一种插秧机转向系统及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种插秧机转向系统，包括液压系统、转向控制系统；液压系统包括动力元件、执行元件、控制元件；动力源为发动机，液压系统动力元件为液压泵；执行元件为4个分别安装在四个车轮内侧的单作用液压缸，能够分别控制四个车轮的转角；控制元件包括三位四通电磁比例换向阀，三位四通电磁比例换向阀通过控制其比例电磁铁电流的大小无极地调节换向阀的开度；转向控制系统主要包括中央控制器和角度传感器，中央控制器根据所选择的转向模式，调整车轮角度和液压系统油液的流动方向，根据不同的转向模式计算各个车轮转向角之间的关系，角度传感器分别安装在各个车轮内侧，在转向过程中，角度传感器测量各个车轮的转向角度，并反馈给中央控制器以不断消除转向角度偏差。
【专利说明】
一种插秧机转向系统及其控制方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种插秧机转向系统及其控制方法，属于插秧机转向控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国已经成为世界上最大的农业装备生产和使用大国，但农机产品"大而 不强"的局面普遍存在，随着国家"十三五"的实施，液压技术逐渐被引用到农业机械装备领 域，农业机械也逐渐向着自动化、智能化高速发展。同时，水稻是我国最重要的粮食之一， 2015年，中国水稻种植面积约为3000万公顷，占中国粮食作物总面积的30%，占世界水稻种 植面积的20%，确保水稻增产增收对维持粮食供给、保证国家粮食安全具有重要意义。
[0003] 插秧机长期在田块较小、道路狭窄、泥脚深度大的水田中工作，需要保证其正常行 驶和转向掉头，这使得对其转向系统的设计极为严苛。现有量产的高速插秧机多为液压助 力转向系统，存在以下缺点：
[0004] (1)我国的水田地块大多较为狭小，现有的转向系统为前轮转向，转向角度小，转 弯半径大，不易在狭窄的空间内实现转向、掉头；
[0005] (2)现有转向方式固定单一，仅能依靠前轮转向，无法根据水田形状、插秧机行驶 位置的需求调整转向方式；
[0006] (3)现有插秧机为液压助力转向，而水田泥脚深度大，转向阻力大，操作方向盘较 为吃力，长期驾驶易造成机手疲劳；
[0007] (4)现有转向系统不利于实现自动化、智能化控制。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是针对水田道路迂回，狭窄，插秧机转弯不方便，转弯时容易碾压插 秧完成的水田等问题，提供一种结构简单紧凑、转向轻盈合理、转向方式可变、转弯半径小、 易于实现自动化智能化、能够满足高速插秧机在水田和路面正常作业行驶的新型液压转向 机构及其控制方法。
[0009] 本发明采取以下技术方案：
[0010] -种插秧机转向系统，包括液压系统、转向控制系统；所述液压系统包括动力元 件、执行元件、控制元件;所述动力源为发动机1，动力元件为液压栗2;所述执行元件为4个 分别安装在四个车轮内侧的单作用液压缸8，能够分别控制四个车轮的转角;所述控制元件 包括三位四通电磁比例换向阀7,所述三位四通电磁比例换向阀7通过控制其比例电磁铁电 流的大小无极地调节换向阀的开度;所述转向控制系统主要包括中央控制器和角度传感 器，所述的中央控制器根据所选择的转向模式，调整车轮角度和液压系统油液的流动方向， 同时，根据不同的转向模式计算各个车轮转向角之间的关系，所述的角度传感器分别安装 在各个车轮内侧，在转向过程中，角度传感器测量各个车轮的转向角度，并反馈给中央控制 器以不断消除转向角度偏差。
[0011] 进一步的，所述控制元件还包括安全阀6、单向阀5,所述单向阀5设于液压栗2之间 连通的油路上，所述安全阀6与四个三位四通电磁比例换向阀7并联设置;所述的单向阀5为 无簧单向阀，其额定流量不小于液压栗的最大流量，单向阀5具有防止液压缸内油液回流的 作用;所述安全阀6为溢流阀，当液压系统的压力超过安全阀6设定压力时，安全阀6开启溢 流，防止液压元器件因为高压而损坏。
[0012]进一步的，三位四通电磁比例换向阀7的三个位置分别控制液压缸的油路方向，中 位采用O型机能，具有切断油路和锁止作用。
[0013] 进一步的，所述液压系统还包括辅助元件，所述辅助元件包括滤油器3、油箱4，所 述滤油器3安装在液压栗的进油口处，其可以防止污物颗粒进入液压栗和其它液压元件中； 所述油箱4为开式油箱，油箱内部的吸油区与回油区用隔板分开，以增大油液循环的路程、 减缓油液循环的速度，隔板的高度不低于油面纸箱底高度的三分之二。
[0014] -种上述的插秧机转向系统的控制方法，转向模式分为三种:两轮转向、四轮转向 和原地转向；所述两轮转向为前轮转向，选择两轮转向模式后，液压缸和角度传感器配合工 作，使得两后轮转角归零且维持，转向内侧的前轮为基准轮，在转向过程中，基准轮的转角 由方向盘控制并由角度传感器实时采集，中央控制器根据程序计算出另外一个转向轮的对 应转向角度，并通过单作用液压缸8推动其达到所计算的转向角以完成两轮转向控制;所述 的四轮转向为全轮转向，选择四轮转向模式后，转向内侧的两个车轮为基准轮，方向盘同步 控制两个基准轮的转角，同时，两个角度传感器实时采集基准轮转角，中央控制器通过控制 程序同步实时的调节两个非基准轮的转角，以完成四轮转向；所述的原地转向为四轮转向 的一种特殊状态，选择原地转向模式后，中央控制器分别控制四个液压缸，以使得四个轮子 均转过确定的角度，实现对原地转向的控制。
[0015] 本发明的有益效果在于：
[0016] 1)针对水田内的插秧机，进行了转向优化设计，对于狭小的水田地块轻易的实现 小角度转向、掉头，灵活性大大提升;使得转向轮具有更大的转向角，有效减小转弯半径，易 于插秧机在狭小的田块中掉头转向。
[0017] 2)便于根据水田形状、插秧机行驶位置的需求调整转向方式；
[0018] 3)实现了水田插秧机自动化、智能化的控制；
[0019] 4)转向方式可变，提供两轮转向、四轮转向和原地转向三种转向模式，可以根据具 体的转向需求来选择。
[0020] 5)采用液压转向的机构方向盘轻便易操作，减小机手操作强度。
[0021] 6)本发明设计的液压转向系统自动化、智能化程度高。
[0022 ] 7)转向系统设计优化，减小车轮磨损，转向性能好。
【附图说明】
[0023]图1是本发明转向系统液压原理图。
[0024]图2是前轮转向示意图。
[0025]图3是四轮转向示意图。
[0026]图4是原地转向示意图。
[0027]图5是转向系统控制图。
[0028]图6是前轮转向系统控制图。
[0029]图7是四轮转向系统控制图。
[0030]图8是后轮转向系统控制图。
[0031]图中，1-发动机2-齿轮栗3-滤油器4-油箱5-单向阀6-安全阀7-三位四通电 液比例换向阀8-单作用液压缸。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
[0033] 参见图1-图8:
[0034]图1所示为本发明转向系统液压原理图。
[0035]发动机1是整个系统的动力源，其经过连接装置将动力传递给液压栗2,所述的发 动机为现有高速插秧机的柴油发动机，所述的液压栗为齿轮栗，齿轮栗的出油口连接单向 阀5，所述的单向阀的作用是防止液压缸的油液倒流，单向阀5的出油一端并联四个单作用 液压缸8和安全阀6,并在每一个液压缸前安装有方向控制元器件三位四通电液换向阀7,所 述的三位四通电液换向阀为比例阀，其作用是改变液压油的方向，并可以根据电流大小无 极地调节系统流量，换向阀中位采用0型机能，具有切断油路和锁止作用，所述的安全阀6作 用是防止系统压力过高而损坏液压元器件，所述的液压栗2进油口连接有滤油器3,所述的 滤油器3过滤精度为精滤，所述的滤油器3的进油端为液压油箱4。
[0036]图2所示为本发明前轮转向示意图。
[0037] 图中，L为高速插秧机轴距1050mm，F为高速插秧机轴距1220mm，0为转向中心，基准 轮转向角为β，非基准轮转向角为α，α和β的关系应该满足：
[0038]
[0039 ]图3所示为本发明四轮转向示意图。
[0040] 图中，L为高速插秧机轴距1050mm，F为高速插秧机轴距1220mm，0为转向中心，前后 基准轮转向角为β，前后非基准轮转向角为α，α和邱勺关系应该满足：
[0041]
[0042] 图4所示为本发明原地转向示意图。
[0043] 图中，L为高速插秧机轴距1050mm，F为高速插秧机轴距1220mm，0为转向中心，图中 ZB、ZC应满足关系：
[0044]
[0045] 图5所示为本发明转向系统控制图。
[0046] 插秧机具有三种转向模式:前轮转向、四轮转向和原地转向。在选择某一种转向模 式之后，中央控制器控制液压系统，使得固定的液压缸动作，以调整车轮角度，同时，根据三 种转向模式对应的阿克曼转向原理所编写的程序精准计算各个车轮转向角之间的关系，并 由计算所得数据控制车轮转角，避免轮胎因滑移或滑转而产生磨损，四个车轮处均安装角 度传感器，在转向过程中，测量各个车轮的转向角度，并反馈给中央控制器以不断消除转向 角度偏差。
[0047] 图6所示为本发明前轮转向系统控制图。
[0048] 在选择前轮转向模式后，中央控制器发出指令，液压系统使得后轮转角归零，两后 轮在转向过程中不再转动，若插秧机左转，则左前轮为基准轮，若插秧机右转，则右前轮为 基准轮，方向盘控制基准车轮的转向角，在转向过程中，基准轮的转角由方向盘控制并由角 度传感器实时采集，采集的转向角发送给中央控制器，中央控制器根据两轮转向所编写的 程序(图2公式所对应的关系)计算出另外一个转向轮的转向角度，通过D/A转换器、放大器、 电液比例换向阀控制转向液压缸，已达到控制非基准轮转向角度的目的，同时，非基准轮的 角度传感器测量数据反馈给中央控制器，以精确调整车轮转向角度。
[0049]图7所示为本发明四轮转向系统控制图。
[0050]选择四轮转向模式后，若插秧机左转，左前轮和左后轮为基准角，若插秧机右转， 右前轮和右后轮为基准角，通过转动方向盘和液压缸的共同作用可以控制两个基准轮的转 角且两基准轮转角完全相同，同时，角度传感器实时采集基准轮转角并反馈给中央控制器， 中央控制器通过依据四轮转向所编写的控制程序，通过D/A转换器、放大器、电液比例换向 阀控制转向液压缸以实时的调节两个非基准轮的转角，以完成四轮转向，同时，非基准轮的 角度传感器测量数据反馈给中央控制器，以精确调整车轮转向角度。
[0051 ]图8所示为本发明原地转向系统控制图。
[0052]选择原地转向模式后，中央控制器依次通过D/A转换器、放大器、电液比例换向阀 分别控制四个液压缸，四个轮子均按照程序设定转过一定的角度（由图4所示，ZB=ZC = 40.7171° )，确保四个轮完成原地转向。
[0053]本发明针对水田内的插秧机，进行了转向优化设计，对于狭小的水田地块轻易的 实现小角度转向、掉头，灵活性大大提升;使得转向轮具有更大的转向角，有效减小转弯半 径，易于插秧机在狭小的田块中掉头转向；便于根据水田形状、插秧机行驶位置的需求调整 转向方式;实现了水田插秧机自动化、智能化的控制;转向方式可变，提供两轮转向、四轮转 向和原地转向三种转向模式，可以根据具体的转向需求来选择;采用液压转向的机构方向 盘轻便易操作，减小机手操作强度;本发明设计的液压转向系统自动化、智能化程度高;转 向系统设计优化，减小车轮磨损，转向性能好。
【主权项】
1. 一种插秧机转向系统，其特征在于： 包括液压系统、转向控制系统； 所述液压系统包括动力源、动力元件、执行元件、控制元件;所述动力源为发动机（1)， 液压系统的动力元件为液压栗(2);所述执行元件为4个分别安装在四个车轮内侧的单作用 液压缸(8)，能够分别控制四个车轮的转角；所述控制元件包括三位四通电磁比例换向阀 (7)，所述三位四通电磁比例换向阀（7)通过控制其比例电磁铁电流的大小无极地调节换向 阀的开度； 所述转向控制系统主要包括中央控制器和角度传感器，所述的中央控制器根据所选择 的转向模式，调整车轮角度和液压系统油液的流动方向，同时，根据不同的转向模式计算各 个车轮转向角之间的关系，所述的角度传感器分别安装在各个车轮内侧，在转向过程中，角 度传感器测量各个车轮的转向角度，并反馈给中央控制器以不断消除转向角度偏差。2. 如权利要求1所述的插秧机转向系统，其特征在于:所述控制元件还包括安全阀（6)、 单向阀（5)，所述单向阀（5)设于液压栗（2)之间连通的油路上，所述安全阀（6)与四个三位 四通电磁比例换向阀（7)并联设置;所述的单向阀（5)为无簧单向阀，其额定流量不小于液 压栗的最大流量，单向阀（5)具有防止液压缸内油液回流的作用;所述安全阀(6)为溢流阀， 当液压系统的压力超过安全阀（6)设定压力时，安全阀（6)开启溢流，防止液压元器件因为 高压而损坏。3. 如权利要求1所述的插秧机转向系统，其特征在于:三位四通电磁比例换向阀（7)的 三个位置分别控制液压缸的油路方向，中位采用〇型机能，具有切断油路和锁止作用。4. 如权利要求1所述的插秧机转向系统，其特征在于:所述液压系统还包括辅助元件， 所述辅助元件包括滤油器(3)、油箱(4)，所述滤油器(3)安装在液压栗的进油口处，其可以 防止污物颗粒进入液压栗和其它液压元件中；所述油箱(4)为开式油箱，油箱内部的吸油区 与回油区用隔板分开，以增大油液循环的路程、减缓油液循环的速度，隔板的高度不低于油 面纸箱底高度的三分之二。5. -种权利要求1所述的插秧机转向系统的控制方法，其特征在于： 转向模式分为三种:两轮转向、四轮转向和原地转向； 所述两轮转向为前轮转向，选择两轮转向模式后，液压缸和角度传感器配合工作，使得 两后轮转角归零且维持，转向内侧的前轮为基准轮，在转向过程中，基准轮的转角由方向盘 控制并由角度传感器实时采集，中央控制器根据程序计算出另外一个转向轮的对应转向角 度，并通过单作用液压缸(8)推动其达到所计算的转向角以完成两轮转向控制； 所述的四轮转向为全轮转向，选择四轮转向模式后，转向内侧的两个车轮为基准轮，方 向盘同步控制两个基准轮的转角，同时，两个角度传感器实时采集基准轮转角，中央控制器 通过控制程序同步实时的调节两个非基准轮的转角，以完成四轮转向； 所述的原地转向为四轮转向的一种特殊状态，选择原地转向模式后，中央控制器分别 控制四个液压缸，以使得四个轮子均转过确定的角度，实现对原地转向的控制。
【文档编号】B62D5/06GK106043418SQ201610407075
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】扈凯, 张文毅, 余山山, 袁文胜, 祁兵, 纪要
【申请人】农业部南京农业机械化研究所