王禹， 王玲， 宗建華， 呂東曉， 王書茂

（中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083）

拖拉機作為農(nóng)業(yè)裝備的核心，其技術(shù)發(fā)展水平體現(xiàn)了國家農(nóng)業(yè)機械化程度和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平［1-2］。近年來，農(nóng)機產(chǎn)品制造質(zhì)量與作業(yè)性能參差不齊，在很大程度上制約了我國農(nóng)機技術(shù)水平的提高。為此，國家與農(nóng)機行業(yè)出臺標準與措施規(guī)范農(nóng)機檢測與試驗［3］。

拖拉機性能評價指標與試驗方法主要針對以下4個方面：拖拉機牽引功率試驗［4-5］、拖拉機動力輸出性能試驗［6-8］、后置三點懸掛提升能力試驗以及拖拉機可靠性測試［9-12］。為實現(xiàn)拖拉機性能檢測，需要研制相對應(yīng)的加載試驗臺，如動力輸出軸加載試驗臺、發(fā)動機臺架、轉(zhuǎn)鼓試驗臺以及液壓加載試驗臺。但上述類型的加載試驗臺大都存在功能單一、占地面積大、成本高、檢測與控制自動化程度低、試驗時間長等不足［13-15］。不僅如此，在當前拖拉機性能試驗中，大多以靜態(tài)載荷或靜態(tài)分級載荷的形式對拖拉機各項性能進行加載測試，這種加載方法輸出的載荷特性與拖拉機在田間作業(yè)時所承受的載荷不盡相同［16］，導(dǎo)致性能檢測結(jié)果與實際使用情況存在差異。若采用田間試驗，由于拖拉機作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、載荷隨機性強，不僅加載精度無法保證，而且費時費力、效率不高。因此，開發(fā)一種綜合性、可移動、低成本且能夠模擬田間作業(yè)載荷的拖拉機性能檢測試驗臺具有積極的現(xiàn)實意義。為此，本文提出了一種適用于中小型拖拉機的動態(tài)載荷加載平臺，為拖拉機性能及可靠性試驗提供解決方案。

1 材料與方法

1.1 總體方案設(shè)計

拖拉機動態(tài)載荷加載平臺總體功能設(shè)計如圖1所示。其中，功能1～4為國家標準所規(guī)定的拖拉機相關(guān)基礎(chǔ)試驗，功能5和6是基于基礎(chǔ)試驗所設(shè)計的復(fù)合加載試驗，功能7～9作為擴展試驗可進一步對拖拉機相關(guān)性能參數(shù)進行驗證與測試。所有功能既相互獨立又緊密聯(lián)系，試驗方案與流程相輔相成。

圖1 拖拉機動態(tài)載荷加載平臺功能Fig.1 Function of dynamic loading bench for tractor

加載平臺功能設(shè)計總體方案如圖2所示，主要包括三點懸掛加載系統(tǒng)、動力輸出軸（power take off，PTO）加載系統(tǒng)以及牽引加載系統(tǒng)3個部分，分別用來實現(xiàn)拖拉機牽引性能加載測試、動力輸出軸性能加載測試以及懸掛性能加載測試。在測控系統(tǒng)設(shè)計方面，基于NI-FPGA模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)信號與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)加載參數(shù)的自動化檢測與控制，基于LabVIEW開發(fā)無線上位機軟件平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與人機交互。

圖2 拖拉機動態(tài)載荷加載平臺總體方案Fig.2 Overall scheme of dynamic loading bench for tractor

1.2 加載系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

拖拉機動態(tài)載荷加載平臺3個部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 加載平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Inner structure of loading bench

1.2.1 三點懸掛加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 三點懸掛加載系統(tǒng)用來實現(xiàn)拖拉機懸掛系統(tǒng)相關(guān)試驗，主要包括提升力加載油缸、懸掛提升框架、定滑輪機構(gòu)、鋼絲繩、各傳感器以及液壓泵站（圖3），其原理如圖4所示。拖拉機三點懸掛系統(tǒng)通過懸掛提升框架與提升加載油缸連接；提升加載油缸采用橫臥式安裝在加載平臺底盤中央位置，通過定滑輪改變加載方向，該結(jié)構(gòu)可適應(yīng)拖拉機的提升行程范圍，并免除挖鑿地坑的麻煩；采用模糊PID控制對電液伺服比例溢流閥與電液比例換向閥實時控制，實現(xiàn)液壓加載控制；提升行程通過位移傳感器來檢測并反饋到控制系統(tǒng)。

圖4 三點懸掛加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理Fig.4 Structure and principle of the three-point hitch loading system

1.2.2 PTO加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 PTO加載系統(tǒng)主要用來完成拖拉機動力輸出軸相關(guān)試驗，由電渦流測功機、轉(zhuǎn)矩傳感器以及端面齒萬向節(jié)聯(lián)軸器組成（圖3）。加載平臺采用2臺電渦流測功機串聯(lián)的形式來實現(xiàn)PTO轉(zhuǎn)矩加載，最大轉(zhuǎn)矩加載范圍為3 000 N·m；端面齒萬向節(jié)聯(lián)軸器用來保證在傳遞轉(zhuǎn)矩的同時降低緩速器的徑向竄動，并縮短安裝距離；轉(zhuǎn)矩傳感器用來檢測實時加載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大小，反饋到控制系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩動態(tài)控制；采用CAN總線通訊實現(xiàn)測功機狀態(tài)的控制與監(jiān)測。

1.2.3 牽引加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 牽引加載系統(tǒng)主要用來模擬拖拉機作業(yè)時受到的地面動態(tài)阻力，實現(xiàn)對拖拉機牽引負荷的加載，由地輪輪轂、傳動鏈輪、氣動盤式剎車器、電氣比例閥、氣泵及通氣閥組成（圖3），其結(jié)構(gòu)和原理如圖5所示。加載平臺牽引負荷主要通過輪胎制動實現(xiàn)：地輪輪轂通過鏈輪與傳動轉(zhuǎn)軸連接，當傳動轉(zhuǎn)軸制動時，傳動轉(zhuǎn)軸上的制動轉(zhuǎn)矩通過該機構(gòu)傳遞到地輪，地輪即產(chǎn)生制動力；傳動轉(zhuǎn)軸上固定有4組氣動盤式剎車器，通過電氣比例閥控制輸入到剎車器的氣壓大小實現(xiàn)剎車器壓緊力控制，進而控制傳動轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩；為了保證牽引加載時轉(zhuǎn)軸受力平衡，采用通氣閥來保證其輸入氣壓一致；牽引力通過傳感器反饋到控制器，最終實現(xiàn)牽引力的動態(tài)控制。

圖5 牽引結(jié)構(gòu)和加載原理Fig.5 Structure and principle of traction loading

1.3 加載平臺測控系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)加載平臺的功能設(shè)計及測控要求，基于NI-FPGA模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)加載平臺的測控系統(tǒng)。加載平臺測控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及無線上位機軟件平臺；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制器采用NI-CompactRIO嵌入式系統(tǒng)，F(xiàn)PGA板卡采用NI-9381、NI-9361、NI-9853，能夠?qū)崿F(xiàn)16路模擬量輸入輸出、8路數(shù)字量輸入輸出、8路頻率量輸入以及CAN總線通訊。無線上位機軟件平臺基于LabVIEW開發(fā)，結(jié)合加載平臺功能開發(fā)對應(yīng)的自動化控制程序，實現(xiàn)對加載平臺的實時監(jiān)測與加載控制。測控軟件平臺的主要功能分為3部分：①數(shù)據(jù)顯示與處理功能，實現(xiàn)對加載參數(shù)的顯示、儲存與分析；②動態(tài)加載控制功能，按照實際加載要求實現(xiàn)對各系統(tǒng)的動態(tài)控制；③調(diào)試功能，設(shè)置試驗參數(shù)及標定傳感器。

1.4 加載平臺性能驗證試驗設(shè)計

1.4.1 試驗方案設(shè)計 以拖拉機PTO加載系統(tǒng)為例，對加載平臺性能進行驗證。PTO加載控制系統(tǒng)采用PID控制器，其原理如圖6所示，上位機平臺根據(jù)目標轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩傳感器采集到的轉(zhuǎn)矩計算差值，輸入到PID控制器，輸出對應(yīng)的控制信號，經(jīng)信號放大模塊輸出到電渦流測功機實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。在PTO加載系統(tǒng)研制完成后，利用MATLAB對其動態(tài)響應(yīng)特性進行仿真分析，確定PID控制參數(shù)。

圖6 PTO轉(zhuǎn)矩控制原理Fig.6 Loading principle of PTO torque

加載試驗采用50馬力（36.75 kW）三相電機（YVP-225S-8，六安益升電機有限公司）模擬拖拉機PTO，對試驗臺加載性能進行驗證。試驗時，通過萬向節(jié)聯(lián)軸器連接試驗臺與電機，設(shè)置電機轉(zhuǎn)速為540 r·min?1。加載方案分為靜態(tài)加載試驗、正弦加載試驗以及載荷譜加載試驗。

1.4.2 靜態(tài)加載試驗設(shè)計 靜態(tài)加載試驗采用靜態(tài)逐級加載的方式，利用加載平臺實現(xiàn)自動加載控制以驗證加載準確性。所采用的50馬力（36.75 kW）三相電機額定轉(zhuǎn)矩約為350 N·m，在靜態(tài)加載試驗中，按照其最大轉(zhuǎn)矩設(shè)置8個等級，分別為12.5%、25.0%、37.5%、50.0%、62.5%、75.0%、87.5%、100.0%，對應(yīng)加載轉(zhuǎn)矩分別為43.75、87.50、131.24、175.00、218.75、262.50、306.25和350 N·m；每級加載時間為8 s。

1.4.3 正弦加載試驗設(shè)計 采用正弦信號作為目標輸入信號，測試正弦加載平臺對動態(tài)信號的跟隨效果。正弦信號周期為8 s，幅值為175 N·m，整體偏移量為+175 N·m，相位偏移為0。

1.4.4 載荷譜加載試驗設(shè)計 采用基于超閾值模型的時域外推方法［17-18］編制TS404型號拖拉機旋耕作業(yè)時的PTO轉(zhuǎn)矩載荷數(shù)據(jù)，得到轉(zhuǎn)矩動態(tài)載荷譜，以此為目標信號輸入到PTO加載平臺進行測試，載荷譜加載頻率與采樣頻率均為20 Hz。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)加載試驗結(jié)果分析

靜態(tài)加載試驗結(jié)果如圖7所示，可以看出，PTO加載試驗臺轉(zhuǎn)矩加載過程中存在控制死區(qū)，其轉(zhuǎn)矩死區(qū)范圍約為［0 N·m，23.2 N·m］，該死區(qū)是在萬向節(jié)聯(lián)軸器連接時由于高度差帶來的轉(zhuǎn)動不平順引起的轉(zhuǎn)矩誤差。在加載過程中，PTO加載系統(tǒng)響應(yīng)最大延時約為0.4 s，1.2 s后達到穩(wěn)定，最大超調(diào)量為0.31%，最大穩(wěn)態(tài)誤差為0.33%；加載過程中，實際加載曲線與目標曲線的相關(guān)系數(shù)為0.995 1，擬合優(yōu)度為13.45 N·m，可滿足拖拉機PTO靜態(tài)加載測試要求。

圖7 靜態(tài)逐級加載試驗結(jié)果Fig.7 Result of static step loading test

2.2 正弦動態(tài)加載試驗結(jié)果分析

從圖8可以看出，控制死區(qū)依舊存在，在正弦信號［0 N·m，23.2 N·m］區(qū)間內(nèi)，加載轉(zhuǎn)矩無法跟隨。在加載過程中，系統(tǒng)最大響應(yīng)延遲為0.4 s，無超調(diào)量，最大誤差為4.57%；加載過程中，實際加載曲線與目標曲線的相關(guān)系數(shù)為0.998 3，擬合優(yōu)度為41.59 N·m，表明加載平臺基本還原了目標信號，實現(xiàn)了正弦信號的跟隨，其響應(yīng)特性能夠滿足拖拉機動態(tài)加載測試。

圖8 正弦動態(tài)加載試驗結(jié)果Fig.8 Result of sine dynamic loading test

2.3 載荷譜加載試驗結(jié)果分析

前200 s載荷譜加載試驗結(jié)果如圖9所示。系統(tǒng)最大延時為0.8 s，最大超調(diào)量為9.81%，最大誤差為4.78%。在載荷譜加載區(qū)間內(nèi)，加載系統(tǒng)實際加載轉(zhuǎn)矩與載荷譜轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.997 0，擬合優(yōu)度為18.94 N·m。結(jié)果表明，PTO加載系統(tǒng)能夠準確地模擬實際作業(yè)載荷譜，完整地還原了PTO轉(zhuǎn)矩載荷時間歷程，可以用于PTO載荷譜加載試驗。

圖9 載荷譜加載試驗結(jié)果Fig.9 Result of load spectrum loading test

3 討論

目前，拖拉機性能檢測試驗臺主要有室內(nèi)固定試驗臺和移動負荷車。針對室內(nèi)固定試驗臺結(jié)構(gòu)龐大、成本高、移動負荷車功能單一等問題，本研究設(shè)計了一種適用于中小型拖拉機的移動式多功能拖拉機動態(tài)載荷加載平臺，作為固定試驗臺在對拖拉機動力輸出系統(tǒng)及懸掛系統(tǒng)加載的同時，實現(xiàn)對拖拉機牽引負荷加載試驗；加載平臺集成度高、可靠性強，可有效提升中小型拖拉機性能試驗的自動化程度。

在設(shè)計過程中，基于一機多用思想對拖拉機動態(tài)載荷加載平臺的加載功能進行設(shè)計，可實現(xiàn)拖拉機牽引性能、動力輸出性能以及三點懸掛性能相關(guān)試驗?；诟黜椆δ荛_發(fā)拖拉機動態(tài)載荷加載平臺軟硬件系統(tǒng)，整體可以分為三點懸掛加載系統(tǒng)、PTO加載系統(tǒng)、拖拉機牽引加載系統(tǒng)及測控系統(tǒng)，能夠為拖拉機綜合性檢測提供解決方案。拖拉機動態(tài)載荷譜加載平臺的主要特點是可根據(jù)田間作業(yè)載荷實現(xiàn)載荷譜動態(tài)加載，從而在室內(nèi)模擬田間作業(yè)工況對拖拉機各項性能進行測試，提高檢測效率。

以PTO加載試驗為例，分別采用靜態(tài)逐級加載、正弦信號加載以及載荷譜加載試驗對加載控制效果進行了驗證。PTO加載系統(tǒng)采用PID控制器，靜態(tài)逐級加載與正弦信號加載試驗表明，PTO加載系統(tǒng)的響應(yīng)時間、控制精度、系統(tǒng)超調(diào)量可以滿足實際加載需要；在載荷譜加載試驗中，以TS404旋耕作業(yè)時編制得到的載荷譜作為加載信號。試驗結(jié)果表明，PTO加載系統(tǒng)能夠自動實現(xiàn)動靜態(tài)加載，可以完整還原PTO轉(zhuǎn)矩載荷的時間歷程，實現(xiàn)載荷譜加載和試驗，但同時PTO系統(tǒng)動態(tài)加載控制效果還有更進一步提升的可能，后續(xù)研究過程中需采用多種控制算法進行優(yōu)化和對比，從而提升其響應(yīng)時間和精度。