拖拉機傳動裝置的結構優化研究

袁苗達

(重慶工業職業技術學院，重慶 401120)

0 引言

拖拉機作為一種常見且應用最為廣泛的機械動力牽引機械，其牽引動力及工作特性發揮得好壞將決定與之連接的農業機械工作效率的高低。為提高我國農用車輛與農業發展的智能化、效率化的步伐，對其進行整機性能研究必不可少，因而考察拖拉機的能量發揮與控制、工況適應及變化、節能減排性等參數均有不同領域的收獲。經調查可知，國外的拖拉機研究整體已經處于中上等水平，而我國的大多數拖拉機目前仍處于較高能耗、傳動效率不高的階段。為切實提升我國拖拉機的整體作業效率，就如何實現拖拉機傳動裝置的功能結構布局最優化議題，筆者在相關學者研究理論與實踐的基礎上展開分析。

1 拖拉機結構組成及傳動系統原理

常用拖拉機的基本結構包括動力提供裝置、底盤、機械傳動裝置、轉向機構、電氣設備線路與拖拉機機身等，拖拉機傳動裝置外觀剖面圖如圖1所示。拖拉機的工作原理可簡要概述為：利用動力裝置帶動變速傳送裝置，經過系列補償與傳動達到差速器，最終到動力執行部件，有效牽引動力得以輸出。對拖拉機主要技術參數進行優化，相關數據如表1所示。

圖1 拖拉機傳動裝置外觀剖面圖

整機傳動核心系統由離合器、主從動軸、減速齒輪及同步器等組成，經調速電機控制層層動作，以優化拖拉機傳動裝置結構及功能為目標，建立傳動核心部件的理論傳遞模型，即

(1)

式中L—有效作業長度(mm)；

λ—從動輪與中心軸的夾角(°)；

R1—主動輪節圓半徑(mm)；

R2—主動輪節圓半徑(mm)；

A—傳動裝置中心距(mm)；

αA—主動輪包角(°)；

αB—主動輪包角(°)。

2 關鍵部件優化

2.1 硬件結構裝置

各硬件組成與合理選型匹配，是此次優化的核心。圖2給出擬選型與協調組件的拖拉機動力系統設計結構簡圖。結合實地作業要求及周圍環境特點，依據混合動力作為牽引綜合動力原則， 選擇交流感應電動機提供動力，鉛酸電池作為儲能供電裝置。同時，給出了不同擋位控制下的變速器傳動比計算依據，即

(2)

式中neN—拖拉機發動機額定轉速(r/min)；

vjN—拖拉機傳動系統第j擋位的理論速度(km/h)；

rq—傳動裝置后輪動力半徑(mm)。

2.2 軟件控制系統

根據拖拉機的作業需求，針對傳動系統的智能環節進行軟件優化。在拖拉機駕駛操作位置安裝核心控制智能系統，針對拖拉機的傳動系統有效監控與調整，確保各部件工作有序。圖3為簡易控制系統網。本文利用計算機控制技術，對CPU、輸入輸出控制及通訊顯示等模塊同步選型設計，可視為傳動裝置結構優化的一大亮點。

圖2 拖拉機動力系統設計結構簡圖

圖3 拖拉機軟件控制系統網圖

拖拉機變速部件的增減檔位控制是關鍵部分，圖4為擬優化的增減檔位控制流程簡圖。工作時，對傳感器測試到的信號進行判斷，同時對電機實現PWM控制，進而將CVT應用于連續平穩更換擋位，實現傳動及時、控制精準的性能要求。

圖4 拖拉機加減檔控制流程簡圖

3 性能試驗

3.1 試驗條件

各項結構參數優化完成后進行仿真試驗，裝置如圖5所示。為保證傳動裝置優化效果與實地作業的接近度，特設定關鍵的試驗前提條件：

1)拖拉機總質量符合正常機體要求；

2)作業土壤環境及相關比阻參數設定條件一致；

3)拖拉機的連接耕地機具相同；

4)整機傳動裝置試驗性能達到要求的穩定率等。

同時，需設定試驗裝置的額定參數、電池供電能力、各類傳感裝置的量程型號和靈敏度。

1.提供電源部件 2.電池機組 3.驅動裝置 4.減速裝置 5.施加載荷杠桿 6.驅動執行部件 7.傳動軸 8.轉矩采集及感應部件 9.信息采集卡片 10.核心控制部件

3.2 測試指標

1)牽引動力性能。牽引動力直接決定拖拉機整機作業效率，常用來評價牽引動力性能優劣的參數主要為牽引力、牽引效率、爬坡度及加速時間等。在力學平衡理論基礎上，評價的依據為傳動裝置整體結構優化的動力平衡模型。此試驗裝置牽引效率表示為

ηT=ηHηδηf

(3)

ηδ=1-δ

(4)

ηf=FD/Fq

(5)

式中ηH—機械傳動效率；

ηδ—機械滑轉效率；

δ—機械滑轉率；

ηf—機械滾動效率；

FD—拖拉機所受牽引阻力；

Fq—拖拉機發揮綜合牽引力。

2)能耗環保指標。為測試結構優化后的傳動裝置的經濟燃油消耗與用電能耗，采用如下公式進行衡算，推導合并后，綜合能量消耗表示為

(6)

式中GT—拖拉機小時燃油消耗量[g/(kW·h)]；

Nd—拖拉機小時耗電量(kW·h)；

H—柴油熱值(J/g)；

Qe—柴油密度(g/cm3)；

te—拖拉機作業時間(h)。

3)安全性能。考慮拖拉機作業田地存在不平整情況，針對傳動裝置優化后的整機機身進行安全性能確認。綜合考慮各靜態、動態影響因素，理論模型不做贅述，經反復計算與驗證，需保證整機作業過程中機身側傾角度大于36°，以避免側翻。

3.3 試驗分析

深入了解拖拉機的作業衡量指標表現情況，有針對性地改變各項控制參數，通過試驗得出表2數據。從表2可看出：經過結構優化后的傳動裝置整體工作效率均得到一定提升，各擋位的傳動比與理論計算結果誤差范圍控制在5%范圍內，且較優化前數據提升19%左右，表明結構優化可行。

表2 拖拉機傳動裝置結構優化試驗數據

4 結論

1)通過分析拖拉機工作原理與結構組成，對拖拉機傳動裝置進行結構優化，對關鍵部件進行參數設計和優化選型，最大限度實現拖拉機整機的結構緊湊化與功能布置合理化。

2)根據設計原則，實現傳動裝置的軟硬件同步控制與執行，對傳統系統主體部件(如蓄電池組、發動機、變速裝置、差速裝置等)設定適應拖拉機實地作業的工作參數需求，進而提升拖拉機傳動的工作效率，降低拖拉機的耗能率。

3)對傳動裝置進行優化試驗，確定牽引性能、能耗環保指標及安全性能達標范圍，并進行了試驗驗證，結果表明：各擋位的傳動比較優化前數據提升19%左右，拖拉機整體工作效率均得到一定提升，各部件動力傳遞性能匹配合理，為拖拉機其他或相似部件改進提供了參考。