摘要：介紹了國內(nèi)外貿(mào)生產(chǎn)企業(yè)在對PTO動(dòng)力執(zhí)行機(jī)器（械）進(jìn)行生產(chǎn)檢測調(diào)試時(shí)常采用的幾種動(dòng)力輸出方式，從操作煩易度、運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)成本及環(huán)境影響等方面，對幾種動(dòng)力輸出方式進(jìn)行了分析，并推薦了一款極簡適配輸入動(dòng)力裝置，為相關(guān)PTO動(dòng)力執(zhí)行機(jī)械生產(chǎn)制造企業(yè)在機(jī)器（械）檢調(diào)時(shí)提供了極大的便利。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出裝置;標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速及功率;增速箱傳動(dòng)比;適配輸入

0 引言

本文介紹的PTO（POWER-TAKE-OFF）動(dòng)力裝置是農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)向農(nóng)機(jī)具或其他機(jī)械傳遞動(dòng)力的后置動(dòng)力輸出軸。根據(jù)《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī) 后置動(dòng)力輸出軸 1、2、3和4型 第3部分：動(dòng)力輸出軸尺寸和花鍵尺寸、動(dòng)力輸出軸位置》（GB/T 1592.3—2016）的要求，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸分為3個(gè)型式，每個(gè)型式有與其相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速及標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的輸出功率。其操縱方式包括手動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)，可由駕駛員在駕駛室內(nèi)進(jìn)行操作。

目前國內(nèi)外貿(mào)生產(chǎn)企業(yè)出口到歐美等地區(qū)的戶外園林機(jī)械中，使用PTO動(dòng)力裝置的機(jī)械有：PTO圓木鋸、PTO劈材機(jī)、PTO斷木機(jī)、PTO碎枝機(jī)等。PTO動(dòng)力執(zhí)行機(jī)器（械）如圖1所示。

上述機(jī)器（械）的輸入軸-花鍵軸的尺寸、三點(diǎn)懸掛連接部件尺寸及位置也要符合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)要求。但是這些機(jī)器（械）由于使用目的及工作介質(zhì)不同，在銷售出廠時(shí)，都設(shè)定了相應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速及輸入功率。這些參數(shù)指標(biāo)的設(shè)定對PTO動(dòng)力輸入提出了一定的適配要求：除了輸入部件的規(guī)格、尺寸相吻合外，機(jī)器（械）的輸出轉(zhuǎn)速及功率最好也要相匹配，否則對機(jī)器的使用壽命、穩(wěn)定性、安全可靠性等都會造成不利影響。

目前，國內(nèi)外貿(mào)生產(chǎn)企業(yè)在對PTO動(dòng)力執(zhí)行機(jī)器（械）進(jìn)行生產(chǎn)檢測調(diào)試時(shí)，常采用以下幾種動(dòng)力輸出方式，下面將對這幾種方式進(jìn)行簡述。

1 常規(guī)的直接使用農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)PTO動(dòng)力輸出軸+萬向聯(lián)軸器方式

拖拉機(jī)的輸出動(dòng)力成為PTO動(dòng)力執(zhí)行機(jī)器（械）的輸入動(dòng)力。生產(chǎn)企業(yè)在對機(jī)器（械）進(jìn)行檢測調(diào)試前，需要根據(jù)機(jī)器（械）設(shè)定的額定轉(zhuǎn)速、功率及輸入軸的相關(guān)尺寸，選擇相匹配的農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)、萬向聯(lián)軸器。

假設(shè)某生產(chǎn)企業(yè)制造的機(jī)器的設(shè)定參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min、額定功率6.0 kW、輸入軸為？準(zhǔn)35 mm的6齒矩形花鍵。輸入軸通過增速箱，將傳動(dòng)扭矩傳遞給機(jī)器原執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般來說這類機(jī)器的增速箱的傳動(dòng)比i=2.5～3.5。以某款PTO劈木機(jī)為例，其增速比為2.7，以此可計(jì)算得到輸入軸轉(zhuǎn)速：1 450/2.7≈537 r/min。

根據(jù)GB/T 1592.1—2008/ISO 500-1：2004標(biāo)準(zhǔn)要求，可選擇動(dòng)力輸出軸標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為540 r/min、發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下動(dòng)力輸出功率為≤60 kW、動(dòng)力輸出軸為？準(zhǔn)35 mm的6齒矩形花鍵。

采用拖拉機(jī)動(dòng)力輸入方式的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力有保證、傳動(dòng)連接方便快捷。但它的缺點(diǎn)也很明顯：首先，經(jīng)濟(jì)成本高，1臺輪距≥1 150 mm、動(dòng)力輸出功率≤60 kW的輪式農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)的價(jià)格至少在7萬元;當(dāng)然也可以購買小馬力（≤20馬力）的輪式后置拖拉機(jī)，但1臺也要近2萬元。其次，拖拉機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲對環(huán)境影響特別大，尤其是在制造工廠相對封閉的工作環(huán)境內(nèi)。再次，對于拖拉機(jī)動(dòng)力輸出的操作必須要由專業(yè)或經(jīng)過訓(xùn)練的操作人員進(jìn)行，否則極易發(fā)生危險(xiǎn)。

2 采用交流變頻調(diào)速電機(jī)+萬向聯(lián)軸器方式

要使調(diào)速電機(jī)的輸出速度與調(diào)試機(jī)器的額定速度相匹配，通過調(diào)整變頻器的輸出頻率，使變頻器控制的調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速能與調(diào)試機(jī)器的額定轉(zhuǎn)速相接近。變頻調(diào)速電機(jī)的調(diào)整范圍較寬，一般可以達(dá)到1：10左右，因而可以較快地達(dá)到調(diào)整效果，提高運(yùn)行效率。

仍以上述生產(chǎn)企業(yè)制造的機(jī)器為例，其額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min、額定功率6.0 kW。我們將變頻器頻率調(diào)整為28 Hz，旋轉(zhuǎn)磁場極數(shù)為6極，這樣就可得到調(diào)速電機(jī)輸出速度接近540 r/min。

交流異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速）n的計(jì)算公式如下：

需指出的是，由于采用PTO作為動(dòng)力輸入的執(zhí)行機(jī)器（械），一般均用于重載場合且對轉(zhuǎn)矩要求比較高，因而我們可以將這些機(jī)器（械）視為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。根據(jù)變頻器的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，輸出功率也相應(yīng)降低，這就帶來了功率與執(zhí)行機(jī)器的額定功率不相匹配的問題。要解決這一問題，我們勢必要加大電機(jī)的輸出功率，提高了成本，制作難度大。

3 采用交流電動(dòng)機(jī)+萬向聯(lián)軸器方式

交流電動(dòng)機(jī)的速度與頻率、旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)有關(guān)系：n=60f/p，在電源工作頻率確定的情況下，轉(zhuǎn)速與磁極對數(shù)成反比。以工頻電源50 Hz為例，2極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為2 800 r/min左右、4極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為1 450 r/min左右、6極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為900 r/min左右、8極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為700 r/min左右。

仍以額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min、額定功率6.0 kW的機(jī)器（械）為例，輸入軸理想的輸入轉(zhuǎn)速為540 r/min，但是6極電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min、8極電機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min，均與540 r/min有很大差距。如果要縮短這差距，一方面可繼續(xù)加大極對數(shù)，但電機(jī)定子內(nèi)徑得加大，制造難度加大，成本也會提高;另一方面，不少企業(yè)會額外增加一對三角帶輪來實(shí)現(xiàn)減速的目的，雖然可達(dá)到適配速度的效果，但同樣也會帶來制造難度加大、成本提高的問題。

那么有沒有一種方法，使提供的動(dòng)力輸出與PTO執(zhí)行機(jī)器（械）達(dá)到最佳的匹配效果呢？筆者通過相關(guān)試驗(yàn)、改進(jìn)，找到了一種行之有效的方法，就是采用本文介紹的極簡適配輸入動(dòng)力裝置。

4 采用“交流電機(jī)+原機(jī)器（械）逆?zhèn)鲃?dòng)的變速箱+萬向聯(lián)軸器”方式的極簡適配輸入動(dòng)力

這種方式的動(dòng)力傳遞路徑是：交流電機(jī)通過聯(lián)軸器將傳動(dòng)傳遞給原機(jī)器“逆?zhèn)鲃?dòng)”的變速箱，再通過萬向聯(lián)軸節(jié)傳遞給執(zhí)行機(jī)器的變速箱輸入軸。

交流電機(jī)功率及速度的選定基于原機(jī)器的額定參數(shù)。

首先，設(shè)定交流電機(jī)的功率。設(shè)定機(jī)器額定輸入功率為W，那么交流電機(jī)的輸出功率W′應(yīng)按下式計(jì)算：

式中，η1為聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率;η2為逆?zhèn)鲃?dòng)變速箱的傳動(dòng)效率;η3為萬向聯(lián)軸節(jié)的傳動(dòng)效率;η4為原機(jī)器變速箱的傳動(dòng)效率。

在公式中，我們可以視η2≈η4，綜合η1×η2×η3×η4數(shù)值約為0.92～0.95，也就是說，我們在設(shè)定交流電機(jī)功率時(shí)，只要把功率損失補(bǔ)償算上即可。如機(jī)器額定輸入功率為6.0 kW，交流電機(jī)輸出功率W′只要按W′×（0.92～0.95）=6.0 kW計(jì)算即可，圓整取最大值W′≈6.5 kW。

然后，確定交流電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于此適配動(dòng)力輸入裝置采用了原機(jī)器的“逆?zhèn)鲃?dòng)”變速箱，因此它的傳動(dòng)比i1與機(jī)器正常變速箱傳動(dòng)比i2正好互為倒數(shù)，i1×i2=1，也就是說，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與機(jī)器的額定轉(zhuǎn)速是一致的。如果機(jī)器的額定轉(zhuǎn)速是1 450 r/min，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速也是1 450 r/min。如果交流電機(jī)用工頻電源，電機(jī)直接選用6.5 kW、三相四極交流電機(jī)即可。

最后，新制作“逆?zhèn)鲃?dòng)”變速箱（以下簡稱逆變速箱）。此逆變速箱的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)件的尺寸與原機(jī)器一致，只不過原變速箱輸入軸變成逆變速箱輸出軸，原變速箱輸出軸變成逆變速箱輸入軸。逆變速箱結(jié)構(gòu)無論是兩軸平行的圓柱齒輪傳動(dòng)，還是兩軸互相垂直的傘齒輪傳動(dòng)，輸出軸直接采用原變速箱的輸入軸，而輸入軸則要加長，以便與交流電機(jī)的偶合聯(lián)軸器相配，但是該逆變速箱輸入軸上的齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸向位置等均不變。當(dāng)然，該逆變速箱輸入軸加長端的軸承端蓋的結(jié)構(gòu)要做改動(dòng)，原無孔軸承端蓋要加工成中孔，并配以骨架油封，以防潤滑油漏出，具體結(jié)構(gòu)這里不再贅述。如果將這種新的動(dòng)力輸入裝置共同集成于一個(gè)可移動(dòng)的托盤或平臺上，用手推車或液壓叉車可以移動(dòng)，生產(chǎn)企業(yè)在調(diào)試大型的PTO執(zhí)行機(jī)器（械）時(shí)，可把動(dòng)力輸入裝置就近移到機(jī)器附近，極大地方便了工人的操作。

綜上，這種“交流電機(jī)+逆變速箱+萬向聯(lián)軸器”的動(dòng)力輸入方式，使功率、轉(zhuǎn)速及效能的匹配達(dá)到了最佳效果，既簡化了配置，又方便了操作。

圖2是筆者制作的一臺“交流電機(jī)+逆變速箱+萬向聯(lián)軸器”動(dòng)力輸入裝置。

5 結(jié)語

拖拉機(jī)后置動(dòng)力執(zhí)行機(jī)器（械）在檢調(diào)時(shí)所采用的動(dòng)力輸出方式，不同的生產(chǎn)制造企業(yè)各有差異，本文闡述的幾種方式各有優(yōu)勢和不足，相對而言，“交流異步電動(dòng)機(jī)+逆變速箱+萬向聯(lián)軸器”的動(dòng)力輸入方式，既簡化了配置，又方便了操作，使功率、轉(zhuǎn)速及效能的匹配能達(dá)到了最佳效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)后置動(dòng)力輸出軸1、2和3型 第1部分：通用要求、安全要求、防護(hù)罩尺寸和空隙范圍：GB/T 1592.1—2008/ISO 500-1：2004[S].

[2] 孫建忠，劉鳳春.電機(jī)與拖動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：周庚池（1967—），男，江蘇高郵人，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝。