水旱兩用拖拉機液壓機械無級變速器的研究

王 璠，寧志英

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206；2.寶通街小學(xué)，山東 濰坊 261206）

1 引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，大功率拖拉機效率高、速度快，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展不可替代的農(nóng)業(yè)機械，然而國內(nèi)市場近90%以上的大功率拖拉機被進(jìn)口或合資品牌占據(jù)，技術(shù)水平與歐美發(fā)達(dá)國家相比有近30年的差距，歐美等發(fā)達(dá)國家普遍采用增壓中冷技術(shù)和液壓機械無級傳動系統(tǒng)[1]，并且將全動力換檔變速器作為標(biāo)準(zhǔn)安裝，不僅改善了拖拉機的操作舒適性，也大大改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。國外已有較成熟的產(chǎn)品“S-Matic”[2-3]，歐美等發(fā)達(dá)國家也已廣泛采用液壓機械無級變速器。國內(nèi)拖拉機已采用增壓中冷技術(shù)，但傳動系統(tǒng)仍采用機械式變速器。對于大功率多檔位拖拉機，操作復(fù)雜易出錯，且燃油經(jīng)濟(jì)性也較差[4]。隨著能源短缺、環(huán)境惡化問題越來越突出，對于農(nóng)業(yè)大國來說，農(nóng)業(yè)機械的尾氣排放與燃油經(jīng)濟(jì)性關(guān)系到整個國家的能源與環(huán)境問題。因此，為了改進(jìn)國內(nèi)大功率拖拉機操作復(fù)雜、燃油經(jīng)濟(jì)性差的變速傳動問題，提出一種適合國內(nèi)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的液壓機械無級變速器方案，來改變現(xiàn)階段大功率拖拉機市場被進(jìn)口或合資品牌占據(jù)的現(xiàn)狀，提高技術(shù)水平。

2 實驗研究

為了了解國產(chǎn)大功率拖拉機變速器的實際應(yīng)用現(xiàn)狀，選擇某一國產(chǎn)品牌的水旱兩用大功率輪式拖拉機進(jìn)行田間作業(yè)工況試驗。試驗過程中標(biāo)定田間試驗環(huán)境[5]，排除影響試驗結(jié)果的外界因素。

2.1 試驗結(jié)果

對配備機械變速器的國產(chǎn)拖拉機進(jìn)行水旱田空跑、旋耕試驗。試驗中，根據(jù)經(jīng)驗駕駛員適時操縱變速器主、副變速桿，改變拖拉機作業(yè)速度。在水田中，作業(yè)環(huán)境惡劣，拖拉機受力情況復(fù)雜、牽引負(fù)荷大、附著性能差，拖拉機滑移率較大，驅(qū)動輪易滑移。因此，駕駛員要經(jīng)常換檔來滿足水田中作業(yè)的要求，如圖1所示。

圖1 拖拉機水田中旋耕Fig.1 The Rotary of Tractor in Paddy Field

試驗得出水、旱田空跑和旋耕過程中配備機械式變速器拖拉機的小時耗油量情況，如圖2所示。由圖2可知：變速器處于低速檔低速耕作時，田間空跑、耕作的小時耗油量近似相等，隨著速度增大，在水田中小時耗油量明顯大于旱田的耗油量，并且速度越高，差距越大。試驗結(jié)果表明，國產(chǎn)拖拉機變速器不僅操作復(fù)雜，且燃油經(jīng)濟(jì)性受駕駛員操作和工作環(huán)境的影響變化較大。若按工作一整年（90天）計算，在水田中空跑的耗油量就比旱田中多45L左右，而旋耕作業(yè)中可達(dá)55L左右。

圖2 拖拉機燃油經(jīng)濟(jì)性Fig.2 The Fuel Economy of Tractor

2.2 研究分析

在試驗中，假定行駛狀況、駕駛員操作情況和工作環(huán)境變化等條件相同，忽略其對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，則水田中多消耗的燃油可認(rèn)為是由傳動系的輸出速度大轉(zhuǎn)矩小而導(dǎo)致車輪滑移消耗的，且隨輸出速度的增大而增大。通過在水、旱田中作業(yè)試驗研究，可以得出由于機械式變速器的輸出調(diào)節(jié)不當(dāng)導(dǎo)致車輪滑移所消耗的燃油量，如圖3所示。

圖3 車輪滑移所消耗的燃油量Fig.3 The Fuel Consumption of Wheel Slip

由圖3可知：在水旱田旋耕中，由車輪滑移引起的小時耗油量隨著速度的增大而增大；速度小于3km/h時，車輪滑移耗油量僅隨速度變化；速度大于3km/h時，車輪滑移耗油量不僅隨速度的增大而增加，且在水田的增加量要大于旱田的增加量；行駛速度為5km/h時，水、旱田的耗油增加量達(dá)最大，且水田中增加量是旱田的兩倍。結(jié)果表明，國內(nèi)拖拉機的變速器主要通過主、副操縱桿來實現(xiàn)換檔，對于檔位較多的大功率拖拉機，操作復(fù)雜易出錯，且影響燃油經(jīng)濟(jì)性。拖拉機在復(fù)雜環(huán)境作業(yè)時，駕駛員要根據(jù)作業(yè)工況，不斷變換變速桿，來改變輸出速度和轉(zhuǎn)矩，車輪會由于輸出轉(zhuǎn)速高或者牽引力不足而出現(xiàn)不同程度的滑移，增加了燃油消耗，影響了燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，改變復(fù)雜的操作方式，使其能夠根據(jù)拖拉機的實際作業(yè)情況來自動調(diào)節(jié)輸出速度和轉(zhuǎn)矩，提高國內(nèi)大功率拖拉機變速器的技術(shù)水平，進(jìn)而增強在國內(nèi)拖拉機市場上的競爭力。

3 液壓機械無級變速器方案

通過試驗研究，拖拉機在邊行駛邊工作時不可避免會出現(xiàn)車輪滑移，因此要降低車輪滑移引起的耗油量，又不影響拖拉機動力輸出，就必須控制拖拉機的行駛速度和轉(zhuǎn)矩，保證其足夠的驅(qū)動力。在車輪滑移時，能夠使拖拉機自動降低行駛速度增大轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)作業(yè)實際情況來增大行駛速度。根據(jù)歐美發(fā)達(dá)國家拖拉機變速器的先進(jìn)技術(shù)和國內(nèi)對行走機械[6]以及液壓機械無級變速器的研究[7-8]，提出一種適合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的液壓機械無級變速傳動方案，如圖4所示。

圖4 液壓機械無級變速傳動方案Fig.4 The Scheme of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

圖中：i1～i9—齒輪副，K1、K2—行星排，C0、C1～C4—濕式離合器

由圖4可知，該方案依靠固定齒輪副實現(xiàn)分流后，一路為液壓功率流；另一路為機械功率流，再通過K1、K2雙行星排實現(xiàn)匯流，最后經(jīng)定軸齒輪傳動輸出。工作原理，如表1所示。

表1 液壓機械無級變速器傳動方案工作原理Tab.1 The Working Principle of the Transmission Scheme of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

當(dāng)只有純液壓H段工作時，C0結(jié)合工作，此時主要用于拖拉機的起步和水田作業(yè)及其低速作業(yè)工況；液壓機械HM1、HM2、HM3段工作時，C1、C2、C3分別結(jié)合工作，主要應(yīng)用于拖拉機較高速度作業(yè)及其運輸作業(yè)工況；倒檔段工作時，低速行駛時C0結(jié)合工作，較高速度行駛時C4結(jié)合工作，主要應(yīng)用于拖拉機改變作業(yè)行駛方向等情況下，一般不應(yīng)用于生產(chǎn)作業(yè)。

根據(jù)試驗的國產(chǎn)拖拉機匹配的發(fā)動機參數(shù)、拖拉機工作速度及其建立的傳動比理論模型，確定液壓機械無級變速器的參數(shù)，如表2所示。

表2 參數(shù)數(shù)值Tab.2 The Value of Parameter

4 仿真分析

4.1 建立模型

AMESim（AdvancedModelingEnvironmentforPerformingSimulations of Engineering Systems）是由法國IMAGINE公司推出的一種工程系統(tǒng)高級建模和仿真平臺軟件。首先利用AMESim基本元件庫，直接建立發(fā)動機實驗?zāi)Ｐ?、液壓系統(tǒng)模型、行星齒輪傳動模型、濕式離合器模型以及轉(zhuǎn)動慣量模型等模塊，然后建立液壓機械無級變速傳動系統(tǒng)的整體仿真模型，進(jìn)行仿真和深入分析[9-1 0]，仿真模型，如圖5所示。

圖5 液壓機械無級變速器整體傳動系統(tǒng)模型Fig.5 The Overall Transmission System Model of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

4.2 仿真分析

圖6 變速器無級調(diào)速特性曲線Fig.6 The Stepless Speed Regulation Characteristic Curve of the Transmission

根據(jù)建立的液壓機械無級變速系統(tǒng)的整體仿真模型進(jìn)行仿真實驗，假定發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速為2300r/min，負(fù)載為500 Nm，仿真時間為40s，合理分配泵的排量比e和各段時間t的數(shù)值。仿真得到輸出轉(zhuǎn)速隨時間的變化關(guān)系圖，如圖6所示。

由圖6可知：在整個仿真過程中，液壓機械無級變速器的輸出轉(zhuǎn)速和速度隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速及時間逐漸增大。在純液壓H段，拖拉機的輸出速度可達(dá)6km/h，在液壓機械段最高輸出速度可達(dá)53km/h；且在純液壓H段時，前半段時間輸出轉(zhuǎn)速為負(fù)值即純液壓段倒檔段，在后半段為正即起步或低速作業(yè)段；各段間速度變化率不同，從HM1到HM3區(qū)段基本是以等比例的方式增長，且在HM3區(qū)段主要用于道路運輸?shù)容^高速度工況，其變化率大，速度變化快；各段之間均有速度重合，能夠平穩(wěn)換段，滿足水旱兩用大功率拖拉機多工況下的作業(yè)要求。加載階躍負(fù)載來仿真研究其輸出響應(yīng)特性，在（1～2）s內(nèi)負(fù)載為 1000Nm，在（2～3）s時增加至 2000Nm，之后穩(wěn)定在2000Nm，仿真時間為5s。仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖7液壓機械無級變速箱仿真過程特征曲線Fig.7 The Characteristic Curve of Simulation Process of Hydraulic Machinery Continuously Variable Transmission

圖7 （d）中，階躍負(fù)載變化時，變速器整體傳動系統(tǒng)都隨之響應(yīng)變化。圖7（a）、圖7（b）中，轉(zhuǎn)矩變化曲線隨著階躍負(fù)載的變化而變化，在（2～3）s階躍負(fù)載迅速由1000Nm變化為2000Nm過程中，泵和馬達(dá)轉(zhuǎn)矩同時響應(yīng)變化增大轉(zhuǎn)矩，在（3～5）s負(fù)載穩(wěn)定在2000Nm，泵和馬達(dá)轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定。圖7（c）中，在（2～3）s階躍負(fù)載變化時，輸出軸速度平穩(wěn)變化，直到負(fù)載穩(wěn)定輸出速度趨于平穩(wěn)。

上述仿真實驗表明：設(shè)計的液壓機械無級變速器能夠滿足速度的連續(xù)無級變化，且各區(qū)段間均有重合速度能夠平穩(wěn)換段；在負(fù)載變化時，其輸出轉(zhuǎn)矩和速度隨之變化，使其滿足水旱兩用拖拉機在多工況下作業(yè)時邊行駛邊工作的要求。

5 結(jié)論

（1）國內(nèi)大功率拖拉機變速檔位設(shè)置多，操作復(fù)雜易出錯，影響燃油經(jīng)濟(jì)性。

（2）設(shè)計的液壓機械無級變速器前進(jìn)液壓H段轉(zhuǎn)速能夠從零轉(zhuǎn)速平穩(wěn)升高，實現(xiàn)拖拉機的起步和水田低速行駛及作業(yè)要求；各個區(qū)段之間均有重合速度，各區(qū)段之間能夠平穩(wěn)換段實現(xiàn)無級連續(xù)變速。且在負(fù)載變化的瞬時，變速器整體傳動系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩和速度也隨之變化，使其輸出狀態(tài)滿足拖拉機多工況下邊行駛邊工作的要求。

通過試驗、仿真，設(shè)計的水旱兩用大功率拖拉機液壓機械無級變速器，結(jié)合了機械傳動的高效率和液壓傳動的可控調(diào)速優(yōu)點，且采用純液壓H段起步、低速區(qū)段速度變化率低、高速區(qū)段速度變化率大，滿足了大功率拖拉機在農(nóng)田低速作業(yè)、公路較高速運輸中實現(xiàn)速度的連續(xù)平穩(wěn)變化，滿足水旱兩用大功率拖拉機的多工況作業(yè)要求。

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