拖拉機動態載荷加載平臺設計與試驗

王禹， 王玲， 宗建華， 呂東曉， 王書茂

（中國農業大學工學院，北京 100083）

拖拉機作為農業裝備的核心，其技術發展水平體現了國家農業機械化程度和農業現代化發展水平［1-2］。近年來，農機產品制造質量與作業性能參差不齊，在很大程度上制約了我國農機技術水平的提高。為此，國家與農機行業出臺標準與措施規范農機檢測與試驗［3］。

拖拉機性能評價指標與試驗方法主要針對以下4個方面：拖拉機牽引功率試驗［4-5］、拖拉機動力輸出性能試驗［6-8］、后置三點懸掛提升能力試驗以及拖拉機可靠性測試［9-12］。為實現拖拉機性能檢測，需要研制相對應的加載試驗臺，如動力輸出軸加載試驗臺、發動機臺架、轉鼓試驗臺以及液壓加載試驗臺。但上述類型的加載試驗臺大都存在功能單一、占地面積大、成本高、檢測與控制自動化程度低、試驗時間長等不足［13-15］。不僅如此，在當前拖拉機性能試驗中，大多以靜態載荷或靜態分級載荷的形式對拖拉機各項性能進行加載測試，這種加載方法輸出的載荷特性與拖拉機在田間作業時所承受的載荷不盡相同［16］，導致性能檢測結果與實際使用情況存在差異。若采用田間試驗，由于拖拉機作業環境復雜、載荷隨機性強，不僅加載精度無法保證，而且費時費力、效率不高。因此，開發一種綜合性、可移動、低成本且能夠模擬田間作業載荷的拖拉機性能檢測試驗臺具有積極的現實意義。為此，本文提出了一種適用于中小型拖拉機的動態載荷加載平臺，為拖拉機性能及可靠性試驗提供解決方案。

1 材料與方法

1.1 總體方案設計

拖拉機動態載荷加載平臺總體功能設計如圖1所示。其中，功能1～4為國家標準所規定的拖拉機相關基礎試驗，功能5和6是基于基礎試驗所設計的復合加載試驗，功能7～9作為擴展試驗可進一步對拖拉機相關性能參數進行驗證與測試。所有功能既相互獨立又緊密聯系，試驗方案與流程相輔相成。

圖1 拖拉機動態載荷加載平臺功能Fig.1 Function of dynamic loading bench for tractor

加載平臺功能設計總體方案如圖2所示，主要包括三點懸掛加載系統、動力輸出軸（power take off，PTO）加載系統以及牽引加載系統3個部分，分別用來實現拖拉機牽引性能加載測試、動力輸出軸性能加載測試以及懸掛性能加載測試。在測控系統設計方面，基于NI-FPGA模塊化數據采集系統開發信號與控制系統，實現加載參數的自動化檢測與控制，基于LabVIEW開發無線上位機軟件平臺，實現數據顯示與人機交互。

圖2 拖拉機動態載荷加載平臺總體方案Fig.2 Overall scheme of dynamic loading bench for tractor

1.2 加載系統硬件結構設計

拖拉機動態載荷加載平臺3個部分內部結構如圖3所示。

圖3 加載平臺內部結構Fig.3 Inner structure of loading bench

1.2.1 三點懸掛加載系統結構設計 三點懸掛加載系統用來實現拖拉機懸掛系統相關試驗，主要包括提升力加載油缸、懸掛提升框架、定滑輪機構、鋼絲繩、各傳感器以及液壓泵站（圖3），其原理如圖4所示。拖拉機三點懸掛系統通過懸掛提升框架與提升加載油缸連接；提升加載油缸采用橫臥式安裝在加載平臺底盤中央位置，通過定滑輪改變加載方向，該結構可適應拖拉機的提升行程范圍，并免除挖鑿地坑的麻煩；采用模糊PID控制對電液伺服比例溢流閥與電液比例換向閥實時控制，實現液壓加載控制；提升行程通過位移傳感器來檢測并反饋到控制系統。

圖4 三點懸掛加載系統結構和原理Fig.4 Structure and principle of the three-point hitch loading system

1.2.2 PTO加載系統結構設計 PTO加載系統主要用來完成拖拉機動力輸出軸相關試驗，由電渦流測功機、轉矩傳感器以及端面齒萬向節聯軸器組成（圖3）。加載平臺采用2臺電渦流測功機串聯的形式來實現PTO轉矩加載，最大轉矩加載范圍為3 000 N·m；端面齒萬向節聯軸器用來保證在傳遞轉矩的同時降低緩速器的徑向竄動，并縮短安裝距離；轉矩傳感器用來檢測實時加載的轉矩與轉速大小，反饋到控制系統實現轉矩動態控制；采用CAN總線通訊實現測功機狀態的控制與監測。

1.2.3 牽引加載系統結構設計 牽引加載系統主要用來模擬拖拉機作業時受到的地面動態阻力，實現對拖拉機牽引負荷的加載，由地輪輪轂、傳動鏈輪、氣動盤式剎車器、電氣比例閥、氣泵及通氣閥組成（圖3），其結構和原理如圖5所示。加載平臺牽引負荷主要通過輪胎制動實現：地輪輪轂通過鏈輪與傳動轉軸連接，當傳動轉軸制動時，傳動轉軸上的制動轉矩通過該機構傳遞到地輪，地輪即產生制動力；傳動轉軸上固定有4組氣動盤式剎車器，通過電氣比例閥控制輸入到剎車器的氣壓大小實現剎車器壓緊力控制，進而控制傳動轉軸的轉動轉矩；為了保證牽引加載時轉軸受力平衡，采用通氣閥來保證其輸入氣壓一致；牽引力通過傳感器反饋到控制器，最終實現牽引力的動態控制。

圖5 牽引結構和加載原理Fig.5 Structure and principle of traction loading

1.3 加載平臺測控系統設計

根據加載平臺的功能設計及測控要求，基于NI-FPGA模塊化數據采集系統開發加載平臺的測控系統。加載平臺測控系統主要包括數據采集系統及無線上位機軟件平臺；數據采集系統的主控制器采用NI-CompactRIO嵌入式系統，FPGA板卡采用NI-9381、NI-9361、NI-9853，能夠實現16路模擬量輸入輸出、8路數字量輸入輸出、8路頻率量輸入以及CAN總線通訊。無線上位機軟件平臺基于LabVIEW開發，結合加載平臺功能開發對應的自動化控制程序，實現對加載平臺的實時監測與加載控制。測控軟件平臺的主要功能分為3部分：①數據顯示與處理功能，實現對加載參數的顯示、儲存與分析；②動態加載控制功能，按照實際加載要求實現對各系統的動態控制；③調試功能，設置試驗參數及標定傳感器。

1.4 加載平臺性能驗證試驗設計

1.4.1 試驗方案設計 以拖拉機PTO加載系統為例，對加載平臺性能進行驗證。PTO加載控制系統采用PID控制器，其原理如圖6所示，上位機平臺根據目標轉矩與轉矩傳感器采集到的轉矩計算差值，輸入到PID控制器，輸出對應的控制信號，經信號放大模塊輸出到電渦流測功機實現轉矩控制。在PTO加載系統研制完成后，利用MATLAB對其動態響應特性進行仿真分析，確定PID控制參數。

圖6 PTO轉矩控制原理Fig.6 Loading principle of PTO torque

加載試驗采用50馬力（36.75 kW）三相電機（YVP-225S-8，六安益升電機有限公司）模擬拖拉機PTO，對試驗臺加載性能進行驗證。試驗時，通過萬向節聯軸器連接試驗臺與電機，設置電機轉速為540 r·min?1。加載方案分為靜態加載試驗、正弦加載試驗以及載荷譜加載試驗。

1.4.2 靜態加載試驗設計 靜態加載試驗采用靜態逐級加載的方式，利用加載平臺實現自動加載控制以驗證加載準確性。所采用的50馬力（36.75 kW）三相電機額定轉矩約為350 N·m，在靜態加載試驗中，按照其最大轉矩設置8個等級，分別為12.5%、25.0%、37.5%、50.0%、62.5%、75.0%、87.5%、100.0%，對應加載轉矩分別為43.75、87.50、131.24、175.00、218.75、262.50、306.25和350 N·m；每級加載時間為8 s。

1.4.3 正弦加載試驗設計 采用正弦信號作為目標輸入信號，測試正弦加載平臺對動態信號的跟隨效果。正弦信號周期為8 s，幅值為175 N·m，整體偏移量為+175 N·m，相位偏移為0。

1.4.4 載荷譜加載試驗設計 采用基于超閾值模型的時域外推方法［17-18］編制TS404型號拖拉機旋耕作業時的PTO轉矩載荷數據，得到轉矩動態載荷譜，以此為目標信號輸入到PTO加載平臺進行測試，載荷譜加載頻率與采樣頻率均為20 Hz。

2 結果與分析

2.1 靜態加載試驗結果分析

靜態加載試驗結果如圖7所示，可以看出，PTO加載試驗臺轉矩加載過程中存在控制死區，其轉矩死區范圍約為［0 N·m，23.2 N·m］，該死區是在萬向節聯軸器連接時由于高度差帶來的轉動不平順引起的轉矩誤差。在加載過程中，PTO加載系統響應最大延時約為0.4 s，1.2 s后達到穩定，最大超調量為0.31%，最大穩態誤差為0.33%；加載過程中，實際加載曲線與目標曲線的相關系數為0.995 1，擬合優度為13.45 N·m，可滿足拖拉機PTO靜態加載測試要求。

圖7 靜態逐級加載試驗結果Fig.7 Result of static step loading test

2.2 正弦動態加載試驗結果分析

從圖8可以看出，控制死區依舊存在，在正弦信號［0 N·m，23.2 N·m］區間內，加載轉矩無法跟隨。在加載過程中，系統最大響應延遲為0.4 s，無超調量，最大誤差為4.57%；加載過程中，實際加載曲線與目標曲線的相關系數為0.998 3，擬合優度為41.59 N·m，表明加載平臺基本還原了目標信號，實現了正弦信號的跟隨，其響應特性能夠滿足拖拉機動態加載測試。

圖8 正弦動態加載試驗結果Fig.8 Result of sine dynamic loading test

2.3 載荷譜加載試驗結果分析

前200 s載荷譜加載試驗結果如圖9所示。系統最大延時為0.8 s，最大超調量為9.81%，最大誤差為4.78%。在載荷譜加載區間內，加載系統實際加載轉矩與載荷譜轉矩數據的相關系數為0.997 0，擬合優度為18.94 N·m。結果表明，PTO加載系統能夠準確地模擬實際作業載荷譜，完整地還原了PTO轉矩載荷時間歷程，可以用于PTO載荷譜加載試驗。

圖9 載荷譜加載試驗結果Fig.9 Result of load spectrum loading test

3 討論

目前，拖拉機性能檢測試驗臺主要有室內固定試驗臺和移動負荷車。針對室內固定試驗臺結構龐大、成本高、移動負荷車功能單一等問題，本研究設計了一種適用于中小型拖拉機的移動式多功能拖拉機動態載荷加載平臺，作為固定試驗臺在對拖拉機動力輸出系統及懸掛系統加載的同時，實現對拖拉機牽引負荷加載試驗；加載平臺集成度高、可靠性強，可有效提升中小型拖拉機性能試驗的自動化程度。

在設計過程中，基于一機多用思想對拖拉機動態載荷加載平臺的加載功能進行設計，可實現拖拉機牽引性能、動力輸出性能以及三點懸掛性能相關試驗。基于各項功能開發拖拉機動態載荷加載平臺軟硬件系統，整體可以分為三點懸掛加載系統、PTO加載系統、拖拉機牽引加載系統及測控系統，能夠為拖拉機綜合性檢測提供解決方案。拖拉機動態載荷譜加載平臺的主要特點是可根據田間作業載荷實現載荷譜動態加載，從而在室內模擬田間作業工況對拖拉機各項性能進行測試，提高檢測效率。

以PTO加載試驗為例，分別采用靜態逐級加載、正弦信號加載以及載荷譜加載試驗對加載控制效果進行了驗證。PTO加載系統采用PID控制器，靜態逐級加載與正弦信號加載試驗表明，PTO加載系統的響應時間、控制精度、系統超調量可以滿足實際加載需要；在載荷譜加載試驗中，以TS404旋耕作業時編制得到的載荷譜作為加載信號。試驗結果表明，PTO加載系統能夠自動實現動靜態加載，可以完整還原PTO轉矩載荷的時間歷程，實現載荷譜加載和試驗，但同時PTO系統動態加載控制效果還有更進一步提升的可能，后續研究過程中需采用多種控制算法進行優化和對比，從而提升其響應時間和精度。