農業機械動力系統配置及應用淺析

顧文威 崔小冬 韓晨 李路遠

農業機械的動力系統主要由動力源和變速器組成。農業機械的動力一般由電動機、發動機等動力輸出機構提供，動力輸出機構在變速器的作用下輸出合適的作業扭矩和轉速［1］。

1 動力源

動力源主要是指將其他形式的能量轉化為機械能，從而帶動機械裝備進行規定動作的部件。在農業機械中，常見的動力源有電動機和發動機兩大類。

1.1 電動機

電動機是將電能轉化為機械能的機構，廣泛應用于各類中小型裝備。按使用電能類型的不同，電機可分為直流電機和交流電機。電動機易于實現自動化控制，因此常用于自動控制要求高的智能農機裝備，如遙控自走式植保機、無人植保飛機等。

1.1.1 直流電機

直流電機一般通過便攜式蓄電池提供電能。受蓄電池容量所限，直流電機所能提供的功率較小，一般應用于動力需求小、體積小且移動作業的裝備，如電動噴霧器、電動枝條修剪機等。

1.1.2 交流電機

應用交流電機的農機裝備需要接通三相電源，一般需要固定作業。根據電機額定功率大小，選配合適的變速器，可實現較大范圍的輸出扭矩。交流電機常應用于育秧播種流水線、稱重分揀流水線和農副產品加工機械等裝備。

1.2 發動機

發動機是各類燃油車輛、農業機械及工程機械中將介質燃燒產生的熱能轉化為機械能的機構，它能提供的動力范圍廣，動力輸出穩定，在各類農機裝備中應用十分廣泛。按照燃燒介質不同，發動機一般分為汽油型、柴油型等。

1.2.1 汽油型發動機

汽油型發動機具有轉速高、重量輕、噪聲小、易啟動、維修成本低等優點，但由于油價高，燃油消耗大，經濟性較差，一般應用于轎車、輕型貨車等舒適性要求較高的車輛或低功率的農機裝備。插秧機是應用汽油發動機的代表性農業機械。

1.2.2 柴油發動機

柴油發動機動力足，多用于重載機械。使用柴油發動機的代表性的農業機械有拖拉機和收割機等。柴油的特性是粘度大、不易蒸發、自燃溫度低。柴油發動機點火時，發動機氣缸中吸入的是純空氣，待活塞壓縮進程接近上止點時才由噴油器將柴油以霧狀噴入，由缸內的高溫引起柴油自燃，因此，柴油發動機屬于壓燃式發動機，易出現冬季低溫難啟動的情況。為了使靜止的發動機進入工作狀態，必須有外力轉動發動機曲軸使活塞開始上下運動，然后才能依次進入后續的工作循環并點火啟動。最早的小型拖拉機是通過人力轉動搖桿啟動發動機，目前幾乎所有的汽車、工程機械、農業機械的發動機都配置了電起動系統，即通過蓄電池給啟動電機通電，從而帶動發動機啟動。

2 變速器

變速器是將發動機的輸出轉速變為工作所需要的轉速的一種裝置，分為有級變速和無級變速兩類。

2.1 有級變速器

農業機械最常用的是有級齒輪式變速器。有級齒輪式變速器通過多對大小不同的齒輪變換嚙合改變傳動比，從而實現變速。變換一對嚙合齒輪的過程稱為換擋。為了形成復雜的多擋變速系統，還可以采用主、副兩個變速器串聯的方式，例如：一臺拖拉機的主變速器有4 個擋位，副變速器有4 個擋位，則可以實現16 擋變速。齒輪變速器按照操縱換擋的類型可分為機械換擋變速器和動力換擋變速器。

2.1.1 機械換擋變速器

通過機械傳動將齒比不同的齒輪組變換嚙合可以改變轉速［2］。轉速比與齒數比成反比。當動力由大齒輪軸傳遞到小齒輪軸時，小齒輪軸的轉速變快,輸出轉矩減少；反之，則齒輪軸轉速變慢，輸出轉矩增大。機械換擋變速前需踩下離合器，斷開變速箱的動力輸入。

2.1.2 動力換擋變速器

動力換擋是一種換擋時發動機的動力無需斷開的技術［3］。動力換擋分兩種：半動力換擋和全動力換擋。

1）半動力換擋變速器。半動力換擋變速器一般由主、副兩個變速器組合而成。主變速箱為常規的機械換擋變速箱，副變速箱可通過電磁閥控制液壓油的通斷，進而控制濕式換擋離合片的分離與結合，從而實現不切斷動力換擋。即：副變速箱實現了區域自動換擋，但主變速箱擋位之間的切換仍需配合腳踩離合器踏板。目前市場上國產機型多采用兩擋動力換擋變速箱和機械換擋變速箱串聯組成的半動力換擋。

2）全動力換擋變速箱。全動力換擋變速箱大多采用行星齒輪傳動結構，在全轉速范圍內都可以實現不停車、不踩離合的動力換擋，駕駛者僅需操縱換擋按鈕即可實現降擋增扭或提擋增速。采用全動力換擋的機械可以帶著負載一邊作業，一邊以極高的效率切換擋位，地頭轉彎換向也十分方便，具有很好的燃油經濟性和駕駛舒適性。

全動力換擋需要借助液壓系統和電控系統來實現，因此研發難度很大，生產成本也很高，目前在約翰迪爾、凱斯、紐荷蘭等世界一流品牌的大型農機裝備上應用較多。

2.2 無級變速器

農業機械與普通汽車的工況完全不同，汽車的無級變速常采用CVT 無級變速器，而農業機械工況惡劣，應用最多的是HST 靜液壓無級變速器或HST+機械變速的組合變速器。

2.2.1 HST 靜液壓無級變速器

HST 靜液壓無級變速器由變量泵和液壓馬達組成，工作時通過改變泵的排量調節系統中液壓油的流量，實現液壓馬達的輸出轉速的無級調速。

2.2.2 HST 變速器

HST 變速器結構簡單緊湊，小型輕量，驅動靈活，但傳動效率與齒輪傳動相比較低，重載或爬行工況下的動力損失大且發熱較明顯，一般應用于中低功率、靈活性要求高的農機裝備（如乘坐式插秧機、蔬菜移栽機等），或者應用于底盤結構較復雜、需要節約底盤空間的農機裝備（如履帶式拖拉機和收割機等）。