發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)管理系統(tǒng)對(duì)拖拉機(jī)性能的影響

王丹丹,王 凱

(黃河交通學(xué)院,河南 武陟 454950)

0 引言

拖拉機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛,是農(nóng)業(yè)機(jī)械的重要組成部分[1]。自動(dòng)生產(chǎn)力管理系統(tǒng)(APM)主要是通過(guò)各種傳感器實(shí)時(shí)獲取變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)和拖拉機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)車速、油門踏板等信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋控制和離合器控制,將拖拉機(jī)駕駛員從繁重的手動(dòng)駕駛換擋中解放出來(lái),以獲得良好的駕駛舒適性和較高的拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性[2-4]。

Zimmermann等指出,將工程技術(shù)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相互融合,可實(shí)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制。Chang等提出以CAD實(shí)體模型的形式進(jìn)行具有最佳運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)態(tài)性能的快速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)高級(jí)參數(shù)化建模、仿真和優(yōu)化。Calkins等基于虛擬原型概念,將工程技術(shù)與硬件、軟件相結(jié)合,開發(fā)了汽車設(shè)計(jì)支持系統(tǒng),減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,大大縮短設(shè)計(jì)周期。Chandel等自主研發(fā)了用于設(shè)計(jì)低馬力農(nóng)用拖拉機(jī)傳動(dòng)系的決策支持系統(tǒng),能夠有效地預(yù)測(cè)不同型號(hào)拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5-7]。綜上所述,目前研究主要都是在預(yù)先設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的,沒有針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速附近的齒輪與顯示器上選擇的目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間變化進(jìn)行具體試驗(yàn)研究。

為此,在變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)管理機(jī)制下,針對(duì)拖拉機(jī)不同負(fù)載牽引下的運(yùn)行和油耗性能進(jìn)行分析。拖拉機(jī)變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)由硬件組成,硬件存儲(chǔ)并執(zhí)行定制軟件,可以通過(guò)降低油耗來(lái)提高經(jīng)濟(jì)投入效率,直接影響農(nóng)用拖拉機(jī)的運(yùn)營(yíng)性能和生產(chǎn)成本。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、運(yùn)行速度和車輪滑移的變化和維護(hù)影響著拖拉機(jī)運(yùn)行質(zhì)量、動(dòng)力需求和農(nóng)業(yè)機(jī)械的牽引效率,從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗和熱效率。

1 自動(dòng)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)控制軟件的層次結(jié)構(gòu)主要包括操作系統(tǒng)(Operating System,OS),操作平臺(tái)層(Platform Layer,PF),接口層(Interface Layer,API)及應(yīng)用程序?qū)?Application Layer,APL),如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)Fig.1 The diagram of pneumatic device for picking up ground jujube

OS是管理應(yīng)用程序信息處理資源分配的模塊,可以降低軟件開發(fā)和管理成本。OS系統(tǒng)可以方便地使用外部開發(fā)軟件,構(gòu)建有時(shí)間限制的多處理系統(tǒng),覆蓋不同的處理器,提高回收、可移植性和可靠性,降低成本。操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括:以優(yōu)先級(jí)(執(zhí)行優(yōu)先級(jí))的形式進(jìn)行任務(wù)調(diào)度,管理應(yīng)用程序的不同時(shí)間限制,管理任務(wù)間共享的資源,任務(wù)間通信和事件通信(支持任務(wù)間協(xié)調(diào))。

PF層是軟件的一部分,它使用硬件功能來(lái)操縱傳感器信號(hào)的輸入和執(zhí)行器的輸出[8]。例如,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電磁閥采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)驅(qū)動(dòng)時(shí),在設(shè)計(jì)前根據(jù)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)外設(shè)和執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)特性(動(dòng)態(tài)范圍、精度等)來(lái)選擇最佳的方法。根據(jù)規(guī)定時(shí)間,將計(jì)算出的計(jì)數(shù)值與周期設(shè)定值和占空比設(shè)定值進(jìn)行比較,利用PWM輸出時(shí)間圖使輸出反向,實(shí)現(xiàn)PWM輸出動(dòng)作,如圖2所示。

圖2 PWM輸出時(shí)序圖Fig.2 PWM output timing diagram

APL層通過(guò)上述方法所開發(fā)的軟件安裝在實(shí)際控制系統(tǒng)中,提前對(duì)API層的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,實(shí)現(xiàn)APL軟件的重用,從而充分發(fā)揮開發(fā)效率高的優(yōu)勢(shì)。例如,在旁路風(fēng)量控制中,計(jì)算過(guò)程以風(fēng)量控制值(m3/min)的形式標(biāo)準(zhǔn)化,使其不受風(fēng)量控制方法的影響,從而保證了APL組件的獨(dú)立性[9-10]。

1.2 自動(dòng)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速管理控制系統(tǒng)的開發(fā)

隨著控制要求的提高,控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,其地位也越來(lái)越重要[11-13]。特別是隨著軟件系統(tǒng)的增大,控制系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜,開發(fā)的V型流程圖如圖3所示。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段設(shè)定控制系統(tǒng)的功能要求,并進(jìn)行滿足相關(guān)性能的具體設(shè)計(jì),流程如圖4所示。

圖3 控制系統(tǒng)的開發(fā)V型流程圖Fig.3 V-type flow chart of control system development

圖4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of control system design flow

控制系統(tǒng)通常由傳感器、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。工作時(shí),傳感器將檢測(cè)到的車輛狀態(tài)、路況等信息傳遞給控制單元,控制單元根據(jù)這些信息發(fā)出目標(biāo)指令,最終由執(zhí)行器完成。控制單元可以采用基于規(guī)則的或優(yōu)化的控制算法;此外,控制系統(tǒng)還可以為其他外圍控制單元,如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)和電子穩(wěn)定控制單元(ESP)提供接口,以協(xié)同提高車輛駕駛舒適性和安全性[14]。

1.3 自動(dòng)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速管理控制系統(tǒng)功能分析

功能策略是控制系統(tǒng)的核心,本文根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求,設(shè)計(jì)了進(jìn)入TCU所需的控制功能。功能需求是“應(yīng)該做什么”。此外,由于控制系統(tǒng)實(shí)際上是加載到TCU中,有關(guān)“應(yīng)該如何做”的內(nèi)容必須記錄在案。通過(guò)重復(fù)“該做什么”到“該如何做”的不同層次,逐漸達(dá)到實(shí)際可能的層次,如圖5所示。將其簡(jiǎn)化為一個(gè)功能單元的過(guò)程稱為模塊化,確定易于理解和維護(hù)的控制規(guī)范是很重要的。

圖5 控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)Fig.5 The hierarchical structure of the control system

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省哈爾濱市(E109°31′,N21°35′),年平均日照時(shí)間為2160h,無(wú)霜期為350天,年平均氣溫為23.2℃。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)采用隨機(jī)分組設(shè)計(jì),選取兩種影響因素:一是有無(wú)變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)自動(dòng)管理系統(tǒng);二是分配在條狀和牽引桿上的載荷(40、75、110kN),總共6個(gè)處理,每個(gè)處理進(jìn)行4次重復(fù),共計(jì)24個(gè)試驗(yàn)單元,每個(gè)試驗(yàn)單元長(zhǎng)度為50m。

試驗(yàn)采用CASE-340拖拉機(jī),功率為250kW,配有輔助前輪驅(qū)動(dòng)-AFWD,全動(dòng)力換擋變速箱(1×4)和自動(dòng)生產(chǎn)力管理系統(tǒng)(APM)。APM軟件程序作用于電子傳動(dòng)管理器,根據(jù)變速器的負(fù)載自動(dòng)選擇變速器(齒輪)比和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)APM軟件,實(shí)現(xiàn)了變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的自動(dòng)管理,在此為2.22m/s(8.00km/h)。在沒有激活自動(dòng)變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的評(píng)估中,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)選擇8號(hào)齒輪,從而使速度接近2.3m/s(8.46km/h)。

試驗(yàn)使用的拖拉機(jī)前置內(nèi)外輪壓力分別為96.5、82.7kPa,后置內(nèi)外輪壓力分別為68.9、55.2kPa。AFWD激活后,前輪相對(duì)后輪的推進(jìn)率為1.60%。拖拉機(jī)車軸上的靜態(tài)質(zhì)量用CM-1002模型確定,由4個(gè)墊塊組成,40%的水被添加到所有輪胎(內(nèi)部和外部),810kg的在前面,2270kg金屬壓載在后面,總質(zhì)量為18625kg,42%分配在前軸,58%分配在后軸。

拖拉機(jī)上安裝了傳感器,通過(guò)印刷電路板連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS,采集頻率為1Hz,直接存儲(chǔ)在硬盤上。車輪滑移測(cè)量使用的編碼器來(lái)自Autonics品牌,型號(hào)為E100S。發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)由Autonics E100S編碼器獲得,利用Victor數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)DM6236P獲得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與功率起飛之間的傳動(dòng)比; 每小時(shí)的燃油消耗(HFC)由Flowmate OV AL MIII - LSF 45流量計(jì)測(cè)量,牽引桿力(DBF)采用安裝在牽引車牽引桿上的伯曼測(cè)力傳感器進(jìn)行測(cè)量。該傳感器的容量為300kN,靈敏度為(2.0+0.002)mV/V,精度為0.01 kN。

運(yùn)行速度(OS)由Vansco-740030A雷達(dá)確定[15]。牽引桿上可用功率計(jì)算公式為

DBP=(DBF·OS)

(1)

其中,DBP為牽引動(dòng)力(kW);DBF為牽引力(kN);OS為操作速度(m/s)。

柴油密度函數(shù)如式(2)所示。柴油密度通過(guò)k型熱電偶獲得的溫度進(jìn)行校正,該溫度之前在流量計(jì)中記錄在燃料入口和出口[16]。

D=844.14+(-0.53T)

(2)

其中,D為柴油密度(g/L);T為柴油溫度(℃);844.14和0.53為柴油密度回歸參數(shù)。

每小時(shí)油耗計(jì)算公式為[17]

HFCm=(HFCv·D)

(3)

其中,HFCm為按質(zhì)量計(jì)算的每小時(shí)油耗(kg/h);HFCv為按容積計(jì)算的每小時(shí)油耗(L/h)。

比油耗計(jì)算公式為[18]

(4)

其中,SFC為燃油消耗率(g·kW/h);DBP為牽引動(dòng)力(kW)。

牽引桿效率計(jì)算公式為[19]

(5)

其中,DBE為牽引效率(%);DBP為牽引動(dòng)力(kW);EP為發(fā)動(dòng)機(jī)功率(kW)。

基于燃料的比消耗和較低的熱值,發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率計(jì)算公式為[20]

(6)

其中,ETE為發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率(%);LHV為低發(fā)熱值,LHV=42.295kcal/kg。

2.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),如果得到的值不符合正態(tài)分布,則通過(guò)Box-Cox進(jìn)行轉(zhuǎn)換;隨后,使用程序SigmaPlot 14進(jìn)行方差分析和Tukey檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

表1為所分析變量的ANOVA和均值比較檢驗(yàn)結(jié)果以及變異系數(shù)和正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)Ferreira分類方法,所有參數(shù)的變異系數(shù)均為穩(wěn)定。其中,SLP為車輪滑轉(zhuǎn);ER為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù);HFCv為按容積計(jì)算的每小時(shí)油耗(L/h);DBF為牽引力;OS為機(jī)器行進(jìn)速度;DBP為牽引動(dòng)力(kW);SFC為燃油消耗率(g·kW/h);DBE為牽引效率(%);ETE為發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率(%)。AD為Anderson-Darling 正態(tài)分布檢驗(yàn)。

表1 參數(shù)方差分析和均值比較檢驗(yàn)Table 1 Parametric analysis of variance and mean comparison test

兩種因素的SLP結(jié)果均低于4%～ 8%,這些結(jié)果可能受到與輪胎接觸的表面、壓艙物和輪胎類型的影響。當(dāng)未使用APM時(shí),較高的SLP可以用較高的ER來(lái)解釋,較高的ER會(huì)導(dǎo)致更高的車輪轉(zhuǎn)數(shù),導(dǎo)致輪胎與混凝土表面的抓地力降低,從而增加SLP;使用APM時(shí),SLP降低了20%,與未使用APM相比,OS增加了10%,這些變量直接或間接地干擾了農(nóng)用拖拉機(jī)的操作性能。較低的ER和SLP直接影響HFCv,與未使用APM相比低28%。Li et al.研究表明:拖拉機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí),也發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)油耗較低,對(duì)于拉動(dòng)的不同負(fù)荷,ER無(wú)顯著差異。通過(guò)分析不同的載荷,可以發(fā)現(xiàn)在40、75 kN的載荷下OS、SFC和ETE變量統(tǒng)計(jì)上沒有差異;當(dāng)負(fù)荷增加時(shí),DBP和DBE的值較高,可以用DBF的增加來(lái)解釋。各因素間的交互作用對(duì)ER、OS、DBP、DBE等變量影響顯著,對(duì)交互作用進(jìn)行分析,結(jié)果如表2所示。

表2 電子管理(EM)和負(fù)載之間的相互作用分Table 2 Analysis of the interaction between electronic management (EM) and load

通過(guò)分析相互作用可以發(fā)現(xiàn):在40、75kN的載荷下,未使用APM時(shí)ER和OS較高,在110 kN的載荷下ER和OS較低;在40和75 kN載荷下,未使用APM時(shí)DBP和DBE值較高,這些變量受到較高ER和OS的交互作用影響;但是,當(dāng)負(fù)載為110kN時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)減少,OS減少,從而生成了較低的DBP和DBE。使用APM時(shí),軟件程序通過(guò)管理增加了ER,可以維持更高的OS,從而獲得更高的DBP和DBE,在拉動(dòng)更高負(fù)載方面顯示了其效率。

4 結(jié)論

1)自動(dòng)變速器和發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)管理系統(tǒng)使拖拉機(jī)的打滑率降低20%,運(yùn)行速度提高10%,每小時(shí)油耗降低28%,從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的比耗,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率,不影響牽引機(jī)的牽引能力。

2)在牽引負(fù)荷方面,由于在不使用APM時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高,因此在最低負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速較高。在使用APM的最高負(fù)載時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)會(huì)自動(dòng)增加,從而實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速。