向承翔

(重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404155)

0 引言

作為一種常用的動(dòng)力機(jī)械，農(nóng)用拖拉機(jī)在田間作業(yè)和運(yùn)輸作業(yè)領(lǐng)域得到廣泛而有效的應(yīng)用，其主要功能是實(shí)現(xiàn)牽引和驅(qū)動(dòng)各種農(nóng)業(yè)機(jī)械完成工作。圖1為農(nóng)用拖拉機(jī)進(jìn)行牽引作業(yè)的過(guò)程簡(jiǎn)圖。由圖1可知：在發(fā)動(dòng)機(jī)提供源動(dòng)力的基礎(chǔ)上，四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)牽引力的傳遞帶動(dòng)附加機(jī)具跟隨運(yùn)動(dòng)。隨著國(guó)內(nèi)外智能化技術(shù)的應(yīng)用，當(dāng)前的農(nóng)用拖拉機(jī)多數(shù)可匹配95%以上的配套農(nóng)業(yè)機(jī)具，專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)者從拖拉機(jī)的液壓傳動(dòng)、電氣控制等方面均做出不同程度的研究與完善，有的學(xué)者利用先進(jìn)的電子控制技術(shù)對(duì)液壓懸掛、耕作場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)字仿真，以達(dá)到深入掌握農(nóng)用拖拉機(jī)牽引系統(tǒng)的工作機(jī)理和核心動(dòng)態(tài)特性的目的。拖拉機(jī)牽引裝置性能的好壞直接決定配套機(jī)具的作業(yè)效率，筆者就農(nóng)用拖拉機(jī)的牽引裝置智能化改進(jìn)展開(kāi)論述。

1 組件構(gòu)成及特點(diǎn)

常見(jiàn)的農(nóng)用拖拉機(jī)主要工作裝置包括動(dòng)力輸出裝置、牽引裝置、液壓懸掛裝置及底盤等，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。工作過(guò)程：動(dòng)力輸出裝置將發(fā)動(dòng)機(jī)功率以旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的方式傳遞到農(nóng)機(jī)具上，動(dòng)力的傳輸主要依靠輸出軸和輸出皮帶輪；懸掛裝置通常采用三點(diǎn)懸掛，包括1根上拉桿、2根下拉桿，在連接牽引裝置與待懸掛機(jī)具的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)耕深的目的。液壓系統(tǒng)主要包括液壓提升器(液壓缸)、控制閥、液壓附件及管路，通過(guò)提供連續(xù)的電液控制，提供給農(nóng)用拖拉機(jī)充足的配套動(dòng)力。

圖1 農(nóng)用拖拉機(jī)牽引作業(yè)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic drawing of tractor operation of the agricultural tractor表1 農(nóng)用拖拉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameter design of the agricultural tractor

序號(hào)農(nóng)用拖拉機(jī)主要組成部件參數(shù)名稱參數(shù)值1發(fā)動(dòng)機(jī)裝置額定功率/kW36額定轉(zhuǎn)速/r·min-115002發(fā)電機(jī)裝置額定功率/kW32額定轉(zhuǎn)速/ r·min-115003減速裝置減速比194鋰電池組額定電壓/V220額定容量/Ah120個(gè)數(shù)68

2 牽引裝置改進(jìn)

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

各硬件組成與優(yōu)化組合會(huì)大幅度提升整機(jī)工作效率，根據(jù)農(nóng)用拖拉機(jī)的行駛速度和驅(qū)動(dòng)輪受到滑轉(zhuǎn)率的因素影響，得出農(nóng)用拖拉機(jī)的牽引力模型為

(1)

φ=φmax[1-exp(-δ/δ0)]

(2)

(3)

式中v—農(nóng)用拖拉機(jī)行進(jìn)速度(km/h)；

rd—農(nóng)用拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪半徑(m)；

ne—農(nóng)用拖拉機(jī)動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)速(r/min)；

ig—農(nóng)用拖拉機(jī)變速裝置傳動(dòng)比；

i0—農(nóng)用拖拉機(jī)減速裝置主傳動(dòng)比；

ηδ—農(nóng)用拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)效率；

ηc—農(nóng)用拖拉機(jī)傳動(dòng)裝置效率；

φ—農(nóng)用拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)力系數(shù)；

φmax—農(nóng)用拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)模型特征值；

δ0—農(nóng)用拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率；

δ—農(nóng)用拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)模型特征值；

Ft—農(nóng)用拖拉機(jī)牽引力(N)；

Te—農(nóng)用拖拉機(jī)動(dòng)力裝置輸出轉(zhuǎn)矩(N·m)；

CD—空氣阻力系數(shù)；

A—農(nóng)用拖拉機(jī)迎風(fēng)面積(m2)；

G—農(nóng)用拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置所受載荷(N)；

f—作業(yè)路面摩擦力因數(shù)。

從而可知，該農(nóng)用拖拉機(jī)的牽引功率和牽引效率分別為

(4)

(5)

(6)

式中Pt—農(nóng)用拖拉機(jī)牽引裝置的牽引功率(kW)；

Ft—農(nóng)用拖拉機(jī)牽引力(N)；

v—農(nóng)用拖拉機(jī)行進(jìn)速度(km/h)；

Pe—農(nóng)用拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的輸出功率(kW)；

Te—農(nóng)用拖拉機(jī)動(dòng)力裝置輸出轉(zhuǎn)矩(N·m)；

ne—農(nóng)用拖拉機(jī)動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)速(r/min)；

ηt—農(nóng)用拖拉機(jī)牽引效率。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)農(nóng)用拖拉機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合和需求可知：農(nóng)用拖拉機(jī)的牽引裝置主要分為固定式和擺桿式兩大類，固定式牽引裝置，主要由牽引支架、牽引叉或牽引板及牽引銷總成組成，如圖2所示。為適應(yīng)懸掛和牽引多種類的農(nóng)業(yè)機(jī)具，將牽引叉或牽引板設(shè)置成靈活拆卸型，同時(shí)針對(duì)牽引裝置核心部位進(jìn)行改進(jìn)，其連接部件外形設(shè)計(jì)如圖3所示。具體為在懸掛支架的兩側(cè)增加輔助油缸，以確保提升與牽引的柔性度。

1.牽引支架 2.牽引叉 3.牽引銷總成 4.鎖緊銷 5.長(zhǎng)銷圖2 農(nóng)用拖拉機(jī)牽引裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure brief diagram of the traction system of the agricultural tractor

圖3 農(nóng)用拖拉機(jī)牽引裝置連接部件外形設(shè)計(jì)Fig.3 Shape design of the connecting part of traction device of agricultural tractor

2.3 智能控制優(yōu)化

根據(jù)拖拉機(jī)的工作機(jī)理，對(duì)牽引裝置相關(guān)聯(lián)的管路進(jìn)行智能優(yōu)化，管路布置如圖4所示。本研究改進(jìn)為全液壓轉(zhuǎn)向智能控制系統(tǒng)，基于液壓能的連續(xù)控制，操縱液壓伺服裝置，合理分配拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。實(shí)現(xiàn)此功能的組件主要是恒流泵、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向油缸和管路等，應(yīng)著重考慮轉(zhuǎn)向油缸執(zhí)行能量轉(zhuǎn)換的及時(shí)與準(zhǔn)確性。

圖4 農(nóng)用拖拉機(jī)牽引裝置智能控制管路圖Fig.4 Intelligent control piping diagram of the traction device of the agricultural tractor

針對(duì)牽引裝置提供力的大小，設(shè)定該農(nóng)用拖拉機(jī)牽引系統(tǒng)力位綜合調(diào)控，流程如圖5所示。由控制實(shí)現(xiàn)功能可知：將牽引裝置之前的單純拉力傳感器控制改進(jìn)為力位綜合調(diào)控，首先設(shè)定目標(biāo)深度，經(jīng)ECU后傳遞給液壓系統(tǒng)，向執(zhí)行裝置適時(shí)發(fā)出控制命令，最終至牽引裝置，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)具牽引作業(yè)。當(dāng)引入力位換算形成閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，使得牽引裝置控制更加精準(zhǔn)，發(fā)力更加高效。

對(duì)該農(nóng)用拖拉機(jī)的牽引裝置進(jìn)行智能控制，其原理圖如圖6所示。 工作時(shí)， 在主控制器和信號(hào)電平控制器的共同作用下，接收來(lái)自阻力傳感器、位置傳感器、耕深傳感器的電信號(hào)，用電磁閥替換提升裝置分配器，經(jīng)控制器向電磁閥輸出電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升裝置的調(diào)節(jié)；采取變阻尼和自動(dòng)調(diào)節(jié)方式，使之與牽引裝置保持在同一水平點(diǎn)，使運(yùn)行更精確和平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)智能化牽引作業(yè)。

圖5 農(nóng)用拖拉機(jī)牽引系統(tǒng)力位綜合調(diào)控簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic diagram of the force level comprehensive control of traction system of the agricultural tractor

圖6 牽引裝置下的作業(yè)深度智能控制原理圖Fig.6 Operation depth intelligent control principle diagram of traction device on the tractor

3 測(cè)試

3.1 前置條件

各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后進(jìn)行智能化測(cè)試，結(jié)合牽引裝置布置組成(見(jiàn)圖7)，測(cè)試前置條件為：

1)利用電信號(hào)進(jìn)行有效實(shí)時(shí)傳遞；

2)各傳感元部件和主要牽引裝置布置合理靈活；

3)信號(hào)獲取過(guò)程忽略機(jī)械磨損或液壓損耗；

4)測(cè)試過(guò)程核心控制參量可調(diào)性好；

5)整個(gè)測(cè)試保證靜動(dòng)態(tài)控制質(zhì)量等。

圖7 農(nóng)用拖拉機(jī)牽引裝置智能化改進(jìn)布置Fig.7 Intelligent improvement arrangement of the traction equipment for the agricultural tractor

3.2 過(guò)程分析

利用機(jī)械耦合模式，經(jīng)規(guī)律性變換牽引力的大小和拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置功率的匹配，得出如表2所示的農(nóng)用拖拉機(jī)牽引裝置核心參數(shù)的智能測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2 農(nóng)用拖拉機(jī)牽引裝置智能測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Intelligent test data of traction device on the agricultural tractor %

由對(duì)比可知：對(duì)比選定牽引效率、燃油消耗率(經(jīng)折合換算后)、懸掛穩(wěn)定保持率和拖拉機(jī)整機(jī)作業(yè)效率4個(gè)變量參數(shù)中，牽引效率在智能優(yōu)化后提升2.8%，懸掛穩(wěn)定保持率提升12.1%，燃油消耗率降低3.7%，整機(jī)測(cè)試運(yùn)行效果良好。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)分析農(nóng)用拖拉機(jī)整機(jī)組件構(gòu)成及其牽引裝置的作用與機(jī)理，對(duì)牽引系統(tǒng)進(jìn)行智能改進(jìn)，形成驅(qū)動(dòng)、牽引、懸掛系列部件的智能銜接和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到改進(jìn)目標(biāo)，效果明顯。

2) 對(duì)農(nóng)用拖拉機(jī)的牽引裝置進(jìn)行智能化改進(jìn)，進(jìn)一步提升了牽引效率，降低了燃油消耗，且大大提高了農(nóng)用拖拉機(jī)的整機(jī)作業(yè)效率，可達(dá)15.8%。

3) 此優(yōu)化方法對(duì)拖拉機(jī)其他組件和系統(tǒng)改進(jìn)提供了參考，具有明顯的應(yīng)用價(jià)值。