○中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司 王偉譞 矯德余 于炳海

一重集團（黑龍江）農(nóng)業(yè)機械發(fā)展有限公司 崔馭萌 崔 健

2017年工信部六個方面推動農(nóng)機裝備轉(zhuǎn)型升級，農(nóng)業(yè)機械裝備作為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要手段，是實現(xiàn)資源有效利用、推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的不可或缺工具 。拖拉機作為我國農(nóng)機裝備中的主要動力，為支撐農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，提高土地產(chǎn)出率保證糧食安全作出了巨大貢獻。

傳動系統(tǒng)是拖拉機的重要組成部分，其功用是將發(fā)動機的扭矩擴大并傳遞到拖拉機、驅(qū)動輪和動力輸出裝置，實現(xiàn)拖拉機的前進、停車、后退、變速等功能，并驅(qū)動各種農(nóng)業(yè)機械用于農(nóng)業(yè)操作。傳動裝置的性能不但決定著農(nóng)用拖拉機的使用性能，而且可以從傳動裝置與發(fā)動機的共同工作中，反映出它的耗油量。通常由于擋位因素，可以使燃油消耗量相差15%—20%，但這對于使用燃氣輪機的農(nóng)用拖拉機影響要小一些。另外，傳動裝置的體積和重量對提高農(nóng)用拖拉機的總體性能也具有重要意義。本文介紹了拖拉機傳統(tǒng)的傳動方式，并分析其優(yōu)缺點。通過分析電傳動系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了一種適合大馬力拖拉機的電傳動系統(tǒng)，并對其系統(tǒng)組成、工作原理、軟硬件設計等進行詳細介紹，最后根據(jù)現(xiàn)場試驗情況分析驗證總結該系統(tǒng)的特點。

一、拖拉機傳動的種類

目前，拖拉機的傳動系統(tǒng)主要包括機械式傳動、液壓式傳動和電傳動。

1.機械式傳動系統(tǒng)。機械式傳動系統(tǒng)主要有手動變速傳動、電控機械式自動變速傳動、動力換擋變速傳動、無級變速傳動系統(tǒng)四種方式。

機械式傳動系統(tǒng)主要有行星式機械和固定軸式兩種傳動方式。傳動總效率在0.85—0.95。如果發(fā)動機扭矩儲備系數(shù)較小，換擋頻繁，操作難度大，機械式傳動系統(tǒng)將逐漸被市場所淘汰。

2.液壓式傳動系統(tǒng)。液壓傳動是源于工程流體力學的帕斯卡原理， 根據(jù)液面平衡、壓強相等原理，得出物體的質(zhì)量。液壓傳動是由液壓泵、液壓油、液壓缸、各種液壓閥、液壓馬達、管道和蓄能器和液壓油組成的液壓系統(tǒng)。

液壓式傳動系統(tǒng)主要有分置式、半分置式、整體式三種。液壓式傳動系統(tǒng)相比其他傳動系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

1）輸出功率大，容易獲得大力矩；

2）慣性小，啟動、制動迅速，運動平穩(wěn)；

3）能大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)力與轉(zhuǎn)矩，可達100到2000∶1；

4）簡化機器結構，減少零件數(shù)目；

5）易于實現(xiàn)遠距離操縱和自動控制。

其缺點：

1）由于油液具有可壓縮性和泄漏等原因，不具有嚴格傳動比；

2）不宜在很高或很低的溫度的條件下工作；

3）液壓效率低；

4）器件容易損壞，對器件要求較高。

3.電傳動系統(tǒng)。電傳動系統(tǒng)主要采用柴油機、牽引變流器、三相異步電動機、三相異步發(fā)電機組成。其中柴油機為動力源，牽引變流器由發(fā)電機側(cè)變流器、電動機側(cè)變流器和 DC/DC變流器組成。

電傳動的拖拉機相比傳統(tǒng)拖拉機的傳動方式，結構簡單，傳動效率較高、油耗和排放較低，降低了傳輸過程中的能量損失，故障率非常低，更適合于集中耕作過程。

二、電傳動拖拉機國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.國外研究現(xiàn)狀。19世紀80年代開始，西方國家開始對電傳動拖拉機進行深入研究。1912年，美國西門子研制出一種乘坐式拖拉機。1941年瑞典研制出一款多用途電動拖拉機，該拖拉機可以更換耕具，方便農(nóng)民使用。1949年，前蘇聯(lián)研制出37千瓦的電傳動拖拉機。這期間的拖拉機主要依靠電網(wǎng)進行工作，工作效率低。

由于20 世紀70 年代的能源危機，各國爭先研究電傳動拖拉機。美國GE公司研制出Elec - Trak系列電傳動拖拉機，其采用鉛酸蓄電池和永磁無刷電機作為動力源。

2017年，法國約翰迪爾公司研發(fā)了世界首款純電動拖拉機?？沙掷m(xù)作業(yè)4h，結構簡單，功率損失小。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀。我國拖拉機研究起步較晚。1965年，中國農(nóng)業(yè)化機械研究所采用靜液壓傳動技術研制了拖拉機。長安大學姚懷新教授對工程車輛液壓動力學和控制理論進行深入研究，為機械液壓傳動方面提供了理論依據(jù)。2007年，南京農(nóng)業(yè)大學的高輝松研發(fā)出六檔操作的電傳動拖拉機。2010年江蘇大學夏長高團隊對靜液壓傳動拖拉機的最佳經(jīng)濟性匹配和最佳動力性匹配等進行了研究。2017 年中國農(nóng)業(yè)大學陳燕呢研究小型電傳動拖拉機，開發(fā)以CAN總線通信網(wǎng)絡結構設計的控制器。目前，我國電動拖拉機進入了領域智能化的研究階段。

三、拖拉機電傳動系統(tǒng)設計

1.工作原理及網(wǎng)絡拓撲。首先，柴油機啟動，DCDC（電源模塊）升壓為牽引變流器供電。然后，發(fā)電機變流器起動，為異步發(fā)電機勵磁，使得其工作在制動模式。當母線電壓穩(wěn)定在DC910 V，DCDC變流器工作在降壓模式，為控制系統(tǒng)供電，同時為拖拉機上蓄電池充電。

拖拉機電傳動系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖如圖2。柴油機和司機室駕駛室的顯示屏通過CAN接口實現(xiàn)通信，通過以太網(wǎng)接口與數(shù)據(jù)記錄儀實現(xiàn)通信。機械系統(tǒng)和柴油機控制器通過總線控制器實現(xiàn)內(nèi)部通信。

圖1 拖拉機電傳動系統(tǒng)原理圖

圖2 拖拉機電傳動系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

2.硬件設計。拖拉機電傳動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)發(fā)電機和電動機控制功能、柴油機轉(zhuǎn)速，邏輯控制、建立電傳動系統(tǒng)與拖拉機網(wǎng)絡通信。

拖拉機傳動控制單元主要由CPU板和信號板組成。CPU板負責算法和通信，信號板負責數(shù)據(jù)采集及處理功能。CPU板卡采用ARM+DSP+FPGA的運算控制架構。其中CPU板卡性能參數(shù)如表1。

表1 CPU板卡性能參數(shù)

ARM控制器負責實現(xiàn)整車網(wǎng)絡通信、邏輯判斷保護、柴油機控制和燃油效率優(yōu)化策略。

FPGA完成數(shù)據(jù)預處理功能，其中包括發(fā)電機和電動機轉(zhuǎn)速信號讀取和計算、逆變器和發(fā)電機電動機過流、過壓和過溫硬件保護功能。

DSP控制器對電傳動系統(tǒng)的數(shù)字信號進行處理，可實現(xiàn)發(fā)電機和電動機矢量控制算法。

在FPGA+DSP+ARM的高端架構處理平臺上，通過并行總線通信，實現(xiàn)電傳動系統(tǒng)的邏輯控制、網(wǎng)絡通信等功能。

3.軟件設計。為顯示拖拉機的各方面性能參數(shù)，本文研發(fā)了專用拖拉機的顯示屏軟件。本軟件采用Codesys為開發(fā)平臺，該平臺支持IL 、ST、 FBD 、LD、 CFC、 SFC 六種PLC編程語言，是一種功能強大的PLC軟件編程工具，可對項目進行設計、調(diào)試、編譯PLC程序。

拖拉機顯示屏軟件可顯示拖拉機所有電氣設備和柴油機的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)需求開發(fā)了6個界面，其中包括主要參數(shù)顯示界面、電動機數(shù)據(jù)參數(shù)界面、發(fā)電機數(shù)據(jù)參數(shù)界面、柴油機數(shù)據(jù)狀態(tài)界面、柴油機故障診斷界面、用戶系統(tǒng)參數(shù)設定界面。

目前開發(fā)的程序可以實現(xiàn)中英俄三國語言切換，方便用戶使用。

本系統(tǒng)還為拖拉機配備了專用的數(shù)據(jù)記錄裝置，可對發(fā)電機、柴油機等性能參數(shù)進行記錄，方便用戶進行故障查詢及追溯。

四、結束語

本文首先對拖拉機目前市場狀態(tài)進行簡要說明。然后提出了350馬力拖拉機電傳動系統(tǒng)，并對其設計結構進行了詳細分析說明。主要針對其網(wǎng)絡拓撲、硬件設計、軟件設計三個方面。

本文設計的350馬力拖拉機電傳動系統(tǒng)，節(jié)省燃油、符合“十四五”節(jié)能減排目標，符合實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標。該電傳動系統(tǒng)提高了拖拉機行走和驅(qū)動農(nóng)機具的靈活性，節(jié)約了生產(chǎn)成本，適用于大規(guī)模農(nóng)田的耕作，提高了農(nóng)民工作效率。