顧文威 崔小冬 韓晨 李路遠(yuǎn)

農(nóng)業(yè)機(jī)械的動力系統(tǒng)主要由動力源和變速器組成。農(nóng)業(yè)機(jī)械的動力一般由電動機(jī)、發(fā)動機(jī)等動力輸出機(jī)構(gòu)提供，動力輸出機(jī)構(gòu)在變速器的作用下輸出合適的作業(yè)扭矩和轉(zhuǎn)速［1］。

1 動力源

動力源主要是指將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而帶動機(jī)械裝備進(jìn)行規(guī)定動作的部件。在農(nóng)業(yè)機(jī)械中，常見的動力源有電動機(jī)和發(fā)動機(jī)兩大類。

1.1 電動機(jī)

電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各類中小型裝備。按使用電能類型的不同，電機(jī)可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。電動機(jī)易于實現(xiàn)自動化控制，因此常用于自動控制要求高的智能農(nóng)機(jī)裝備，如遙控自走式植保機(jī)、無人植保飛機(jī)等。

1.1.1 直流電機(jī)

直流電機(jī)一般通過便攜式蓄電池提供電能。受蓄電池容量所限，直流電機(jī)所能提供的功率較小，一般應(yīng)用于動力需求小、體積小且移動作業(yè)的裝備，如電動噴霧器、電動枝條修剪機(jī)等。

1.1.2 交流電機(jī)

應(yīng)用交流電機(jī)的農(nóng)機(jī)裝備需要接通三相電源，一般需要固定作業(yè)。根據(jù)電機(jī)額定功率大小，選配合適的變速器，可實現(xiàn)較大范圍的輸出扭矩。交流電機(jī)常應(yīng)用于育秧播種流水線、稱重分揀流水線和農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等裝備。

1.2 發(fā)動機(jī)

發(fā)動機(jī)是各類燃油車輛、農(nóng)業(yè)機(jī)械及工程機(jī)械中將介質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)構(gòu)，它能提供的動力范圍廣，動力輸出穩(wěn)定，在各類農(nóng)機(jī)裝備中應(yīng)用十分廣泛。按照燃燒介質(zhì)不同，發(fā)動機(jī)一般分為汽油型、柴油型等。

1.2.1 汽油型發(fā)動機(jī)

汽油型發(fā)動機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、重量輕、噪聲小、易啟動、維修成本低等優(yōu)點，但由于油價高，燃油消耗大，經(jīng)濟(jì)性較差，一般應(yīng)用于轎車、輕型貨車等舒適性要求較高的車輛或低功率的農(nóng)機(jī)裝備。插秧機(jī)是應(yīng)用汽油發(fā)動機(jī)的代表性農(nóng)業(yè)機(jī)械。

1.2.2 柴油發(fā)動機(jī)

柴油發(fā)動機(jī)動力足，多用于重載機(jī)械。使用柴油發(fā)動機(jī)的代表性的農(nóng)業(yè)機(jī)械有拖拉機(jī)和收割機(jī)等。柴油的特性是粘度大、不易蒸發(fā)、自燃溫度低。柴油發(fā)動機(jī)點火時，發(fā)動機(jī)氣缸中吸入的是純空氣，待活塞壓縮進(jìn)程接近上止點時才由噴油器將柴油以霧狀噴入，由缸內(nèi)的高溫引起柴油自燃，因此，柴油發(fā)動機(jī)屬于壓燃式發(fā)動機(jī)，易出現(xiàn)冬季低溫難啟動的情況。為了使靜止的發(fā)動機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，必須有外力轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī)曲軸使活塞開始上下運動，然后才能依次進(jìn)入后續(xù)的工作循環(huán)并點火啟動。最早的小型拖拉機(jī)是通過人力轉(zhuǎn)動搖桿啟動發(fā)動機(jī)，目前幾乎所有的汽車、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)動機(jī)都配置了電起動系統(tǒng)，即通過蓄電池給啟動電機(jī)通電，從而帶動發(fā)動機(jī)啟動。

2 變速器

變速器是將發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速變?yōu)楣ぷ魉枰霓D(zhuǎn)速的一種裝置，分為有級變速和無級變速兩類。

2.1 有級變速器

農(nóng)業(yè)機(jī)械最常用的是有級齒輪式變速器。有級齒輪式變速器通過多對大小不同的齒輪變換嚙合改變傳動比，從而實現(xiàn)變速。變換一對嚙合齒輪的過程稱為換擋。為了形成復(fù)雜的多擋變速系統(tǒng)，還可以采用主、副兩個變速器串聯(lián)的方式，例如：一臺拖拉機(jī)的主變速器有4 個擋位，副變速器有4 個擋位，則可以實現(xiàn)16 擋變速。齒輪變速器按照操縱換擋的類型可分為機(jī)械換擋變速器和動力換擋變速器。

2.1.1 機(jī)械換擋變速器

通過機(jī)械傳動將齒比不同的齒輪組變換嚙合可以改變轉(zhuǎn)速［2］。轉(zhuǎn)速比與齒數(shù)比成反比。當(dāng)動力由大齒輪軸傳遞到小齒輪軸時，小齒輪軸的轉(zhuǎn)速變快,輸出轉(zhuǎn)矩減少；反之，則齒輪軸轉(zhuǎn)速變慢，輸出轉(zhuǎn)矩增大。機(jī)械換擋變速前需踩下離合器，斷開變速箱的動力輸入。

2.1.2 動力換擋變速器

動力換擋是一種換擋時發(fā)動機(jī)的動力無需斷開的技術(shù)［3］。動力換擋分兩種：半動力換擋和全動力換擋。

1）半動力換擋變速器。半動力換擋變速器一般由主、副兩個變速器組合而成。主變速箱為常規(guī)的機(jī)械換擋變速箱，副變速箱可通過電磁閥控制液壓油的通斷，進(jìn)而控制濕式換擋離合片的分離與結(jié)合，從而實現(xiàn)不切斷動力換擋。即：副變速箱實現(xiàn)了區(qū)域自動換擋，但主變速箱擋位之間的切換仍需配合腳踩離合器踏板。目前市場上國產(chǎn)機(jī)型多采用兩擋動力換擋變速箱和機(jī)械換擋變速箱串聯(lián)組成的半動力換擋。

2）全動力換擋變速箱。全動力換擋變速箱大多采用行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)不停車、不踩離合的動力換擋，駕駛者僅需操縱換擋按鈕即可實現(xiàn)降擋增扭或提擋增速。采用全動力換擋的機(jī)械可以帶著負(fù)載一邊作業(yè)，一邊以極高的效率切換擋位，地頭轉(zhuǎn)彎換向也十分方便，具有很好的燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛舒適性。

全動力換擋需要借助液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)來實現(xiàn)，因此研發(fā)難度很大，生產(chǎn)成本也很高，目前在約翰迪爾、凱斯、紐荷蘭等世界一流品牌的大型農(nóng)機(jī)裝備上應(yīng)用較多。

2.2 無級變速器

農(nóng)業(yè)機(jī)械與普通汽車的工況完全不同，汽車的無級變速常采用CVT 無級變速器，而農(nóng)業(yè)機(jī)械工況惡劣，應(yīng)用最多的是HST 靜液壓無級變速器或HST+機(jī)械變速的組合變速器。

2.2.1 HST 靜液壓無級變速器

HST 靜液壓無級變速器由變量泵和液壓馬達(dá)組成，工作時通過改變泵的排量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中液壓油的流量，實現(xiàn)液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速。

2.2.2 HST 變速器

HST 變速器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，小型輕量，驅(qū)動靈活，但傳動效率與齒輪傳動相比較低，重載或爬行工況下的動力損失大且發(fā)熱較明顯，一般應(yīng)用于中低功率、靈活性要求高的農(nóng)機(jī)裝備（如乘坐式插秧機(jī)、蔬菜移栽機(jī)等），或者應(yīng)用于底盤結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、需要節(jié)約底盤空間的農(nóng)機(jī)裝備（如履帶式拖拉機(jī)和收割機(jī)等）。