移動式液壓加載型拖拉機動力輸出軸試驗裝置設計*

邱韶峰，張延杰，吳愛兵，吳寧，管春松

(1. 山東省農業機械試驗鑒定站，濟南市，250100； 2. 吉林省恒寧測控技術有限公司，長春市，130012；3. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

拖拉機作為農業裝備的核心，其技術發展水平體現著國家農業機械化程度和農業現代化發展水平[1-2]。近年來拖拉機制造質量與作業性能參差不齊，特別是大中功率拖拉機，一直是質量投訴的重點，投訴內容主要是動力性能不足、部件與裝配可靠性差[3-4]等問題。為此，國家與農機行業出臺標準與措施規范拖拉機檢測與試驗。動力輸出軸是拖拉機向配套農機具傳遞驅動力的核心部件，在農田旋耕作業時尤為重要，主要實現扭矩放大和動力輸出這兩項功能[5]。拖拉機PTO試驗[6-8]是考核拖拉機動力性能、燃油經濟性、可靠性等指標最為直接有效的檢驗手段[9]，目前拖拉機PTO試驗設備一般為固定式裝備，市場急需一種操作簡單、工作可靠、體積小、功率測試范圍大、便于移動的試驗裝置用于在拖拉機作業現場、銷售網點對拖拉機的動力性能、可靠性能進行檢驗，以考核拖拉機的總體質量水平。

目前大多數拖拉機PTO試驗設備采用電渦流或者電力測功機加載。電渦流測功機額定功率轉速點較高,一般在1 000 r/min以上，當轉速低于1 000 r/min時，隨著轉速降低制動力矩快速下降，而拖拉機PTO試驗時，轉速通常在300～1 200 r/min之間[10]，目前解決上述問題的方法是使用增速器，一是運轉時會產生附加動載荷、振動、沖擊和噪聲，影響測試精確度[11]；二是增加系統的轉動慣量和空載扭矩，降低系統的響應速度；三是使得整個測功器體積增大。另外電渦流測功機使用時要配置大型冷卻水塔，這些都限制了其移動使用。電力測功機具有低速加載扭矩大的特點，加載過程中，當從超低轉速加載到額定轉速時為恒扭矩特性，從額定轉速加載到最高轉速時為恒功率特性，與多數機械負載的負載特性一致[12]。但電力測功機將吸收的機械能轉化為電能，產生的電能或者被大型電阻柜消耗，或者回饋電網，也不適用于移動現場使用。

比例溢流閥模擬加載的方式已經廣泛地應用到液壓試驗臺上，陳君寶等[13]設計以比例溢流閥為加載元件的加載試驗，實現系統壓力閉環PID控制。將壓力傳感器的測量值和設定壓力值比較，用兩者差值作為控制信號調整比例溢流閥閥口面積，從而實時校正、調整實際壓力使之達到設定值。根據需求及現有設備特點，按照GB/T 3871.3—2006《農業拖拉機 試驗規程 第3部分：動力輸出軸功率試驗》、NY/T 2207—2019《輪式拖拉機能效等級評價》規定的試驗方法，設計一種基于液壓測功機的拖拉機PTO試驗裝置，該裝置采用變量柱塞泵加比例溢流閥的加載方式，實現了加載扭矩(或轉速)的閉環PID控制。計算機將扭矩(或轉速)傳感器的測量值和設定值比較，用兩者差值作為控制信號調整比例溢流閥閥口面積，從而實時校正、調整實際扭矩(或轉速)使之達到設定值。該裝置液壓油貯存在一封閉的鋁合金散熱器內，散熱風扇由液壓馬達驅動，整個系統工作時，無需外部供水、供電和供氣，控制系統由系統自帶的DC12 V蓄電池驅動。

1 整機結構與工作原理

1.1 總體結構

如圖1所示，試驗系統主要由液壓測功機、液壓驅動風冷式散熱系統、轉速轉矩測量系統及安裝平臺組成；其中測功機殼體既是部件承載體，又作為液壓油箱使用，高壓部件全部封裝在密封的高強度殼體內，無液壓油外漏風險，高壓變量柱塞泵作為系統的核心加載部件，通過排量電動調節裝置調節變量柱塞泵斜盤角度，使柱塞泵的最大輸出排量無級可調，可使被測試拖拉機的功率段從11 kW直至236 kW均可得到最佳的加載特性，比例加載溢流閥是作為測功機的模擬加載裝置，通過接收控制器的信號，控制高壓變量柱塞泵輸出油液的壓力，實現對液壓測功機輸出扭矩的控制，從而實現對被測試拖拉機的加載作業。本裝置為提高控制精度，適用全功率范圍加載，選用了雙閥式結構，在中小功率測試時只有主加載比例閥工作，在大功率測試時，雙閥同時工作。進回液過濾裝置實現油品的雜質過濾與氣泡消除，保障液壓系統正常可靠工作；控制器根據設定的系統油溫調節風冷器液壓馬達自動調速裝置的輸出流量，從而調節風冷器液壓馬達轉速及散熱功率，保證加載液壓系統油溫恒定。

轉速扭矩傳感器串接在平衡軸組與高壓變量柱塞泵之間，用于測量拖拉機PTO輸出轉速、扭矩與功率；平衡軸組的功能是消除拖拉機動力輸出軸動力傳輸至測功機系統的側向力。測功機、冷卻裝置、測量系統與平衡軸組均安裝在安裝底座上，全部裝置被通風式外殼體封罩，在安裝底座的下部，安裝為一套四柱式同步自鎖液壓缸組成的高度調節裝置，以適用不同底盤的被測試拖拉機試驗，其在使用時伸出并自鎖，運輸時縮回，在安裝底座的底部中間，安裝有支撐輪組，便于現場移動及運輸。

液壓測功機結構見圖1。

圖1 液壓測功機結構圖Fig. 1 Structure diagram of hydraulic dynamometer1.測功機殼體 2.高壓變量柱塞泵 3.排量電動調節裝置4.比例加載溢流閥 5.吸液過濾消泡裝置 6.回液過濾消泡裝置7.風冷器液壓馬達自動調速裝置 8.吸液管 9.出液管10.風冷器馬達取液管 11.風冷器液壓馬達 12.風冷式散熱器13.風冷器進液管 14.風冷器液壓馬達進液管15.風冷器液壓馬達回液管 16.風冷器出液管 17.轉速扭矩傳感器18.平衡軸組 19.聯接盤 20.安裝底座 21.四柱式同步液壓調高裝置22.支撐輪組 23.通風式外殼體 24.無線型數據采集控制器

1.2 測功機液壓系統原理

1.2.1 測功機選型依據與工作原理

選用高壓變量柱塞泵作為移動式拖拉機PTO試驗裝置的加載裝置，是因為液壓加載裝置與現有的電機加載或電渦流加載方式相比，具有以下特點，更適合移動式檢測需要。

1) 同功率的液壓加載裝置的重量僅為電力測功機的10%～20%，更便于移動使用。

2) 速度適應范圍大，本系統選型的液壓測功機在50～2 200 r/min的范圍內可實現最大扭矩加載，而電力測功機僅在一小段轉速范圍實現最大扭矩加載，電渦流類的測功機的額定轉速較高，需要升速裝置才能適應PTO的轉速范圍。

3) 采用變量柱塞泵作為加載裝置，通過調節斜盤角度，實現對最大加載功率的調節，一臺設備可適應從最小11 kW到最大236 kW的全功率段的拖拉機測試，而電機或電渦流類的測功裝置，需要兩臺或多臺功率段的測功系統才能實現全功率段加載。

4) 由于液壓系統的自身具有良好的潤滑性，并且由于旋轉部件質量較小，在加減速的過程中轉動慣量較小，所以加減載控制靈敏，對被試車輛的沖擊較小，運行平穩。

液壓測功機系統工作原理見圖2。

圖2 液壓測功機系統原理圖Fig. 2 Schematic diagram of hydraulic dynamometer system1.油箱 2.吸油過濾器 3.高壓變量柱塞泵 4.伺服變量機構5.電液比例溢流閥 6.安全溢流閥 7.散熱調速閥8.風冷器液壓馬達 9.風冷式散熱器 10.轉速扭矩功率儀11.回油過濾器 12.空氣過濾器13.油液溫度測量裝置 14.壓力傳感器

選用變量柱塞泵作為加載裝置的液壓測功機，其功率與加載扭矩的調節原理為通過調節柱塞泵的斜盤擺角來調節加載裝置的最大加載功率，通過調節油泵輸出油口的壓力來實現所調范圍內的加載扭矩調節。控制原理公式

P1=pQη

(1)

式中：p——壓力；

Q——流量；

η——效率。

如果想對加載功率P1進行調節，可以調節兩個參數：壓力p或流量Q，而壓力p由于系統限制最高壓力不能超過35 MPa，所以要想達到最優的加載效果，理想狀態是通過調節流量Q，使壓力p為最大值時，輸出功率為拖拉機的最大功率，而流量

Q=Vn

(2)

式中：V——液壓泵排量；

n——輸入轉速。

當n一定時，通過調節排量V就可以實現在同等轉速下流量的調節。

為適應不同功率段的拖拉機測試需要，通過調節變量柱塞泵斜盤(斜軸)的角度實現每轉輸出排量V的調節，這樣使測功系統成了一個可無級調節最大加載功率的變量式加載系統，可根據被測試拖拉機的最大功率，選擇合適的擺角來實現最佳加載測試。

比例溢流閥通過控制變量柱塞泵輸出口的壓力來實現對p的調節，在流量Q一定時，通過調節壓力p實現對被測試拖拉機動力輸出軸功率的加載。

為保障系統可靠運行，適應在現場測試時無外部的水電保障的實際條件，系統的散熱風扇采用液壓馬達進行驅動，并且根據油溫的狀態，自動調節馬達轉速來調節散熱功率，保障測試系統的穩定運行。

1.2.2 液壓系統工作流程

被測試拖拉機的PTO通過萬向軸聯軸器與液壓測功機(圖1)的平衡軸組聯接盤相連接，經過轉速扭矩傳感器將動力傳輸至高壓變量柱塞泵；驅動高壓變量柱塞泵工作。

高壓變量柱塞泵的最大輸出排量受伺服變量機構控制，在主控系統輸入被測試拖拉機的額定功率后，系統自動計算出該機型測試時高壓變量柱塞泵最佳使用輸出排量，并驅動伺服變量機構驅動變量斜盤至最佳位置。

在PTO達到試驗轉速后，測試系統(圖2)開始工作，此時，高壓變量柱塞泵通過吸油過濾器進行吸液，出液口經過管路輸送至電液比例溢流閥、安全溢流閥、調速閥的進液口，具體如下。

主回路：主回路為通過電液比例溢流閥的液壓回路，絕大部分油液經此回路循環，主要是通過控制系統對比例溢流閥開啟壓力的控制，實現對輸出液壓油液的模擬加載，實現對被測試拖拉機的加載作業。即只有當進入比例溢流閥的油液壓力達到設定值后，油液才能從此回路通過。

此回路油液循環流如下：油箱→吸液過濾器→高壓變量柱塞泵吸液口→電液比例溢流閥→風冷式散熱器→回油過濾器→油箱。

風冷式散熱器風扇驅動回路：風冷式散熱器風扇由液壓馬達驅動，液壓馬達的轉速快慢將控制散熱器的冷卻能力，而其快慢是由輸入至液壓馬達的流量決定的，此回路的功能就是通過對液壓馬達轉速的控制，保證液壓油在測試過程中溫度基本恒定。調速閥的功能就是根據油箱測溫裝置的返回值，在主控制系統的控制下，與系統設定的溫度值比較，同時在主控制系統的控制下，調節調速閥開度，控制液壓馬達轉速。

此回路油液循環流如下：油箱→吸液過濾器→高壓變量柱塞泵吸液口→調速閥→風冷液壓馬達→回油過濾器→油箱。

2 加載系統關鍵參數確定與裝置選型

2.1 加載系統關鍵參數的確定

拖拉機PTO動力輸出軸的標準轉速有三種：540 r/min、760 r/min和1 000 r/min，其中1 000 r/min是147 kW以上拖拉機(動力輸出軸功率≥130 kW)拖拉機的唯一標準轉速，因此按拖拉機動力輸出軸標準轉速1 000 r/min計算液壓測功機的加載扭矩，此時發動機標定轉速時對應的動力輸出軸轉速為1 111～1 250 r/min(注：動力輸出軸標準轉速為發動機標定轉速80%～90%時的轉速)。

此時動力輸出軸的輸出功率與扭矩計算如下。

功率

P=0.735×320=235.2 kW

(3)

標定工況時的扭矩

T0=9 550P0/n0=9 550×235.2/1 111

=2 021.7 N·m

(4)

式中：P0——被測試拖拉機最大標定功率；

n0——發動機標定轉速時動力輸出軸轉速，取n0=1 111 r/min。

GB/T 15370.1～3規定50 kW(含)以下拖拉機動力輸出軸轉矩儲備率應不小于15%，50 kW以上拖拉機動力輸出軸轉矩儲備率應不小于20%。

2018—2019年山東省農業機械產品質量監督檢驗站共對16臺(147～236 kW)拖拉機進行了PTO試驗，其中扭矩儲備系數最小值為25.2%，最大值為43.9%，扭矩儲備系數分布見表1。

表1 扭矩儲備系數檢驗結果統計匯總表Tab. 1 Statistical summary table of test results oftorque reserve coefficient

由表1可知拖拉機扭矩儲備系數主要集中在30%～40%之間，占樣本的75%，留一定余量，本設計取扭矩儲備系數β為50%，根據扭矩儲備系數的計算公式

β=(Tmax-T)/T×100%

(5)

則最大加載扭矩

Tmax=T×β+T=2 021.7×1.5=3 032.6 N·m

(6)

2.2 液壓測功機關鍵部件選型

2.2.1 加載比例溢流閥選型

根據液壓泵輸入扭矩計算公式

T=V×p/2π

式中：T——液壓泵輸入扭矩，N·m；

V——液壓泵排量，mL/r；

p——液壓泵壓力，MPa。

由此得知，液壓測功機加載扭矩只與測功機的排量及輸出壓力有關，與轉速無關，這也是液壓測功機,的一個特點，即在油泵排量一定的情況下，扭矩只與控制壓力有關，在壓力不變的情況下，液壓測功機始終工作在恒扭矩狀態。

根據最大輸出扭矩Tmax=3 032.6 N·m，計算所選用加載高壓柱塞泵的最小理論排量Vmin(最高壓力取30 MPa)。

Vmin=(T×2π)/p=(3 042.9×2×3.14)/30

=637.0 mL/r

(7)

由于容積效率是在計算液壓輸出功率時計算，高壓柱塞泵一般可以達到95%，本系統用于對驅動機械進行加載作業，故不考慮容積效率影響。

經查閱液壓手冊樣本[10]，選擇排量為750 mL/r的A4VSO755型高壓變量柱塞泵作為本試驗裝置的液壓泵，其技術參數見表2。

表2 A4VSO755型高壓變量柱塞泵技術參數Tab. 2 Technical parameters of A4VSO755 highpressure variable plunger pump

該排量變量柱塞泵的加載動力特性曲線如圖3所示，其中虛線為在1 000 r/min時，在排量調節至最大狀態時的壓力功率、流量特性曲線。其中qV為壓力—流量特性曲線，PV為壓力—功率特性曲線。

圖3 液壓測功機在排量最大狀態下的壓力流量與功率特性曲線Fig. 3 Characteristic curve of pressure, flow andpower of hydraulic dynamometer in the state ofmaximum displacement

選用該型號的變量柱塞泵作為加載裝置的液壓測功機，通過調節斜盤擺角實現排量調節，圖4為在不同擺角位置時的典型最大加載扭矩與功率曲線。

圖4 液壓測功機在不同排量下的功率特性曲線圖Fig. 4 Power characteristic curve diagram ofhydraulic dynamometer under different displacements

經仿真系統驗證，本系統的加載壓力p與測功機對被測試拖拉機的施加功率與扭矩如圖4：曲線對應的是試驗裝置變量柱塞泵的輸出排量在不同位置時裝置的加載扭矩、加載功率與系統壓力的關系曲線，由圖4可知，在PTO轉速、系統壓力一定的情況下，試驗裝置的最大加載功率與裝置變量柱塞泵的輸出排量成正比，利用這一特性，可根據測試拖拉機的功率段，選用適宜的變量柱塞泵排量，從而保障測試系統加載的精確性，實現比電力及電渦流試驗裝置更寬的功率試驗范圍，這也是液壓測功機最大的特點之一。

2.2.2 加載比例溢流閥選型

比例溢流閥的作用是在測控系統的控制下，根據控制系統的輸出信號來實現對被測試拖拉機的加載，其選型主要依據液壓系統的流量范圍、壓力范圍及信號類型來選擇，在本系統中，流量Q=Vn1，其中V=750 mL/r，n1為液泵轉速，與被測拖拉機PTO的轉速相同，取250～1 200 r/min。

則流量Q=750×(250～1 200)/1 000=187.5～900 L/min，為提高控制精度本裝置采用雙閥設計，則單閥最大流量為450 L/min。

查閱比例溢流閥手冊，留一定余量，選擇DBEM32型比例溢流閥進行加載，其主要參數如表3。

表3 DBEM32型比例溢流閥技術參數Tab. 3 Technical parameters of DBEM32proportional relief valve

3 液壓與電力測功機加載性能驗證

3.1 液壓測功機的主要參數

液壓測功機的主要技術參數見表4。

表4 液壓測功機的主要技術參數Tab. 4 Main technical parameters of hydraulic dynamometer

根據計算結果與變量柱塞泵、比例溢流閥的特性分析，液壓測功機在加載響應動態特性、加載穩定性等方面應比常規的直流電力測功機系統、電渦流測功機系統更具有優勢，為驗證系統的實際加載能力，我們在吉林省恒寧測控實驗室進行對比試驗。

3.2 比對試驗裝置基本技術特征

比對試驗選用某公司生產的236 kW直流電力加載型拖拉機動力輸出試驗臺，如圖5所示。

該試驗臺為電機測功機結構，采用直流測功電機加電阻柜方案，通過控制直流測功機勵磁回路的勵磁功率實現對輸出加載轉矩的控制，其主要參數見表5。

該型號測功系統已在國內各拖拉機大型生產企業、檢測機構多臺長時間運行，運行狀態良好，控制精準，處于現階段國內拖拉機PTO試驗系統的主流水平，選用該機型作為對比臺架，有較大的參考意義。

圖5 直流電力加載型拖拉機動力輸出軸試驗臺Fig. 5 DC power-loaded tractor power outputshaft test bench

表5 比對試驗用電力測功機參數Tab. 5 Parameters of electric dynamometer forcomparison test

3.3 試驗方法

根據GB/T 3871.3—2006《農業拖拉機 試驗規程 第3部分：動力輸出軸功率試驗》要求的試驗項目，選作了最大功率試驗項目作驗證項，最大加載扭矩設定在2 500 N·m，以每500 N·m為一個段進行設定，由系統自動進行加載，并且在加載至設定值穩定后記錄數據，然后完全釋放加載，從空載開始進行下一個扭矩點的測試，測試并記錄快加時間、振蕩時間、PTO穩定轉速及扭矩。

為消除拖拉機發動機因外溫、氣壓、潤滑油溫度與粘度等因素影響，采用Z4-355-42/400 kW直流試驗電機驅動，控制系統內輸入某進口3204型拖拉機PTO動力輸出軸轉速特性試驗時采集的頻譜。即驅動系統完全模擬該3204機型的動力特性，其動力輸出軸功率為200.1 kW，轉速為1 000 r/min。轉速與扭矩為控制信號發出18 s后采集的穩態值。

3.4 比對試驗結果

液壓測功機及比對電力測功機的測試結果分別見表6、表7，加載特性曲線分別見圖6、圖7。

表6 液壓測功機加載數據Tab. 6 Hydraulic dynamometer loading data

圖6 液壓測功機加載特性圖(扭矩2 000 N·m)Fig. 6 Loading characteristic diagram of hydraulicdynamometer (torque 2 000 N·m)

表7 比對電力測功機加載數據Tab. 7 Compare the load data of the electric dynamometer

圖7 比對電力測功機加載特性圖(扭矩2 000 N·m)Fig. 7 Comparison of loading characteristic diagram ofelectric dynamometer (torque 2 000 N·m)

4 試驗數據分析

根據仿真數據與實際比對試驗的結果，證實液壓加載型拖拉機PTO動力輸出軸功率試驗系統與其他加載方式相比，具有以下特點。

1) 質量負載能力大，同等功率的情況小，液壓傳動裝置體積小、重量輕、結構緊湊。如236 kW的電力加載測功機，其總質量為7 850 kg，而液壓加載型的測功裝置，其總質量為1 200 kg，質量負載能力是電力測功機的6倍，更便于移動。

2) 轉動慣量小、響應特性快。如比對試驗數據所示，設定扭矩為0時，液壓測功機空載扭矩為4.5 N·m，電力測功機空載扭矩為24.2 N·m，液壓測功機空載扭矩僅為電力測功機的1/5；在試驗最大扭矩2 000 N·m測試點，電力測功機從信號發出到實現穩態用時11.8 s，液壓測功機用時6.3 s，響應速度是電力加載測功機的1.87倍。電力測功機的穩態誤差為1.1 N·m，

3) 無需外部輔助能力源即可實現測試作業，如直流電力測功機需外部提供冷卻風機、勵磁控制的電源，236 kW的電力試驗臺架需要不小于25 kW的供電能力，而電渦流測功機需要有滿足其流量要求冷卻水源，并且進水溫度一般不大于30 ℃，交流電力測功機，需要提供大于其裝機功率的電網，要求更為嚴格。而液壓測功機在工作時，僅需DC12 V蓄電池提供，3 A的直流電即可實現測試，其冷卻由其液壓系統在加載作業時輸出的液壓油驅動。

4) 適用范圍廣。由于采用了高壓變量柱塞泵作為主測功機，通過改變其斜盤的角度，即可控制其最大的輸出排量，一臺測功裝置即可滿足11～236 kW拖拉機測式要求，而其他測功方式，在該功率段，至少需要兩臺測功機方可滿足試驗要求。

5) 耐沖擊負荷、過載能力強，過載時系統不會損壞(安全閥自動打開)。

6) 使用壽命長，無維護部件因測功回油屬于液壓系統，工作時主加載系統工作在液壓油內，只要按照要求更換液壓油與過濾器濾芯，系統可長時間使用。

但由于液壓加載系統使用液壓油作為工作液體，并且一直工作在高壓高溫下，需要定期更換液壓油，維護量與其他型測功機類型相比，稍有增加。

5 結論

比對試驗的結果表明液壓加載型拖拉機PTO動力輸出軸功率試驗裝置能夠滿足GB/T 3871.3—2006《農業拖拉機 試驗規程 第3部分：動力輸出軸功率試驗》中關于最大功率試驗、發動機標定轉速下的功率試驗、全負荷下變速試驗、發動機標定轉速下與PTO標定轉速下最大功率時的變負荷試驗項目試驗要求；并且可以完成NY/T 2207—2019《輪式拖拉機能效等級評價》要求的8工況下的功率試驗。

該液壓測功機系統的加載特性與電機測功機相比具有響應速度快、穩定狀態與設定加載值偏差小的特點，加載性能優于現有的電力測功機，在試驗扭矩2 000 N·m測試點，電力測功機從信號發出到實現穩態用時11.8 s，液壓測功機用時6.3 s，響應速度是電力加載測功機的1.87倍。

試驗過程控制精準，數據穩定可靠；同時具有便于移動、適于監督管理部門裝備成牽引式、車載式試驗系統，可用于經銷商倉庫、田間作業現場、維修現場進行測試作業，同時因體積較小，也可以直接在試驗室、裝配線上使用。