多型拖拉機(jī)輸出動力執(zhí)行機(jī)械檢調(diào)適配動力裝置

摘要：介紹了國內(nèi)外貿(mào)生產(chǎn)企業(yè)在對PTO動力執(zhí)行機(jī)器（械）進(jìn)行生產(chǎn)檢測調(diào)試時常采用的幾種動力輸出方式，從操作煩易度、運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)成本及環(huán)境影響等方面，對幾種動力輸出方式進(jìn)行了分析，并推薦了一款極簡適配輸入動力裝置，為相關(guān)PTO動力執(zhí)行機(jī)械生產(chǎn)制造企業(yè)在機(jī)器（械）檢調(diào)時提供了極大的便利。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)動力輸出裝置;標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速及功率;增速箱傳動比;適配輸入

0 引言

本文介紹的PTO（POWER-TAKE-OFF）動力裝置是農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)向農(nóng)機(jī)具或其他機(jī)械傳遞動力的后置動力輸出軸。根據(jù)《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī) 后置動力輸出軸 1、2、3和4型 第3部分：動力輸出軸尺寸和花鍵尺寸、動力輸出軸位置》（GB/T 1592.3—2016）的要求，拖拉機(jī)動力輸出軸分為3個型式，每個型式有與其相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速及標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的輸出功率。其操縱方式包括手動、氣動、電動和液動，可由駕駛員在駕駛室內(nèi)進(jìn)行操作。

目前國內(nèi)外貿(mào)生產(chǎn)企業(yè)出口到歐美等地區(qū)的戶外園林機(jī)械中，使用PTO動力裝置的機(jī)械有：PTO圓木鋸、PTO劈材機(jī)、PTO斷木機(jī)、PTO碎枝機(jī)等。PTO動力執(zhí)行機(jī)器（械）如圖1所示。

上述機(jī)器（械）的輸入軸-花鍵軸的尺寸、三點懸掛連接部件尺寸及位置也要符合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)要求。但是這些機(jī)器（械）由于使用目的及工作介質(zhì)不同，在銷售出廠時，都設(shè)定了相應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速及輸入功率。這些參數(shù)指標(biāo)的設(shè)定對PTO動力輸入提出了一定的適配要求：除了輸入部件的規(guī)格、尺寸相吻合外，機(jī)器（械）的輸出轉(zhuǎn)速及功率最好也要相匹配，否則對機(jī)器的使用壽命、穩(wěn)定性、安全可靠性等都會造成不利影響。

目前，國內(nèi)外貿(mào)生產(chǎn)企業(yè)在對PTO動力執(zhí)行機(jī)器（械）進(jìn)行生產(chǎn)檢測調(diào)試時，常采用以下幾種動力輸出方式，下面將對這幾種方式進(jìn)行簡述。

1 常規(guī)的直接使用農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)PTO動力輸出軸+萬向聯(lián)軸器方式

拖拉機(jī)的輸出動力成為PTO動力執(zhí)行機(jī)器（械）的輸入動力。生產(chǎn)企業(yè)在對機(jī)器（械）進(jìn)行檢測調(diào)試前，需要根據(jù)機(jī)器（械）設(shè)定的額定轉(zhuǎn)速、功率及輸入軸的相關(guān)尺寸，選擇相匹配的農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)、萬向聯(lián)軸器。

假設(shè)某生產(chǎn)企業(yè)制造的機(jī)器的設(shè)定參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min、額定功率6.0 kW、輸入軸為？準(zhǔn)35 mm的6齒矩形花鍵。輸入軸通過增速箱，將傳動扭矩傳遞給機(jī)器原執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般來說這類機(jī)器的增速箱的傳動比i=2.5～3.5。以某款PTO劈木機(jī)為例，其增速比為2.7，以此可計算得到輸入軸轉(zhuǎn)速：1 450/2.7≈537 r/min。

根據(jù)GB/T 1592.1—2008/ISO 500-1：2004標(biāo)準(zhǔn)要求，可選擇動力輸出軸標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為540 r/min、發(fā)動機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下動力輸出功率為≤60 kW、動力輸出軸為？準(zhǔn)35 mm的6齒矩形花鍵。

采用拖拉機(jī)動力輸入方式的優(yōu)點是動力有保證、傳動連接方便快捷。但它的缺點也很明顯：首先，經(jīng)濟(jì)成本高，1臺輪距≥1 150 mm、動力輸出功率≤60 kW的輪式農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)的價格至少在7萬元;當(dāng)然也可以購買小馬力（≤20馬力）的輪式后置拖拉機(jī)，但1臺也要近2萬元。其次，拖拉機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲對環(huán)境影響特別大，尤其是在制造工廠相對封閉的工作環(huán)境內(nèi)。再次，對于拖拉機(jī)動力輸出的操作必須要由專業(yè)或經(jīng)過訓(xùn)練的操作人員進(jìn)行，否則極易發(fā)生危險。

2 采用交流變頻調(diào)速電機(jī)+萬向聯(lián)軸器方式

要使調(diào)速電機(jī)的輸出速度與調(diào)試機(jī)器的額定速度相匹配，通過調(diào)整變頻器的輸出頻率，使變頻器控制的調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速能與調(diào)試機(jī)器的額定轉(zhuǎn)速相接近。變頻調(diào)速電機(jī)的調(diào)整范圍較寬，一般可以達(dá)到1：10左右，因而可以較快地達(dá)到調(diào)整效果，提高運(yùn)行效率。

仍以上述生產(chǎn)企業(yè)制造的機(jī)器為例，其額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min、額定功率6.0 kW。我們將變頻器頻率調(diào)整為28 Hz，旋轉(zhuǎn)磁場極數(shù)為6極，這樣就可得到調(diào)速電機(jī)輸出速度接近540 r/min。

交流異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速）n的計算公式如下：

需指出的是，由于采用PTO作為動力輸入的執(zhí)行機(jī)器（械），一般均用于重載場合且對轉(zhuǎn)矩要求比較高，因而我們可以將這些機(jī)器（械）視為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。根據(jù)變頻器的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，輸出功率也相應(yīng)降低，這就帶來了功率與執(zhí)行機(jī)器的額定功率不相匹配的問題。要解決這一問題，我們勢必要加大電機(jī)的輸出功率，提高了成本，制作難度大。

3 采用交流電動機(jī)+萬向聯(lián)軸器方式

交流電動機(jī)的速度與頻率、旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)有關(guān)系：n=60f/p，在電源工作頻率確定的情況下，轉(zhuǎn)速與磁極對數(shù)成反比。以工頻電源50 Hz為例，2極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為2 800 r/min左右、4極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為1 450 r/min左右、6極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為900 r/min左右、8極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為700 r/min左右。

仍以額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min、額定功率6.0 kW的機(jī)器（械）為例，輸入軸理想的輸入轉(zhuǎn)速為540 r/min，但是6極電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min、8極電機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min，均與540 r/min有很大差距。如果要縮短這差距，一方面可繼續(xù)加大極對數(shù)，但電機(jī)定子內(nèi)徑得加大，制造難度加大，成本也會提高;另一方面，不少企業(yè)會額外增加一對三角帶輪來實現(xiàn)減速的目的，雖然可達(dá)到適配速度的效果，但同樣也會帶來制造難度加大、成本提高的問題。

那么有沒有一種方法，使提供的動力輸出與PTO執(zhí)行機(jī)器（械）達(dá)到最佳的匹配效果呢？筆者通過相關(guān)試驗、改進(jìn)，找到了一種行之有效的方法，就是采用本文介紹的極簡適配輸入動力裝置。

4 采用“交流電機(jī)+原機(jī)器（械）逆?zhèn)鲃拥淖兯傧?萬向聯(lián)軸器”方式的極簡適配輸入動力

這種方式的動力傳遞路徑是：交流電機(jī)通過聯(lián)軸器將傳動傳遞給原機(jī)器“逆?zhèn)鲃印钡淖兯傧洌偻ㄟ^萬向聯(lián)軸節(jié)傳遞給執(zhí)行機(jī)器的變速箱輸入軸。

交流電機(jī)功率及速度的選定基于原機(jī)器的額定參數(shù)。

首先，設(shè)定交流電機(jī)的功率。設(shè)定機(jī)器額定輸入功率為W，那么交流電機(jī)的輸出功率W′應(yīng)按下式計算：

式中，η1為聯(lián)軸器的傳動效率;η2為逆?zhèn)鲃幼兯傧涞膫鲃有?η3為萬向聯(lián)軸節(jié)的傳動效率;η4為原機(jī)器變速箱的傳動效率。

在公式中，我們可以視η2≈η4，綜合η1×η2×η3×η4數(shù)值約為0.92～0.95，也就是說，我們在設(shè)定交流電機(jī)功率時，只要把功率損失補(bǔ)償算上即可。如機(jī)器額定輸入功率為6.0 kW，交流電機(jī)輸出功率W′只要按W′×（0.92～0.95）=6.0 kW計算即可，圓整取最大值W′≈6.5 kW。

然后，確定交流電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于此適配動力輸入裝置采用了原機(jī)器的“逆?zhèn)鲃印弊兯傧洌虼怂膫鲃颖萯1與機(jī)器正常變速箱傳動比i2正好互為倒數(shù)，i1×i2=1，也就是說，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與機(jī)器的額定轉(zhuǎn)速是一致的。如果機(jī)器的額定轉(zhuǎn)速是1 450 r/min，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速也是1 450 r/min。如果交流電機(jī)用工頻電源，電機(jī)直接選用6.5 kW、三相四極交流電機(jī)即可。

最后，新制作“逆?zhèn)鲃印弊兯傧洌ㄒ韵潞喎Q逆變速箱）。此逆變速箱的結(jié)構(gòu)、傳動件的尺寸與原機(jī)器一致，只不過原變速箱輸入軸變成逆變速箱輸出軸，原變速箱輸出軸變成逆變速箱輸入軸。逆變速箱結(jié)構(gòu)無論是兩軸平行的圓柱齒輪傳動，還是兩軸互相垂直的傘齒輪傳動，輸出軸直接采用原變速箱的輸入軸，而輸入軸則要加長，以便與交流電機(jī)的偶合聯(lián)軸器相配，但是該逆變速箱輸入軸上的齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸向位置等均不變。當(dāng)然，該逆變速箱輸入軸加長端的軸承端蓋的結(jié)構(gòu)要做改動，原無孔軸承端蓋要加工成中孔，并配以骨架油封，以防潤滑油漏出，具體結(jié)構(gòu)這里不再贅述。如果將這種新的動力輸入裝置共同集成于一個可移動的托盤或平臺上，用手推車或液壓叉車可以移動，生產(chǎn)企業(yè)在調(diào)試大型的PTO執(zhí)行機(jī)器（械）時，可把動力輸入裝置就近移到機(jī)器附近，極大地方便了工人的操作。

綜上，這種“交流電機(jī)+逆變速箱+萬向聯(lián)軸器”的動力輸入方式，使功率、轉(zhuǎn)速及效能的匹配達(dá)到了最佳效果，既簡化了配置，又方便了操作。

圖2是筆者制作的一臺“交流電機(jī)+逆變速箱+萬向聯(lián)軸器”動力輸入裝置。

5 結(jié)語

拖拉機(jī)后置動力執(zhí)行機(jī)器（械）在檢調(diào)時所采用的動力輸出方式，不同的生產(chǎn)制造企業(yè)各有差異，本文闡述的幾種方式各有優(yōu)勢和不足，相對而言，“交流異步電動機(jī)+逆變速箱+萬向聯(lián)軸器”的動力輸入方式，既簡化了配置，又方便了操作，使功率、轉(zhuǎn)速及效能的匹配能達(dá)到了最佳效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)后置動力輸出軸1、2和3型 第1部分：通用要求、安全要求、防護(hù)罩尺寸和空隙范圍：GB/T 1592.1—2008/ISO 500-1：2004[S].

[2] 孫建忠，劉鳳春.電機(jī)與拖動[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：周庚池（1967—），男，江蘇高郵人，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計、結(jié)構(gòu)、工藝。