农业机械的研究：联合收获机湿式离合器的分析

互推小编 2024-04-17

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文|牧童

编辑|牧童

◆ ◇ 前言 ◇ ◆

建立了离合器电液控制模型，提出了前馈反馈控制策略，并根据油温和发动机的不同对控制参数进行了优化。设计一种自适应滑模控制器来控制活塞湿式离合器的位置。

与边界层滑模控制器相比，自适应滑模控制器具有较小的波动和较快的收敛速度。建立湿式离合器啮合的二次综合性能指标函数过程。

湿式离合器液压执行系统的仿真模型，提出了一种基于该模型的前馈和PID反馈控制算法，验证了其控制效果优于PID控制算法。建立湿式离合器执行器的完整非线性动力学模型，并进行了设计基于MFAPC的湿式离合器压力控制器气缸压力。

目前的研究大多集中在湿式的设计上离合器液压控制系统实现对离合器活塞油压的精确控制，但是，对充油过程的研究很少，对从改进离合器的角度看，湿式离合器的充油控制策略参与质量。

1.本文主要研究以下四点：

（1）基于AMESim和Simulink软件；

（2）用PID控制器验证了湿式离合器活塞压力的可控性以及反步控制器；

（3）影响喷油器充油控制过程的五个因素，提取了湿式离合器，并建立了离合器啮合质量之间的数学模型通过RSM检验建立评价指标和控制因素；

（4）最佳润滑油通过逐步回归分析得到了灌装控制策略。本文的研究提供了一种提高农业机械平稳性的可靠方法湿式离合器的控制。

2.材料和方法

随着油压的升高，湿式离合器将处于三种状态：

湿式离合器滑动时，离合器的动力学方程为：

在公式中，Te是湿式离合器的输入扭矩；Tfc是湿式离合器；Tf是离合器从动轴的阻力扭矩；Je是旋转离合器输入轴的惯性；Jc是离合器从动轴的转动惯量；ωe是离合器输入轴的转速；ωc是离合器的转速从动轴。

湿式离合器变速器扭矩的计算公式为：

式中，μ为滑动摩擦系数，其值与旋转速度差；z是摩擦片的数量；R1是摩擦力的外径板块；R2是摩擦片的内径；R3是活塞的外径；R4是活塞的内径，Ap是活塞的有效力面积，kp是回位弹簧的刚度，xp是活塞的位移，x0是初始值回位弹簧压缩。

当湿式离合器完全接合时，输入端和输出端的速度相等，动力学方程为：

当湿式离合器完全分离时（假设摩擦力可以在这种状态下被忽略），则动力学方程为：

3.湿式离合器液压控制平台的建立

湿式离合器的液压控制系统由三部分组成：动力源、油压调节器和离合器液压室。图中为结构压力比例电磁阀和离合器液压室的示意图。它的主要部件有比如电磁阀、滑阀、阀体、回位弹簧，通道、放油孔、进油口和出油口。

滑阀将阀体分开进入四个液压室。腔室1和4是减压腔通过通道1和2与压力调节室2连接。3号室是与恒压源相连的压力供应室。当电磁阀阀线圈未通电，由于回流，滑阀处于最左侧位置春天进油口关闭，油室2与排油孔相连。

机油出口压力为0MPa，湿式离合器未组合。当电磁阀线圈通电，滑阀压缩回位弹簧并向右移动进油口逐渐打开。机油通过出油口流入腔室2，出油口使腔室2的压力和电磁阀的输出压力增加逐步地因此，湿式离合器活塞室内的油压增加，并且促进湿式离合器的接合。作为电磁阀的输出压力腔室1和腔室4中的压力也逐渐增加。

由于到两个减压腔的不同区域，作用在压力上的力反馈腔也是不同的。最后，电磁力，回位弹簧力和两侧压力反馈室的力是平衡的电磁阀输出压力稳定。

4.简化系统建模

对于具有强非线性特性的压力比例电磁阀，在为了简化系统建模，本文做了三个简化：忽略气门运动过程中漏油的影响；腔室1的压力和腔室4大致等于输出压力比例电磁阀；和忽略腔室1和c的容积腔室4和液压油的流动。

压力比例电磁阀滑阀的运动学方程如所示公式：

其中Fi是由通电的电磁阀线圈引起的电磁力（N），i是流经电磁阀线圈的励磁电流（N/A），Fs是作用在腔室1和腔室4上的合力（N），ki是电磁力和电磁阀线圈的电流（N/A），P0为输出电磁阀的压力（pa），Al和Ar是电磁阀的受力面积，左侧和右侧（m2），ms是滑阀的质量（kg），xs是阀芯（m），c0是阀芯的阻尼系数（Ns/m），ks是回位弹簧的刚度（N/m）。

压力比例电磁阀的流量平衡方程为：

其中Qin为电磁阀进油口流量（L/min），Qout为电磁阀放油孔的流量（L/min），Q0是从电磁阀进入湿式离合器的活塞室（L/min），Vt是电磁阀室（m3），βe是油的体积模量（表示油抵抗压缩），Cq是电磁阀的流量系数，d是阀芯（m），ρ是液压油的密度（kg/m3），ps是电磁阀的稳定供应源（pa），pout是油箱的油压与放油孔（pa）相连，xu是电磁阀放油孔的长度（m），P0是电磁阀的输出压力（pa）。压力比例电磁阀的数学模型，从式（5）和式（6）中的一个如式（7）所示：

当一定量的液压油流入离合器活塞室时，活塞室内的体积流量和动态油压可以表示为：

Ap是活塞的有效力面积，xp是活塞的位移，βe是油的体积模量（表示油抵抗压缩的能力），P0是电磁阀的输出压力（pa），V0是离合器活塞的初始容积腔室（m3）。

此外，离合器接合期间活塞的动态模型为：

在公式中，Fcl是活塞在接触压力下的反作用力，Cp是活塞的阻尼系数，mp是活塞的质量。

根据公式湿式离合器是基于AMESim软件，如图所示。

5.基于Backstepping算法的湿式离合器充油控制器的设计

基于压力比例电磁阀的数学模型本文采用backstepping算法，来设计遵循湿式离合器的控制器。反推的原则是拆分研究系统，分为多个具有较低阶数的子系统，并为每个子系统设计虚拟控制器，从控制变量所在的子系统到输入子系统的末端，使得子系统在李雅普诺夫意义上是稳定的。获得的系统控制输入是通过反推和递归获得的。

通过将公式划分为三个子系统并通过选择三个状态变量，（x1，x2，x3），设状态变量x＝[x1，x2，x3]=[p0，xs，

s]，其中x3是滑阀。系统控制输入为u，湿式离合器的状态方程液压控制系统如下：

反步控制器的设计分为三个步骤。第一，实现油压跟随控制，即使电磁阀的输出压力p0，按照理想的控制曲线，然后x1→x1d，x1d是x1的例外值。Leterror1e=x1d−x1。此时，控制目标被转换为e→0。当使用李雅普诺夫函数ve=1/2e2，那么：

根据李雅普诺夫稳定性理论，当x2取虚数时，系统是稳定的控制值,e→0。制作x2→x2d，设error2为δ=x2d−x2，并取Lyapunov函数为v（e，δ）=1/2e2+1/2δ2。因此：

根据李雅普诺夫稳定性理论，当x3取虚拟控制值,（那么δ→0）。制作x3→x3d,设error3为θ=x3d−x3，并将李雅普诺夫函数取为v（e，δ，θ）=1/2e12+1/2δ2+1/2θ2。因此：

根据李雅普诺夫稳定性理论，当系统控制输入满足公式（12）：（e，δ，θ）=−k1e2−k2δ2−k3θ2和k1>0，k2>0，k3>0（那么δ→0）。公式是系统控制输入的控制规律。

利用Matlab/Simulink和AMESim的联合仿真验证了控制效果式的系统输入控制定律对活塞油压的影响。中的控制器是由公式得到的油压控制器。

◆ ◇ 结语◇ ◆

利用湿式离合器的动态模型建立了离合器油压控制器，离合器接合过程以及离合器输出油压的可控性，对液压执行机构进行了验证。反步油压控制效果比较控制器和PID油压控制器，控制过程中产生的超调前者的体积较小。

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