履帶式聯合收獲機差逆變速箱田間載荷測試與分析

王尉銘，沈家豪，楊圣凱，葉福鑫，祁金鎖

（江蘇大學農業工程學院，江蘇 鎮江 212013）

近年來，履帶式聯合收獲機已成為我國收獲水稻的主要機型[1，2]，差逆變速箱作為履帶底盤傳動系統的核心，兼具變速和轉向的功能，引入汽車差速器結構，新增差逆轉向模式，具有土壤破壞小、轉向效率高等優勢[3-5]。然而在田間試驗中發現了許多故障，嚴重影響了收獲效率。

差逆變速箱的載荷測試需要采集并記錄扭矩、轉速的變化，目前有學者采用應變型扭矩傳感器和霍爾轉速傳感器分別測得輸出軸的扭矩和轉速[6]。王瑞等以DH-5905型無線遙測模塊為基礎，構建了聯合收割機底盤扭矩和轉速無線測試系統[7]。焦海寧等借助LABVIEW 軟件實現對變速箱輸入/輸出轉速、扭矩信號采集、遠程測控等功能[8]。測得載荷數據后，鄭如炎將隨機載荷轉化為可統計的系列載荷，采用雨流計數法實現循環計數[9]，別鋒鋒通過譜密度函數的各次矩計算整個載荷譜的主要參數與分布特性進行統計學分析[10]。

本文總結了差逆變速箱正常作業期間齒輪、軸承、軸等高頻回轉件可能出現的疲勞損傷，以履帶式水稻聯合收獲機為試驗樣機，替換原有變速箱與HST，并通過傳感器選型、半軸改造、傳感器標定、設備安裝調試等工作完成差逆變速箱載荷測試系統的構建。借助Spider-80Xi 路譜編輯器軟件和nSoft 軟件對載荷測試方案中15 種工況下所采集到的載荷時間歷程分別進行預處理、雨流循環計數統計，得到了臺架試驗所需的差逆變速箱田間行走非平穩工況載荷譜，并計算出各主要工況下的直行功耗和左右轉向功耗，為完善差逆變速箱的結構設計提供理論依據。

1 差逆變速箱的結構及工作原理

履帶式聯合收獲機差逆變速箱由輸入主動齒輪、輸入從動齒輪、三聯齒輪、一檔從動齒輪、三檔從動齒輪、二檔從動齒輪、動力分流齒輪、差速器、離合主動齒輪、離合從動齒輪、差逆轉向制動齒輪、雙聯齒輪、主減齒輪、分離撥叉、單邊轉向制動齒輪組成，差逆變速箱中差速器的動力從2 個半軸錐齒輪流入，僅當差逆轉向時行星錐齒輪才自轉發揮動力再分配的作用，在單邊制動轉向和自由半徑轉向的基礎上新增了差逆轉向模式。

2 田間載荷測試系統設計

2.1 載荷測試系統的搭建

2.1.1 主要傳感器的選用及信號采集分析系統

扭矩測量選用BF350 型高精度全橋式應變片，轉速測量選用選取NJC5002C 型霍爾傳感器。扭矩和轉速傳感器的信號采集選用DH5905N無線采集分析系統，主要包括扭矩采集模塊、轉速采集模塊、電源模塊、無線路由器以及DHDAS 信號測試軟件等。系統工作原理見圖1。

圖1 系統工作原理Fig.1 System working principle

2.1.2 扭矩傳感器的布置與標定

差逆變速箱左右傳動半軸在作業過程中除了受到扭矩作用外，還承受底盤上其他部件帶來的彎矩和軸向力作用。采用應變式測量方法可以很好地減輕或消除彎矩和軸向力的不利影響，保證扭矩實測值的精度。BF350 型高精度全橋應變片采用對稱等臂的方式排列，初始阻值為350 Ω。

根據履帶式底盤的傳動結構，行走半軸與主減齒輪、驅動輪分別以花鍵形式聯接，尺寸約為履帶中心距的1/3，且位于箱體外部。為了減少摩擦阻力，特設有外注油長圓筒并與半軸共同組合成環狀潤滑容腔。考慮到半軸端部裝有骨架油封，應變片引線不好直接引出，因此，需要對半軸進行鉆孔加工從而采用軸心引出的改進方案。半軸鉆孔結構見圖2。

圖2 半軸鉆孔結構Fig.2 Semi-shaft drilling structure

在靠近驅動輪一端的半軸中心處，先加工直徑10.4 mm、深度140 mm 的盲孔，并在距離端面130 mm 的外圓柱面加工與盲孔相通且直徑為6 mm 的垂直孔，再加工直徑16 mm、深度35 mm 的螺紋孔用于扭矩采集模塊和電源模塊的安裝。在遠離垂直孔70 mm 光滑軸頸處布置應變片，避免打垂直孔導致的應力集中給應變片測量帶來的不利影響。

用704 硅橡膠將應變片及垂直孔密封，涂抹一層MFG14 硅酮型密封膠。根據常用的靜標定法原理，設計簡易標定試驗臺，半軸裝在2個滑動軸瓦之間且處于鎖止狀態，應變片引線與扭矩采集模塊相連接，標定過程中只需增加或減少力臂端的砝碼數量即可改變半軸所受扭矩。待配置好扭矩采集模塊與DHDAS 信號測試分析軟件后，根據實際承受的最大力矩劃分試驗組數，并且每個試驗組需要依次執行3 次加載與卸載工序，此外每隔2 d 開展一次標定試驗，從保證載荷測定的準確性。

2.1.3 測試系統安裝與調試

需要將載荷測試系統安裝在試驗樣機的底盤上，并開展硬件設備與分析軟件的調試。采用一種可固定2組模塊且不發生相對運動的旋轉支架，通過M16 空心螺栓安裝在驅動輪外側。將應變片引線從半軸中心孔中引出，與支架中的扭矩采集模塊連接。

用于轉速采集的霍爾傳感器以焊接角鐵的方式裝在支架外側，其中角鐵上設有直徑13 mm 的通孔，便于固定和調整傳感器的相對位置。同時磁鋼作為轉速采集的鍵相裝置，通過AB 膠安裝在支架外表面，與傳感器正對間距6~9 mm。將霍爾傳感器的信號傳輸線纜與收獲機駕駛室中的轉速采集模塊相連。安裝完成后的載荷測試系統見圖3。

圖3 載荷測試系統實物圖Fig.3 Physical diagram of load test system

經仔細檢查確定各設備接線無誤后，開啟主電源并進行通訊調試。①選擇網絡連接中的Internet 協議，設置與扭矩采集模塊、轉速采集模塊相同的IP 地址；②啟動工控機中的DHDAS 信號測試軟件，查找并連接到硬件設備后建立全新的測試項目；③按照2個采集模塊的網絡名稱對扭矩、轉速采集通道分別進行匹配，確認軟件系統能正確接收到無線信號；④重新設置扭矩傳感器、轉速傳感器的通道參數和采樣參數；⑤對載荷測試系統的傳感器進行無線遙控平衡、清零設置；⑥啟動試驗樣機，開始對差逆變速箱左右行走半軸在不同前進速度、不同留茬高度、不同糧箱工況等工況下的扭矩和轉速數據進行采樣。

2.2 載荷測試方案的制定

試驗樣機采用履帶式水稻聯合收獲機，并裝載差逆變速箱來代替原有變速箱，為了提供差逆變速箱的單邊轉向、差逆轉向2 種模式所需的制動力，液壓系統除原先割臺、撥禾輪、HST、換向油缸等油路外，新增一條制動油路。整體結構、新增液壓油路見圖4。該試驗樣機的性能參數見表1。

表1 試驗樣機的性能參數Tab.1 Test the performance parameters of the prototype

圖4 雨流矩陣表（16×16）Fig.4 Rain flow matrix table

圖4 試驗樣機圖Fig.4 Prototype drawing

通過觀察分析，影響變速箱左右行走半軸負載的因素主要包括前進速度、轉向模式以及糧箱質量。本測試將以上3個因素作為試驗變量，運用控制變量法對試驗方案進行劃分后共有15種工況，其中前進速度包括低速擋（90 r/min）、中速擋（130 r/min）、高速擋（180 r/min），轉向模式包括單邊制動轉向（理論轉向半徑R=B/2，B為履帶中心距）和差逆制動轉向（理論轉向半徑R=0），糧箱質量包括空倉、1/2 倉、滿倉（370 kg）。依據國家標準GB8097-2008《收獲機械-聯合收割機-試驗方法》[11]，各工況分別按照起步、直行、轉彎（180°）、直行的過程進行測試，2 種轉向模式僅應用于低、中速擋，而高速擋根據實際使用情況很少進行轉向，無需測試。此外，為了避免最終數據被其他因素誤差影響，每種工況要重復測試3次并取平均值。具體測試方案見表2。

3 載荷測試數據處理與分析

3.1 數據預處理

原始的載荷測試信號存在脫粒滾筒、發動機等工作部件的噪聲干擾外，還可能受到儀器采樣失真等的影響。因此，有必要通過美國晶鉆儀器公司Spider-80Xi 路譜編輯器對采集的載荷時間歷程進行信號預處理。

平穩性在隨機信號的處理中起著重要的作用[12]。，測試樣本的載荷時間歷程必須是平穩的各態歷經過程。輪次檢驗法作為檢驗手段是目前比較常用的方法，基先將樣本區間進行n 等分并求出子區間的均方值，通過對比均方值與總平均值的大小劃分各子區間得到樣本輪次，根據穩態輪次分布的統計規律判定信號平穩性。對檢驗后的樣本信號進行傅里葉低通濾波處理。

3.2 統計學分析

考慮到差逆變速箱田間載荷變化頻率集中在2 Hz以內，零構件的疲勞損傷只與載荷幅值的大小和次數有關，因此，采用符合零構件疲勞損傷規律的雨流計數法。

基于nSoft 軟件中的雨流循環計數模塊對預處理載荷數據進行分析，最終計數結果選用谷峰值矩陣來表示。針對差逆變速箱左右行走半軸的載荷測試方案中各工況下的載荷時間歷程分別進行雨流計數，可得到15 個64 階雨流矩陣。其中屬于低速、單邊制動轉向、空倉工況的部分雨流矩陣表見圖4。

樣機底盤上2 個驅動半軸的實際功率損耗計算如公式（1）：

式中，P均為均值功耗，kW；P為峰值功耗，kW；T均為半軸平均扭矩，N?m；T峰為半軸最大扭矩，N?m；n為半軸轉速，r/min。

根據實測的扭矩和轉速數據，計算可得差逆變速箱的直行功耗和左右轉向功耗，見表3、表4、表5。

表4 差逆變速箱的左轉向功耗Tab.4 Differential left-turn power consumption of reverse transmission kW

表5 差逆變速箱的右轉向功耗Tab.5 Differential right steering power consumption of inverse transmission kW

從表3中可以看出，直行功耗隨著樣機的行進速度、糧箱工況增大而增大，其中行進速度影響更為顯著，當處于高速滿載的工況時，左右半軸累加可得最大總功耗24.83 kW。由表4、表5 可知，左右轉向功耗的數據是糧箱工況為滿載時測定的，盡管差逆制動轉向具有轉向半徑小、轉向時間短的優勢，但相比于單邊制動轉向，其實際功耗較大，因此，會給變速箱內各零部件帶來更大的瞬時沖擊作用，影響使用壽命。

4 結論

采用BF350 型高精度全橋式應變片和NJC5002C 型霍爾傳感器，分別測得履帶式聯合收獲機差逆變速箱收獲作業的載荷譜信息，根據實測的扭矩和轉速，計算差逆變速箱的直行功耗和左右轉向功耗，再進行數據預處理與統計學分析。該載荷測試系統具有測量方便、靈敏度高、測量結果準確等優點，能為測試變速箱的疲勞性能及機械結構優化提供數據支撐。