉(zhuǎn)向角之間的關系，并 由計算所得數(shù)據(jù)控制車輪轉(zhuǎn)角，避免輪胎因滑移或滑轉(zhuǎn)而產(chǎn)生磨損，四個車輪處均安裝角 度傳感器，在轉(zhuǎn)向過程中，測量各個車輪的轉(zhuǎn)向角度，并反饋給中央控制器以不斷消除轉(zhuǎn)向 角度偏差。
[0047] 圖6所示為本發(fā)明前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制圖。
[0048] 在選擇前輪轉(zhuǎn)向模式后，中央控制器發(fā)出指令，液壓系統(tǒng)使得后輪轉(zhuǎn)角歸零，兩后 輪在轉(zhuǎn)向過程中不再轉(zhuǎn)動，若插秧機左轉(zhuǎn)，則左前輪為基準輪，若插秧機右轉(zhuǎn)，則右前輪為 基準輪，方向盤控制基準車輪的轉(zhuǎn)向角，在轉(zhuǎn)向過程中，基準輪的轉(zhuǎn)角由方向盤控制并由角 度傳感器實時采集，采集的轉(zhuǎn)向角發(fā)送給中央控制器，中央控制器根據(jù)兩輪轉(zhuǎn)向所編寫的 程序(圖2公式所對應的關系)計算出另外一個轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度，通過D/A轉(zhuǎn)換器、放大器、 電液比例換向閥控制轉(zhuǎn)向液壓缸，已達到控制非基準輪轉(zhuǎn)向角度的目的，同時，非基準輪的 角度傳感器測量數(shù)據(jù)反饋給中央控制器，以精確調(diào)整車輪轉(zhuǎn)向角度。
[0049]圖7所示為本發(fā)明四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制圖。
[0050]選擇四輪轉(zhuǎn)向模式后，若插秧機左轉(zhuǎn)，左前輪和左后輪為基準角，若插秧機右轉(zhuǎn)， 右前輪和右后輪為基準角，通過轉(zhuǎn)動方向盤和液壓缸的共同作用可以控制兩個基準輪的轉(zhuǎn) 角且兩基準輪轉(zhuǎn)角完全相同，同時，角度傳感器實時采集基準輪轉(zhuǎn)角并反饋給中央控制器， 中央控制器通過依據(jù)四輪轉(zhuǎn)向所編寫的控制程序，通過D/A轉(zhuǎn)換器、放大器、電液比例換向 閥控制轉(zhuǎn)向液壓缸以實時的調(diào)節(jié)兩個非基準輪的轉(zhuǎn)角，以完成四輪轉(zhuǎn)向，同時，非基準輪的 角度傳感器測量數(shù)據(jù)反饋給中央控制器，以精確調(diào)整車輪轉(zhuǎn)向角度。
[0051 ]圖8所示為本發(fā)明原地轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制圖。
[0052]選擇原地轉(zhuǎn)向模式后，中央控制器依次通過D/A轉(zhuǎn)換器、放大器、電液比例換向閥 分別控制四個液壓缸，四個輪子均按照程序設定轉(zhuǎn)過一定的角度（由圖4所示，ZB=ZC = 40.7171° )，確保四個輪完成原地轉(zhuǎn)向。
[0053]本發(fā)明針對水田內(nèi)的插秧機，進行了轉(zhuǎn)向優(yōu)化設計，對于狹小的水田地塊輕易的 實現(xiàn)小角度轉(zhuǎn)向、掉頭，靈活性大大提升;使得轉(zhuǎn)向輪具有更大的轉(zhuǎn)向角，有效減小轉(zhuǎn)彎半 徑，易于插秧機在狹小的田塊中掉頭轉(zhuǎn)向；便于根據(jù)水田形狀、插秧機行駛位置的需求調(diào)整 轉(zhuǎn)向方式;實現(xiàn)了水田插秧機自動化、智能化的控制;轉(zhuǎn)向方式可變，提供兩輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn) 向和原地轉(zhuǎn)向三種轉(zhuǎn)向模式，可以根據(jù)具體的轉(zhuǎn)向需求來選擇;采用液壓轉(zhuǎn)向的機構(gòu)方向 盤輕便易操作，減小機手操作強度;本發(fā)明設計的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動化、智能化程度高;轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)設計優(yōu)化，減小車輪磨損，轉(zhuǎn)向性能好。
【主權(quán)項】
1. 一種插秧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在于： 包括液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)； 所述液壓系統(tǒng)包括動力源、動力元件、執(zhí)行元件、控制元件;所述動力源為發(fā)動機（1)， 液壓系統(tǒng)的動力元件為液壓栗(2);所述執(zhí)行元件為4個分別安裝在四個車輪內(nèi)側(cè)的單作用 液壓缸(8)，能夠分別控制四個車輪的轉(zhuǎn)角；所述控制元件包括三位四通電磁比例換向閥 (7)，所述三位四通電磁比例換向閥（7)通過控制其比例電磁鐵電流的大小無極地調(diào)節(jié)換向 閥的開度； 所述轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)主要包括中央控制器和角度傳感器，所述的中央控制器根據(jù)所選擇 的轉(zhuǎn)向模式，調(diào)整車輪角度和液壓系統(tǒng)油液的流動方向，同時，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)向模式計算各 個車輪轉(zhuǎn)向角之間的關系，所述的角度傳感器分別安裝在各個車輪內(nèi)側(cè)，在轉(zhuǎn)向過程中，角 度傳感器測量各個車輪的轉(zhuǎn)向角度，并反饋給中央控制器以不斷消除轉(zhuǎn)向角度偏差。2. 如權(quán)利要求1所述的插秧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在于:所述控制元件還包括安全閥（6)、 單向閥（5)，所述單向閥（5)設于液壓栗（2)之間連通的油路上，所述安全閥（6)與四個三位 四通電磁比例換向閥（7)并聯(lián)設置;所述的單向閥（5)為無簧單向閥，其額定流量不小于液 壓栗的最大流量，單向閥（5)具有防止液壓缸內(nèi)油液回流的作用;所述安全閥(6)為溢流閥， 當液壓系統(tǒng)的壓力超過安全閥（6)設定壓力時，安全閥（6)開啟溢流，防止液壓元器件因為 高壓而損壞。3. 如權(quán)利要求1所述的插秧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在于:三位四通電磁比例換向閥（7)的 三個位置分別控制液壓缸的油路方向，中位采用〇型機能，具有切斷油路和鎖止作用。4. 如權(quán)利要求1所述的插秧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其特征在于:所述液壓系統(tǒng)還包括輔助元件， 所述輔助元件包括濾油器(3)、油箱(4)，所述濾油器(3)安裝在液壓栗的進油口處，其可以 防止污物顆粒進入液壓栗和其它液壓元件中；所述油箱(4)為開式油箱，油箱內(nèi)部的吸油區(qū) 與回油區(qū)用隔板分開，以增大油液循環(huán)的路程、減緩油液循環(huán)的速度，隔板的高度不低于油 面紙箱底高度的三分之二。5. -種權(quán)利要求1所述的插秧機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法，其特征在于： 轉(zhuǎn)向模式分為三種:兩輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向； 所述兩輪轉(zhuǎn)向為前輪轉(zhuǎn)向，選擇兩輪轉(zhuǎn)向模式后，液壓缸和角度傳感器配合工作，使得 兩后輪轉(zhuǎn)角歸零且維持，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的前輪為基準輪，在轉(zhuǎn)向過程中，基準輪的轉(zhuǎn)角由方向盤 控制并由角度傳感器實時采集，中央控制器根據(jù)程序計算出另外一個轉(zhuǎn)向輪的對應轉(zhuǎn)向角 度，并通過單作用液壓缸(8)推動其達到所計算的轉(zhuǎn)向角以完成兩輪轉(zhuǎn)向控制； 所述的四輪轉(zhuǎn)向為全輪轉(zhuǎn)向，選擇四輪轉(zhuǎn)向模式后，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的兩個車輪為基準輪，方 向盤同步控制兩個基準輪的轉(zhuǎn)角，同時，兩個角度傳感器實時采集基準輪轉(zhuǎn)角，中央控制器 通過控制程序同步實時的調(diào)節(jié)兩個非基準輪的轉(zhuǎn)角，以完成四輪轉(zhuǎn)向； 所述的原地轉(zhuǎn)向為四輪轉(zhuǎn)向的一種特殊狀態(tài)，選擇原地轉(zhuǎn)向模式后，中央控制器分別 控制四個液壓缸，以使得四個輪子均轉(zhuǎn)過確定的角度，實現(xiàn)對原地轉(zhuǎn)向的控制。
【文檔編號】B62D5/06GK106043418SQ201610407075
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】扈凱, 張文毅, 余山山, 袁文勝, 祁兵, 紀要
【申請人】農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所