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(jī)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(jī)械，然而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)近90%以上的大功率拖拉機(jī)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(guó)家相比有近30年的差距，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用增壓中冷技術(shù)和液壓機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)[1]，并且將全動(dòng)力換檔變速器作為標(biāo)準(zhǔn)安裝，不僅改善了拖拉機(jī)的操作舒適性，也大大改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。國(guó)外已有較成熟的產(chǎn)品“S-Matic”[2-3]，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家也已廣泛采用液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器。國(guó)內(nèi)拖拉機(jī)已采用增壓中冷技術(shù)，但傳動(dòng)系統(tǒng)仍采用機(jī)械式變速器。對(duì)于大功率多檔位拖拉機(jī)，操作復(fù)雜易出錯(cuò)，且燃油經(jīng)濟(jì)性也較差[4]。隨著能源短缺、環(huán)境惡化問(wèn)題越來(lái)越突出，對(duì)于農(nóng)業(yè)大國(guó)來(lái)說(shuō)，農(nóng)業(yè)機(jī)械的尾氣排放與燃油經(jīng)濟(jì)性關(guān)系到整個(gè)國(guó)家的能源與環(huán)境問(wèn)題。因此，為了改進(jìn)國(guó)內(nèi)大功率拖拉機(jī)操作復(fù)雜、燃油經(jīng)濟(jì)性差的變速傳動(dòng)問(wèn)題，提出一種適合國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器方案，來(lái)改變現(xiàn)階段大功率拖拉機(jī)市場(chǎng)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(shí)驗(yàn)研究

為了了解國(guó)產(chǎn)大功率拖拉機(jī)變速器的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀，選擇某一國(guó)產(chǎn)品牌的水旱兩用大功率輪式拖拉機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)工況試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中標(biāo)定田間試驗(yàn)環(huán)境[5]，排除影響試驗(yàn)結(jié)果的外界因素。

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)配備機(jī)械變速器的國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)進(jìn)行水旱田空跑、旋耕試驗(yàn)。試驗(yàn)中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)駕駛員適時(shí)操縱變速器主、副變速桿，改變拖拉機(jī)作業(yè)速度。在水田中，作業(yè)環(huán)境惡劣，拖拉機(jī)受力情況復(fù)雜、牽引負(fù)荷大、附著性能差，拖拉機(jī)滑移率較大，驅(qū)動(dòng)輪易滑移。因此，駕駛員要經(jīng)常換檔來(lái)滿足水田中作業(yè)的要求，如圖1所示。

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

試驗(yàn)得出水、旱田空跑和旋耕過(guò)程中配備機(jī)械式變速器拖拉機(jī)的小時(shí)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(shí)，田間空跑、耕作的小時(shí)耗油量近似相等，隨著速度增大，在水田中小時(shí)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(yàn)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)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(jì)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(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性Fig.2 The Fuel Economy of Tractor

2.2 研究分析

在試驗(yàn)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(duì)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(dòng)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(guò)在水、旱田中作業(yè)試驗(yàn)研究，可以得出由于機(jī)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(shí)耗油量隨著速度的增大而增大；速度小于3km/h時(shí)，車輪滑移耗油量?jī)H隨速度變化；速度大于3km/h時(shí)，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(shí)，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(guó)內(nèi)拖拉機(jī)的變速器主要通過(guò)主、副操縱桿來(lái)實(shí)現(xiàn)換檔，對(duì)于檔位較多的大功率拖拉機(jī)，操作復(fù)雜易出錯(cuò)，且影響燃油經(jīng)濟(jì)性。拖拉機(jī)在復(fù)雜環(huán)境作業(yè)時(shí)，駕駛員要根據(jù)作業(yè)工況，不斷變換變速桿，來(lái)改變輸出速度和轉(zhuǎn)矩，車輪會(huì)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(jī)的實(shí)際作業(yè)情況來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出速度和轉(zhuǎn)矩，提高國(guó)內(nèi)大功率拖拉機(jī)變速器的技術(shù)水平，進(jìn)而增強(qiáng)在國(guó)內(nèi)拖拉機(jī)市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器方案

通過(guò)試驗(yàn)研究，拖拉機(jī)在邊行駛邊工作時(shí)不可避免會(huì)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(jī)動(dòng)力輸出，就必須控制拖拉機(jī)的行駛速度和轉(zhuǎn)矩，保證其足夠的驅(qū)動(dòng)力。在車輪滑移時(shí)，能夠使拖拉機(jī)自動(dòng)降低行駛速度增大轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)作業(yè)實(shí)際情況來(lái)增大行駛速度。根據(jù)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家拖拉機(jī)變速器的先進(jìn)技術(shù)和國(guó)內(nèi)對(duì)行走機(jī)械[6]以及液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的研究[7-8]，提出一種適合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)方案，如圖4所示。

圖4 液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)分流后，一路為液壓功率流；另一路為機(jī)械功率流，再通過(guò)K1、K2雙行星排實(shí)現(xiàn)匯流，最后經(jīng)定軸齒輪傳動(dòng)輸出。工作原理，如表1所示。

表1 液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)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(shí)，C0結(jié)合工作，此時(shí)主要用于拖拉機(jī)的起步和水田作業(yè)及其低速作業(yè)工況；液壓機(jī)械HM1、HM2、HM3段工作時(shí)，C1、C2、C3分別結(jié)合工作，主要應(yīng)用于拖拉機(jī)較高速度作業(yè)及其運(yùn)輸作業(yè)工況；倒檔段工作時(shí)，低速行駛時(shí)C0結(jié)合工作，較高速度行駛時(shí)C4結(jié)合工作，主要應(yīng)用于拖拉機(jī)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(yàn)的國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、拖拉機(jī)工作速度及其建立的傳動(dòng)比理論模型，確定液壓機(jī)械無(wú)級(jí)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(guó)IMAGINE公司推出的一種工程系統(tǒng)高級(jí)建模和仿真平臺(tái)軟件。首先利用AMESim基本元件庫(kù)，直接建立發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、液壓系統(tǒng)模型、行星齒輪傳動(dòng)模型、濕式離合器模型以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模型等模塊，然后建立液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)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(jī)械無(wú)級(jí)變速器整體傳動(dòng)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(wú)級(jí)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(jī)械無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)的整體仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，假定發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2300r/min，負(fù)載為500 Nm，仿真時(shí)間為40s，合理分配泵的排量比e和各段時(shí)間t的數(shù)值。仿真得到輸出轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化關(guān)系圖，如圖6所示。

由圖6可知：在整個(gè)仿真過(guò)程中，液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器的輸出轉(zhuǎn)速和速度隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及時(shí)間逐漸增大。在純液壓H段，拖拉機(jī)的輸出速度可達(dá)6km/h，在液壓機(jī)械段最高輸出速度可達(dá)53km/h；且在純液壓H段時(shí)，前半段時(shí)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(zhǎng)，且在HM3區(qū)段主要用于道路運(yùn)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(jī)多工況下的作業(yè)要求。加載階躍負(fù)載來(lái)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(shí)增加至 2000Nm，之后穩(wěn)定在2000Nm，仿真時(shí)間為5s。仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖7液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速箱仿真過(guò)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(shí)，變速器整體傳動(dòng)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(guò)程中，泵和馬達(dá)轉(zhuǎn)矩同時(shí)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(shí)，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(shí)驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器能夠滿足速度的連續(xù)無(wú)級(jí)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(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩和速度隨之變化，使其滿足水旱兩用拖拉機(jī)在多工況下作業(yè)時(shí)邊行駛邊工作的要求。

5 結(jié)論

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

（2）設(shè)計(jì)的液壓機(jī)械無(wú)級(jí)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(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的起步和水田低速行駛及作業(yè)要求；各個(gè)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(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)連續(xù)變速。且在負(fù)載變化的瞬時(shí)，變速器整體傳動(dòng)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(jī)多工況下邊行駛邊工作的要求。

通過(guò)試驗(yàn)、仿真，設(shè)計(jì)的水旱兩用大功率拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器，結(jié)合了機(jī)械傳動(dòng)的高效率和液壓傳動(dòng)的可控調(diào)速優(yōu)點(diǎn)，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(jī)在農(nóng)田低速作業(yè)、公路較高速運(yùn)輸中實(shí)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(jī)的多工況作業(yè)要求。

［1］朱思洪．德國(guó)拖拉機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33（1）：111-114.（Zhu Si-hong.Germany tractor development status and trends［J］．Journal of Agricultural Machinery，2002，33（1）：111-114.）

［2］H．J．Meyer．Fahrzeuggetriebetechnik getriebe in traktoren［R］．Berlin：TU Berlin，2009．

［3］H．Aitzetmüller．Steyr S-Matic-The future CVT system ［C］.//Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress．Seoul：SAE，2000：1-6.

［4］常亞磊，朱思洪，陳勇．國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)與分析［J］．拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2012.（Chang Ya-lei，Zhu Si-hong，Chen Yong.The domestic tractor statistics and analysis of key performance indicators［J］．Tractors and Farm Transporter，2012.）

［5］盧建強(qiáng)，肖蘇偉，廖漢平．我國(guó)輪式拖拉機(jī)燃油消耗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)解析及探討［J］．中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013.（Lu Jian-qiang，Xiao Su-wei，Liao Han-ping.Analysis and discussion on the relevant standards of fuel consumption of wheeled tractor in China［J］.China Agricultural Chemicals，2013.）

［6］王意．行走機(jī)械液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展大觀［J］．液壓氣動(dòng)與密封，2000，1（79）.（Wang Yi，Walking mechanical hydraulic drive technology development prospec［tJ］．Hydraulics Pneumatics and Seals，2000，1（79）.

［7］徐立友，周志立，張明柱．拖拉機(jī)液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)速比匹配策略［J］．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，11（4）：94-98.（Xu Li-you，Zhou Zhi-li，Zhang Ming-zhu．Hydraulic mechanical continuously variable transmission system of tractor speed ratio matching strategy［J］.Journal of China Agricultural University，2006，11（4）：94-98.）

［8］Xu Li-you，Zhou Zhi-li，Cao Qing-mei．Study on matching strategies and simulation of hydro-mechanical continuously variable transmission system of tracto［rC］.//2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation.Changsha：IEEE Press，2009：527-530.

［9］付永領(lǐng).AMESIM系統(tǒng)建模和仿真—從入門到精通［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，2006.（Fu Yong-ling．AMESIM System Modeling and Simulation，F(xiàn)rom Entry to the Master Journal of China agricultural university［M］.Beijing：University of Aeronautics and Astronautics Press，2006.）

［10］王強(qiáng)，吳張永.基于AMESim的電液伺服速度控制系統(tǒng)仿真分析［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2008（2）：78-81.（Wang Qiang，Wu Zhang-yong.Simulation and analysis of electro hydraulic servo speed control system based on AMESim［J］.Hydraulics Pneumatics and Seals，2008（2）：78-81.）