向承翔

(重慶三峽職業(yè)學院，重慶 404155)

0 引言

作為一種常用的動力機械，農(nóng)用拖拉機在田間作業(yè)和運輸作業(yè)領(lǐng)域得到廣泛而有效的應用，其主要功能是實現(xiàn)牽引和驅(qū)動各種農(nóng)業(yè)機械完成工作。圖1為農(nóng)用拖拉機進行牽引作業(yè)的過程簡圖。由圖1可知：在發(fā)動機提供源動力的基礎(chǔ)上，四輪驅(qū)動系統(tǒng)通過牽引力的傳遞帶動附加機具跟隨運動。隨著國內(nèi)外智能化技術(shù)的應用，當前的農(nóng)用拖拉機多數(shù)可匹配95%以上的配套農(nóng)業(yè)機具，專業(yè)領(lǐng)域的學者從拖拉機的液壓傳動、電氣控制等方面均做出不同程度的研究與完善，有的學者利用先進的電子控制技術(shù)對液壓懸掛、耕作場景進行數(shù)字仿真，以達到深入掌握農(nóng)用拖拉機牽引系統(tǒng)的工作機理和核心動態(tài)特性的目的。拖拉機牽引裝置性能的好壞直接決定配套機具的作業(yè)效率，筆者就農(nóng)用拖拉機的牽引裝置智能化改進展開論述。

1 組件構(gòu)成及特點

常見的農(nóng)用拖拉機主要工作裝置包括動力輸出裝置、牽引裝置、液壓懸掛裝置及底盤等，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。工作過程：動力輸出裝置將發(fā)動機功率以旋轉(zhuǎn)機械能的方式傳遞到農(nóng)機具上，動力的傳輸主要依靠輸出軸和輸出皮帶輪；懸掛裝置通常采用三點懸掛，包括1根上拉桿、2根下拉桿，在連接牽引裝置與待懸掛機具的同時，實現(xiàn)可調(diào)節(jié)耕深的目的。液壓系統(tǒng)主要包括液壓提升器(液壓缸)、控制閥、液壓附件及管路，通過提供連續(xù)的電液控制，提供給農(nóng)用拖拉機充足的配套動力。

圖1 農(nóng)用拖拉機牽引作業(yè)簡圖Fig.1 Schematic drawing of tractor operation of the agricultural tractor表1 農(nóng)用拖拉機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameter design of the agricultural tractor

序號農(nóng)用拖拉機主要組成部件參數(shù)名稱參數(shù)值1發(fā)動機裝置額定功率/kW36額定轉(zhuǎn)速/r·min-115002發(fā)電機裝置額定功率/kW32額定轉(zhuǎn)速/ r·min-115003減速裝置減速比194鋰電池組額定電壓/V220額定容量/Ah120個數(shù)68

2 牽引裝置改進

2.1 數(shù)學模型建立

各硬件組成與優(yōu)化組合會大幅度提升整機工作效率，根據(jù)農(nóng)用拖拉機的行駛速度和驅(qū)動輪受到滑轉(zhuǎn)率的因素影響，得出農(nóng)用拖拉機的牽引力模型為

(1)

φ=φmax[1-exp(-δ/δ0)]

(2)

(3)

式中v—農(nóng)用拖拉機行進速度(km/h)；

rd—農(nóng)用拖拉機驅(qū)動輪半徑(m)；

ne—農(nóng)用拖拉機動力裝置轉(zhuǎn)速(r/min)；

ig—農(nóng)用拖拉機變速裝置傳動比；

i0—農(nóng)用拖拉機減速裝置主傳動比；

ηδ—農(nóng)用拖拉機滑轉(zhuǎn)效率；

ηc—農(nóng)用拖拉機傳動裝置效率；

φ—農(nóng)用拖拉機驅(qū)動力系數(shù)；

φmax—農(nóng)用拖拉機驅(qū)動模型特征值；

δ0—農(nóng)用拖拉機滑轉(zhuǎn)率；

δ—農(nóng)用拖拉機滑轉(zhuǎn)模型特征值；

Ft—農(nóng)用拖拉機牽引力(N)；

Te—農(nóng)用拖拉機動力裝置輸出轉(zhuǎn)矩(N·m)；

CD—空氣阻力系數(shù)；

A—農(nóng)用拖拉機迎風面積(m2)；

G—農(nóng)用拖拉機驅(qū)動裝置所受載荷(N)；

f—作業(yè)路面摩擦力因數(shù)。

從而可知，該農(nóng)用拖拉機的牽引功率和牽引效率分別為

(4)

(5)

(6)

式中Pt—農(nóng)用拖拉機牽引裝置的牽引功率(kW)；

Ft—農(nóng)用拖拉機牽引力(N)；

v—農(nóng)用拖拉機行進速度(km/h)；

Pe—農(nóng)用拖拉機驅(qū)動裝置的輸出功率(kW)；

Te—農(nóng)用拖拉機動力裝置輸出轉(zhuǎn)矩(N·m)；

ne—農(nóng)用拖拉機動力裝置轉(zhuǎn)速(r/min)；

ηt—農(nóng)用拖拉機牽引效率。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)農(nóng)用拖拉機的應用場合和需求可知：農(nóng)用拖拉機的牽引裝置主要分為固定式和擺桿式兩大類，固定式牽引裝置，主要由牽引支架、牽引叉或牽引板及牽引銷總成組成，如圖2所示。為適應懸掛和牽引多種類的農(nóng)業(yè)機具，將牽引叉或牽引板設(shè)置成靈活拆卸型，同時針對牽引裝置核心部位進行改進，其連接部件外形設(shè)計如圖3所示。具體為在懸掛支架的兩側(cè)增加輔助油缸，以確保提升與牽引的柔性度。

1.牽引支架 2.牽引叉 3.牽引銷總成 4.鎖緊銷 5.長銷圖2 農(nóng)用拖拉機牽引裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure brief diagram of the traction system of the agricultural tractor

圖3 農(nóng)用拖拉機牽引裝置連接部件外形設(shè)計Fig.3 Shape design of the connecting part of traction device of agricultural tractor

2.3 智能控制優(yōu)化

根據(jù)拖拉機的工作機理，對牽引裝置相關(guān)聯(lián)的管路進行智能優(yōu)化，管路布置如圖4所示。本研究改進為全液壓轉(zhuǎn)向智能控制系統(tǒng)，基于液壓能的連續(xù)控制，操縱液壓伺服裝置，合理分配拖拉機的驅(qū)動力。實現(xiàn)此功能的組件主要是恒流泵、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向油缸和管路等，應著重考慮轉(zhuǎn)向油缸執(zhí)行能量轉(zhuǎn)換的及時與準確性。

圖4 農(nóng)用拖拉機牽引裝置智能控制管路圖Fig.4 Intelligent control piping diagram of the traction device of the agricultural tractor

針對牽引裝置提供力的大小，設(shè)定該農(nóng)用拖拉機牽引系統(tǒng)力位綜合調(diào)控，流程如圖5所示。由控制實現(xiàn)功能可知：將牽引裝置之前的單純拉力傳感器控制改進為力位綜合調(diào)控，首先設(shè)定目標深度，經(jīng)ECU后傳遞給液壓系統(tǒng)，向執(zhí)行裝置適時發(fā)出控制命令，最終至牽引裝置，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機具牽引作業(yè)。當引入力位換算形成閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，使得牽引裝置控制更加精準，發(fā)力更加高效。

對該農(nóng)用拖拉機的牽引裝置進行智能控制，其原理圖如圖6所示。 工作時， 在主控制器和信號電平控制器的共同作用下，接收來自阻力傳感器、位置傳感器、耕深傳感器的電信號，用電磁閥替換提升裝置分配器，經(jīng)控制器向電磁閥輸出電流，實現(xiàn)對提升裝置的調(diào)節(jié)；采取變阻尼和自動調(diào)節(jié)方式，使之與牽引裝置保持在同一水平點，使運行更精確和平穩(wěn)，實現(xiàn)智能化牽引作業(yè)。

圖5 農(nóng)用拖拉機牽引系統(tǒng)力位綜合調(diào)控簡圖Fig.5 Schematic diagram of the force level comprehensive control of traction system of the agricultural tractor

圖6 牽引裝置下的作業(yè)深度智能控制原理圖Fig.6 Operation depth intelligent control principle diagram of traction device on the tractor

3 測試

3.1 前置條件

各項結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后進行智能化測試，結(jié)合牽引裝置布置組成(見圖7)，測試前置條件為：

1)利用電信號進行有效實時傳遞；

2)各傳感元部件和主要牽引裝置布置合理靈活；

3)信號獲取過程忽略機械磨損或液壓損耗；

4)測試過程核心控制參量可調(diào)性好；

5)整個測試保證靜動態(tài)控制質(zhì)量等。

圖7 農(nóng)用拖拉機牽引裝置智能化改進布置Fig.7 Intelligent improvement arrangement of the traction equipment for the agricultural tractor

3.2 過程分析

利用機械耦合模式，經(jīng)規(guī)律性變換牽引力的大小和拖拉機驅(qū)動裝置功率的匹配，得出如表2所示的農(nóng)用拖拉機牽引裝置核心參數(shù)的智能測試數(shù)據(jù)。

表2 農(nóng)用拖拉機牽引裝置智能測試數(shù)據(jù)Table 2 Intelligent test data of traction device on the agricultural tractor %

由對比可知：對比選定牽引效率、燃油消耗率(經(jīng)折合換算后)、懸掛穩(wěn)定保持率和拖拉機整機作業(yè)效率4個變量參數(shù)中，牽引效率在智能優(yōu)化后提升2.8%，懸掛穩(wěn)定保持率提升12.1%，燃油消耗率降低3.7%，整機測試運行效果良好。

4 結(jié)論

1) 通過分析農(nóng)用拖拉機整機組件構(gòu)成及其牽引裝置的作用與機理，對牽引系統(tǒng)進行智能改進，形成驅(qū)動、牽引、懸掛系列部件的智能銜接和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達到改進目標，效果明顯。

2) 對農(nóng)用拖拉機的牽引裝置進行智能化改進，進一步提升了牽引效率，降低了燃油消耗，且大大提高了農(nóng)用拖拉機的整機作業(yè)效率，可達15.8%。

3) 此優(yōu)化方法對拖拉機其他組件和系統(tǒng)改進提供了參考，具有明顯的應用價值。