拖拉機(jī)傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

袁苗達(dá)

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120)

0 引言

拖拉機(jī)作為一種常見(jiàn)且應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械動(dòng)力牽引機(jī)械，其牽引動(dòng)力及工作特性發(fā)揮得好壞將決定與之連接的農(nóng)業(yè)機(jī)械工作效率的高低。為提高我國(guó)農(nóng)用車(chē)輛與農(nóng)業(yè)發(fā)展的智能化、效率化的步伐，對(duì)其進(jìn)行整機(jī)性能研究必不可少，因而考察拖拉機(jī)的能量發(fā)揮與控制、工況適應(yīng)及變化、節(jié)能減排性等參數(shù)均有不同領(lǐng)域的收獲。經(jīng)調(diào)查可知，國(guó)外的拖拉機(jī)研究整體已經(jīng)處于中上等水平，而我國(guó)的大多數(shù)拖拉機(jī)目前仍處于較高能耗、傳動(dòng)效率不高的階段。為切實(shí)提升我國(guó)拖拉機(jī)的整體作業(yè)效率，就如何實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)傳動(dòng)裝置的功能結(jié)構(gòu)布局最優(yōu)化議題，筆者在相關(guān)學(xué)者研究理論與實(shí)踐的基礎(chǔ)上展開(kāi)分析。

1 拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)組成及傳動(dòng)系統(tǒng)原理

常用拖拉機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括動(dòng)力提供裝置、底盤(pán)、機(jī)械傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電氣設(shè)備線路與拖拉機(jī)機(jī)身等，拖拉機(jī)傳動(dòng)裝置外觀剖面圖如圖1所示。拖拉機(jī)的工作原理可簡(jiǎn)要概述為：利用動(dòng)力裝置帶動(dòng)變速傳送裝置，經(jīng)過(guò)系列補(bǔ)償與傳動(dòng)達(dá)到差速器，最終到動(dòng)力執(zhí)行部件，有效牽引動(dòng)力得以輸出。對(duì)拖拉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 拖拉機(jī)傳動(dòng)裝置外觀剖面圖

整機(jī)傳動(dòng)核心系統(tǒng)由離合器、主從動(dòng)軸、減速齒輪及同步器等組成，經(jīng)調(diào)速電機(jī)控制層層動(dòng)作，以優(yōu)化拖拉機(jī)傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)及功能為目標(biāo)，建立傳動(dòng)核心部件的理論傳遞模型，即

(1)

式中L—有效作業(yè)長(zhǎng)度(mm)；

λ—從動(dòng)輪與中心軸的夾角(°)；

R1—主動(dòng)輪節(jié)圓半徑(mm)；

R2—主動(dòng)輪節(jié)圓半徑(mm)；

A—傳動(dòng)裝置中心距(mm)；

αA—主動(dòng)輪包角(°)；

αB—主動(dòng)輪包角(°)。

2 關(guān)鍵部件優(yōu)化

2.1 硬件結(jié)構(gòu)裝置

各硬件組成與合理選型匹配，是此次優(yōu)化的核心。圖2給出擬選型與協(xié)調(diào)組件的拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。結(jié)合實(shí)地作業(yè)要求及周?chē)h(huán)境特點(diǎn)，依據(jù)混合動(dòng)力作為牽引綜合動(dòng)力原則， 選擇交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，鉛酸電池作為儲(chǔ)能供電裝置。同時(shí)，給出了不同擋位控制下的變速器傳動(dòng)比計(jì)算依據(jù)，即

(2)

式中neN—拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速(r/min)；

vjN—拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)第j擋位的理論速度(km/h)；

rq—傳動(dòng)裝置后輪動(dòng)力半徑(mm)。

2.2 軟件控制系統(tǒng)

根據(jù)拖拉機(jī)的作業(yè)需求，針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的智能環(huán)節(jié)進(jìn)行軟件優(yōu)化。在拖拉機(jī)駕駛操作位置安裝核心控制智能系統(tǒng)，針對(duì)拖拉機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)有效監(jiān)控與調(diào)整，確保各部件工作有序。圖3為簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)網(wǎng)。本文利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，對(duì)CPU、輸入輸出控制及通訊顯示等模塊同步選型設(shè)計(jì)，可視為傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一大亮點(diǎn)。

圖2 拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 拖拉機(jī)軟件控制系統(tǒng)網(wǎng)圖

拖拉機(jī)變速部件的增減檔位控制是關(guān)鍵部分，圖4為擬優(yōu)化的增減檔位控制流程簡(jiǎn)圖。工作時(shí)，對(duì)傳感器測(cè)試到的信號(hào)進(jìn)行判斷，同時(shí)對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM控制，進(jìn)而將CVT應(yīng)用于連續(xù)平穩(wěn)更換擋位，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)及時(shí)、控制精準(zhǔn)的性能要求。

圖4 拖拉機(jī)加減檔控制流程簡(jiǎn)圖

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化完成后進(jìn)行仿真試驗(yàn)，裝置如圖5所示。為保證傳動(dòng)裝置優(yōu)化效果與實(shí)地作業(yè)的接近度，特設(shè)定關(guān)鍵的試驗(yàn)前提條件：

1)拖拉機(jī)總質(zhì)量符合正常機(jī)體要求；

2)作業(yè)土壤環(huán)境及相關(guān)比阻參數(shù)設(shè)定條件一致；

3)拖拉機(jī)的連接耕地機(jī)具相同；

4)整機(jī)傳動(dòng)裝置試驗(yàn)性能達(dá)到要求的穩(wěn)定率等。

同時(shí)，需設(shè)定試驗(yàn)裝置的額定參數(shù)、電池供電能力、各類(lèi)傳感裝置的量程型號(hào)和靈敏度。

1.提供電源部件 2.電池機(jī)組 3.驅(qū)動(dòng)裝置 4.減速裝置 5.施加載荷杠桿 6.驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件 7.傳動(dòng)軸 8.轉(zhuǎn)矩采集及感應(yīng)部件 9.信息采集卡片 10.核心控制部件

3.2 測(cè)試指標(biāo)

1)牽引動(dòng)力性能。牽引動(dòng)力直接決定拖拉機(jī)整機(jī)作業(yè)效率，常用來(lái)評(píng)價(jià)牽引動(dòng)力性能優(yōu)劣的參數(shù)主要為牽引力、牽引效率、爬坡度及加速時(shí)間等。在力學(xué)平衡理論基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)的依據(jù)為傳動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動(dòng)力平衡模型。此試驗(yàn)裝置牽引效率表示為

ηT=ηHηδηf

(3)

ηδ=1-δ

(4)

ηf=FD/Fq

(5)

式中ηH—機(jī)械傳動(dòng)效率；

ηδ—機(jī)械滑轉(zhuǎn)效率；

δ—機(jī)械滑轉(zhuǎn)率；

ηf—機(jī)械滾動(dòng)效率；

FD—拖拉機(jī)所受牽引阻力；

Fq—拖拉機(jī)發(fā)揮綜合牽引力。

2)能耗環(huán)保指標(biāo)。為測(cè)試結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的傳動(dòng)裝置的經(jīng)濟(jì)燃油消耗與用電能耗，采用如下公式進(jìn)行衡算，推導(dǎo)合并后，綜合能量消耗表示為

(6)

式中GT—拖拉機(jī)小時(shí)燃油消耗量[g/(kW·h)]；

Nd—拖拉機(jī)小時(shí)耗電量(kW·h)；

H—柴油熱值(J/g)；

Qe—柴油密度(g/cm3)；

te—拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)間(h)。

3)安全性能。考慮拖拉機(jī)作業(yè)田地存在不平整情況，針對(duì)傳動(dòng)裝置優(yōu)化后的整機(jī)機(jī)身進(jìn)行安全性能確認(rèn)。綜合考慮各靜態(tài)、動(dòng)態(tài)影響因素，理論模型不做贅述，經(jīng)反復(fù)計(jì)算與驗(yàn)證，需保證整機(jī)作業(yè)過(guò)程中機(jī)身側(cè)傾角度大于36°，以避免側(cè)翻。

3.3 試驗(yàn)分析

深入了解拖拉機(jī)的作業(yè)衡量指標(biāo)表現(xiàn)情況，有針對(duì)性地改變各項(xiàng)控制參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)得出表2數(shù)據(jù)。從表2可看出：經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的傳動(dòng)裝置整體工作效率均得到一定提升，各擋位的傳動(dòng)比與理論計(jì)算結(jié)果誤差范圍控制在5%范圍內(nèi)，且較優(yōu)化前數(shù)據(jù)提升19%左右，表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行。

表2 拖拉機(jī)傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1)通過(guò)分析拖拉機(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)組成，對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化選型，最大限度實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊化與功能布置合理化。

2)根據(jù)設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)裝置的軟硬件同步控制與執(zhí)行，對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)主體部件(如蓄電池組、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速裝置、差速裝置等)設(shè)定適應(yīng)拖拉機(jī)實(shí)地作業(yè)的工作參數(shù)需求，進(jìn)而提升拖拉機(jī)傳動(dòng)的工作效率，降低拖拉機(jī)的耗能率。

3)對(duì)傳動(dòng)裝置進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，確定牽引性能、能耗環(huán)保指標(biāo)及安全性能達(dá)標(biāo)范圍，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：各擋位的傳動(dòng)比較優(yōu)化前數(shù)據(jù)提升19%左右，拖拉機(jī)整體工作效率均得到一定提升，各部件動(dòng)力傳遞性能匹配合理，為拖拉機(jī)其他或相似部件改進(jìn)提供了參考。