農用拖拉機動力傳動匹配仿真分析與試驗

張建友 彭才望 付昌星 宋玲

摘要：優化拖拉機動力傳動系統參數，實現動力傳動合理匹配，對提高拖拉機動力性和燃油經濟性有重要意義。首先，分析拖拉機犁耕作業工況下的受力情況;然后，應用AVL-Cruise軟件搭建拖拉機在農田作業工況下的仿真模型，通過相應的實車試驗，完成仿真模型的校驗，仿真與試驗結果相對誤差在5%以內，驗證了搭建的拖拉機仿真模型的準確性，此模型為后續動力傳動優化匹配分析奠定了基礎。根據實際拖拉機作業性能仿真需求，基于內點懲罰函數迭代準則，優化并選擇適當的傳動系參數，完成傳動系參數優化后的動力性與經濟性仿真，并以原地起步加速時間和犁耕工況油耗作為優化目標進行評價。仿真結果表明，優化后的傳動比參數使拖拉機作業速度分布更廣，基本作業擋車速提高了4.5%～12.4%，進一步適應了農田作業工況的需要，其中作業擋上擋的燃油消耗率降低了5.0%，整機綜合性能得到改善。同時，驗證了本研究方法的有效性，為拖拉機動力傳動優化匹配提供了一定的參考。

關鍵詞：拖拉機;動力傳動;匹配優化;AVL-Cruise建模

中圖分類號： S219文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）05-0199-05

隨著我國對農業的大力扶持，大中功率拖拉機發展迅速。目前，大中功率拖拉機存在動力性能低、燃油經濟性差等不足[1]。拖拉機動力傳動系統匹配的合理程度，很大程度上決定了拖拉機整機的動力性和燃油經濟性。為提高農業用拖拉機的動力性和燃油經濟性，許多學者圍繞拖拉機傳動系統等方面展開了很多的研究與實踐，但存在一定的局限性，主要集中于傳動系統的局部研究，缺少拖拉機整車建模分析動力性和經濟性[2]。趙國欣對影響拖拉機牽引性能的主要因素進行了具體的分析研究[3]。肖龍等基于機械系統動力學自動分析（ADAMS）建立了大功率拖拉機整機動力學仿真模型，對拖拉機的牽引性能及其影響因素進行了仿真研究分析[4]。徐立友等針對拖拉機雙離合器自動變速器的傳動系統進行建模與仿真分析，研究不同工況下的轉矩、轉速、滑摩功等參數的變化情況[5]。王光明等對拖拉機滿負荷和部分負荷下無級變速箱傳動效率進行了研究，為變速箱結構進一步優化和動力匹配提供了理論指導依據[6]。另外，拖拉機動力傳動匹配優化多沿用汽車變速傳動匹配方法，但忽略了農田作業工況的差異性，不利于拖拉機工作性能的充分發揮，且主要集中于汽車領域或新能源汽車領域[7]。Zhang等提出通過模擬退火遺傳算法進行傳動系統匹配，分析汽車爬坡能力和NEDC（new European driving cycle）循環工況下的燃油經濟性[8]。鞠超等從發動機與傳動系匹配方面推導出傳動系各擋傳動比的分配規律，能為傳動系的優化設計提供參考[9]。宋強等提出以換擋點加速度差值和作為目標函數，選定換擋點的車速及換擋的延遲量為優化變量值，建立能夠兼顧動力性和燃油經濟性的綜合換擋規律模型[10]。總而言之，針對拖拉機動力傳動系統變速匹配的研究相對較少，大部分主要集中于傳統汽車或新能源汽車領域，且圍繞功率利用率、牽引力、最高車速、加速時間等目標進行優化，缺乏針對性，難以切實提高拖拉機農田作業工況下的整機綜合性能。

基于此，本研究分析拖拉機犁耕作業工況下的受力情況，基于AVL-Cruise軟件建立拖拉機整機的仿真模型，結合拖拉機整機實際作業需求，運用內點懲罰函數迭代方法，優化選擇拖拉機合理的動力傳動參數，優化傳動比分配和傳動速比，以期提高農田作業工況下拖拉機的適應性和綜合性能。

1 拖拉機動力系統數學模型

1.1 拖拉機牽引力模型

拖拉機由于作業對象、田間作業環境以及作業種類等因素不斷發生變化，其牽引力難以得到最大程度的發揮。拖拉機與機具組成機組在設計時應該克服田間作業阻力并最大可能地發揮出高作業效率、降低燃油消耗。牽引力作為拖拉機主要的動力性能指標和燃油經濟性指標，其計算公式表示為

Ft=zbhk。（1）

式中：Z為犁耕犁鏵數;Ft為犁耕所需的牽引力，kN;農用拖拉機最基本而又最繁重的作業為犁耕，因此，拖拉機牽引力的確定優先考慮犁耕作業要求;b為單體犁鏵寬度，m;h為犁耕作業深度，m;k為田間土壤阻比，N/cm2。

拖拉機實際作業時，田間作業阻力連續不斷發生變化，其隨機載荷特征非常明顯，不同于一般公路運輸車輛。但是為了方便研究，將拖拉機田間作業工況看作勻速行駛工況。對于n擋變速箱而言，j擋下的拖拉機牽引力為

Ftn=Teijηcrq。（2）

式中：Ftn為j擋下的拖拉機牽引力，kN;Te為發動機輸出扭矩，Nm;ij為j擋下的總傳動比;ηc為拖拉機機組的總傳動效率，%;rq為拖拉機驅動輪的動力半徑，m。

1.2 拖拉機工作阻力模型

拖拉機犁耕作業須要考慮土壤黏度、比阻、濕度等因素的影響，本研究根據設計優化需要，暫不考慮土壤本身因素帶來的影響。犁耕作業時，機具須要保證一定的耕深，犁體的耕深直接影響拖拉機牽引阻力的大小。由圖1可知，I點和H點分別為上下懸掛點。犁耕作業時，土壤對犁體的阻力可分為水平牽引阻力FRx和垂直阻力FRy。

拖拉機犁耕勻速作業時，實際犁體受力復雜，本研究僅從犁耕動力配套角度分析主要牽引阻力的相關問題，拖拉機的驅動牽引力要以最小的值滿足犁耕作業時的阻力FR，當拖拉機犁耕機組穩定勻速工作時，根據力矩平衡關系，犁耕牽引阻力（FR）為

FR=FScosα+FHx;（3）

FS=（FRxLRy-GJLGJ-FRyLRx）LMcosα;（4）

FHx=FRxLRy+FRxLM-GJLGx-FRyLRxLM。（5）

式中：FS為犁體懸掛點的受力;GJ為機具重力。

1.3 拖拉機動力匹配仿真模型的建立

本文的研究對象為一款農業用的四輪拖拉機，利用AVL-Cruise軟件建立拖拉機整車物理仿真模型（圖2），并進行數據信號總線連接。根據研究目標，該四輪拖拉機為4×4的四驅形式，在AVL-Cruise軟件中建立拖拉機所包含的車輛、發動機、離合器、變速器、主減速器、差速器、車輪等模塊，根據研究對象的整車參數，在AVL-Cruise軟件中完成各模塊的主要參數設置。因AVL-Cruise軟件中沒有針對的農機具模塊，采用Flang模塊代替農機具模塊，各模塊主要參數如表1所示。

運用建立的拖拉機傳動仿真模型，選擇某一農田作業工況下的計算任務對拖拉機整車性能進行仿真計算，得到該拖拉機的動力性和經濟性數據。試驗根據分析需要，在某耕耘基地進行某一農田作業工況下的實車動力性試驗與燃油經濟性試驗，試驗設備主要包括全球定位系統（GPS）測速裝置、計時器、發動機轉速儀、米尺、流量計等。仿真結果與實際試驗值進行對比，具體見表2。由表2可知，拖拉機在某一工況下的加速時間、加速距離、油耗以及Ⅰ擋車速、最大爬坡度的結果相對誤差均在5%以內，相對誤差較小，表明AVL-Cruise軟件建立的拖拉機仿真模型具有很好的可靠性，能夠切實反映該拖拉機的實際作業動力性和燃油經濟性。

對上述試驗結果與仿真結果進行分析比較發現，該拖拉機具有良好的動力性，最大爬坡度較大，但燃油消耗偏高，其主要原因有可能是拖拉機功率過大或變速擋傳動比過大。因此，在不改變動力的情況下，可以考慮優化傳動參數。

2 拖拉機動力匹配優化分析

本研究主要針對拖拉機機組動力匹配進行優化分析，通過優化拖拉機動力傳動系統參數，以期有效提高拖拉機整機的動力性和經濟性。

2.1 目標函數建立

通過設計變量?。╥=0，1，2，3，4）為變速器速比，將動力性和經濟性作為評價指標設置目標函數，分別以原地起步連續換擋時間t和NEDC工況下的循環油耗Qs來表示[13]：

T=T0+∑12i=1∫V10WmTtqxix0ηtr-Gf-CDAv221.15〗-1dv;（6）

Qs=∑12i=1Qs/S×100。（7）

式中：T0為拖拉機從0到V1的加速時間;W為拖拉機旋轉質量換算系數;m為拖拉機整機質量，kg;G為拖拉機重力，N;f為滾動阻力系數;CD為空氣阻力系數;A為汽車迎風面積，m2;v為拖拉機車速，km/h;∑12i=1為NEDC循環工況油耗，L/（100 km）;S為拖拉機整個NEDC循環行駛距離，km。

2.2 約束條件

根據拖拉機各擋傳動比的等比分配原則與擋位利用率，建立約束條件：

x1/x2≤1.2（x1/x12）1/11;（8）

Ttqmaxx0x12ηtr-CDAv2a21.15G≥D12max;（9）

Ttqmaxx0x1ηtr≥G（fcosα+sinα）;（10）

Ttqmaxx0x1ηtr≤Zφφ。（11）

式中：ηt為傳動系機械效率;r為車輪滾動半徑，m;f為滾動阻力系數;xi（i=0，1，2，3，…，12）為變速器建比;Ttqmax為拖拉機柴油機輸出的最大扭矩，Nm;va為拖拉機4擋時最大扭矩時的車速，km/h;D12max為4擋動力因素的要求值;α為拖拉機的最大爬坡度，%;Zφ為拖拉機上驅動輪的法向反力，N;φ為路面附著系數。

拖拉機犁耕作業時按最低擋計算，預留10%～15%的后備功率以應對拖拉機農田作業時不同的工況需要。

Ftn=Teijηcrq≥1.2zbhk+fGg。（12）

式中：f為滾動阻力系數;G為拖拉機整機質量，kg。

式（6）至式（12）組成一個多目標優化模型，為簡化問題，將該多目標優化模型進行線性加權組合，其中式（6）和式（7）共同組成2個優化目標。對拖拉機進行優化時，為選出最佳的動力傳動比系數，分別按式（6）加權系數取0.6，式（7）加權系數取0.4，從而構建單目標的優化函數fx。基于內點懲罰函數迭代準則，直至x（k）滿足懲罰函數約束準則：|f-f|≤10-4|終止。此時，得到對應的x（k）最優值。通過迭代求解和原有參數進行對比分析，具體如表3所示。

由表3分析可知，和原擋位優化前相比，優化后的擋位使得拖拉機變速箱傳動比分配得到明顯改變。1擋～4擋傳動比分配降幅較大，5擋～8擋基本作業擋優化前后變化不大，9擋～12擋運輸擋傳動比略高于原傳動比，直接擋不變。優化后的傳動比總體分布更稀疏，相應拖拉機速度范圍變化更廣，適應農田作業多工況需求。

2.3 優化后拖拉機動力匹配仿真分析

通過AVL-Cruise軟件模擬計算，將上述優化后的變速箱傳動比參數輸入原變速箱模塊中，重新進行計算，得出優化前后的結果對比，具體如圖3所示。

由圖3可知，優化前后各擋位車速對比結果表明，優化后的拖拉機各擋車速有較大變化，速度相對分布更加合理。其中，1擋車速提高21.4%，基本作業擋車速提高了4.5%～12.4%，優化后的最高擋車速降低了6.1%，減小至32.4 km/h，基本作業擋的覆蓋范圍得到擴大，運輸擋各擋位速度分別降低了6.5%、8.3%、0、6.1%，擋位相對更加集中，能進一步適應農田多工況作業需求。

根據已經搭建的拖拉機AVL-Cruise仿真模型，分別計算拖拉機4個作業擋位下的等速、22 cm固定耕深作業工況下的拖拉機燃油消耗率，從而分析其燃油經濟性。由表4可知，不同擋位下的油耗隨著作業速度的提升均有不同幅度的升高，隨著作業速度的提高，擋位提升，油耗升高率降低，表明拖拉機處于相對負荷率較低狀態。優化前后的仿真結果表明，優化后的作業擋油耗得到降低，其中5擋作業耕作時，油耗降幅達到5.0%，經濟性提高，整機性能得到改善。

3 結論

根據農田作業工況下拖拉機犁耕受力情況，構建數學力學模型。利用AVL-Cruise軟件構建拖拉機整機仿真模型，以某一工況下的加速時間、加速距離、油耗以及1擋車速、最大爬坡度的模擬計算仿真結果與試驗結果進行對比分析，相對誤差在5%以內，驗證了所搭建的模型的合理性和準確性，所搭建的AVL-Cruise模型可為拖拉機動力傳動匹配仿真優化。

根據拖拉機實際作業情況，提高動力傳動匹配程度，以原地起步加速時間和犁耕工況油耗作為優化目標，引入內點懲罰函數，優化傳動比系數，通過優化對比分析，優化后的拖拉機各擋車速有較大變化，速度相對分布更加合理。另外，計算拖拉機4個作業擋位下的等速、22cm固定耕深作業工況下的拖拉機燃油消耗率降低。拖拉機整機綜合性能得到改善，能夠更好地適應農田作業多工況的需求。同時，也進一步驗證了本研究方法的可靠性。

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