基于POT模型的大功率拖拉机传动轴载荷时域外推方法

为得到大功率拖拉机传动轴在田间作业工况下的载荷谱,该文针对传统传动系载荷谱编制过程中雨流计数及雨流域外推方法的局限性,提出基于POT(peak over threshold)模型的大功率拖拉机传动轴载荷时域外推方法。首先搭建了拖拉机传动轴扭矩测试系统,利用无线扭矩传感器采集大功率拖拉机传动轴在田间犁耕作业工况下的载荷数据;基于极值理论建立POT模型,利用灰色关联度分析方法选取最优阈值,确定时域载荷数据中上限、下限阈值分别为497和333 N·m。对超越阈值的极值载荷进行提取并利用广义帕累托分布(generalized pareto distribution,GPD)对极值载荷的分布进行拟合,拟合结果与极值载荷样本之间的相关系数均大于0.99,将生成服从GPD的新极值点取代原样本中的极值点从而实现时域载荷数据的外推。结果表明,GPD能够准确描述大功率拖拉机传动轴载荷超越阈值的分布情况,与雨流域外推方法相比,基于POT模型的载荷时域外推方法不仅可以获得任意里程的载荷时域序列,还能够极大程度保留实测载荷循环的次序,为今后大功率拖拉机传动系的室内载荷谱加载试验提供更加真实可靠的数据支持。     

拖拉机动力输出轴动态转矩载荷谱编制与验证

拖拉机动力输出轴(power take-off, PTO)室内台架耐久性试验中转矩加载主要以静态加载或静态逐级加载方式为主,这种加载方式输出的载荷与PTO实际作业中承受的载荷动态特性不同,导致试验中PTO的失效形式及测试寿命与实际作业中存在差异。针对此问题,该文对多工况下PTO动态转矩载荷谱编制方法进行研究,测取了沙土、黏土2种土壤类型下旋耕、驱动耙典型作业的PTO转矩,利用希尔伯特黄算法对转矩进行预处理,采用四点循环雨流计数法对转矩均幅值进行频次统计,利用散点矩阵统计方法分析4种作业工况均值、幅值相关性及均值、幅值分布类型。基于Miner法则及轴类20CrMnTi修正S-N曲线,在损伤概率50%、相对误差5%、置信水平95%的统计条件下,确定了转矩样本容量。利用时域外推方法对PTO转矩数据进行外推。以阈值区间内峰谷值均值差的方差为指标,检验了外推过程中选取的阈值造成峰谷值均值波动的可能性。对比外推1次后载荷时间历程与原始载荷时间历程变化趋势。在时域频次外推因子为240、转矩累计频次达到106、平均加权4类转矩时,得到PTO动态转矩载荷谱。利用编制的动态载荷谱,驱动拖拉机传动系动态加载试验台对PTO进行台架耐久性试验,试验结果显示,PTO发生失效的时长为642 h,失效形式为PTO轴头花键磨损,失效时间、失效形式与实际作业一致,验证了动态转矩载荷谱的有效性。     

工程车辆车桥位移谱统计分布建模及分步参数识别

针对非公路用车的车桥实测位移谱统计分布建模中模型选择、参数识别的初值选取主观性大和计算效率低等难题,该文以实测的车桥位移信号为研究对象,分别进行时域分析、频域功率谱分析,对信号进行分组,统计频数,获得统计直方图和累计概率分布曲线。分别采用正态分布、双峰正态分布、威布尔分布和双峰威布尔分布模型对位移谱进行建模,提出分步参数识别方法。引入灰色关联度目标函数,以人工鱼群算法获得的参数作为模型参数的初始值,采用迭代非线性最小二乘法levenberg-marquardt (LM)算法进行精确参数识别,使用相关系数和kolmogorov-smirnov(KS)检验对各模型的拟合优度进行比较。结果表明,混合威布尔分布与统计直方图的相关系数为(0.9800,0.9908,0.9867,0.9665),混合正态分布为(0.9793,0.9904,0.9783,0.9661),威布尔模型为(0.8613,0.9113,0.8618,0.8854),正态模型为(0.8611,0.9127,0.8624,0.8869),混合威布尔模型可以对车桥位移谱进行高精度拟合,而所提出的分步参数识别法可以高效、准确地进行模型的参数识别。研究结果可为车辆疲劳载荷谱的编制和台架试验提供参考。     

基于混合分布的轮式装载机半轴载荷谱编制

为进一步得到反映非道路车辆实际作业工况的载荷谱,该文针对传统编制方法中单分布难以实现载荷多峰分布的拟合问题,提出了基于混合分布的载荷谱编制方法。采集轮式装载机载荷数据,按"V"型作业模式分成6作业段,雨流计数后得到均、幅值载荷数据,以混合分布函数和单分布函数作为函数拟合模型并进行参数估计。结果表明:空载前进、铲掘、满载后退、卸料以及空载倒退段的均、幅值混合分布估计效果优于对应的单分布,且均值混合分布函数的决定系数比对应单分布函数的决定系数分别大32%、2.3%、25.1%、40.1%和160.8%,幅值混合分布函数的决定系数比对应单分布函数的决定系数分别大8.3%、6.7%、1.4%、6.2%和1.2%;满载前进段均值混合分布的拟合效果优于对应单分布的拟合效果。利用拟合效果较优的分布进行频次外推和合成得到二维载荷谱,有助于编制出反映装载机半轴实际受载工况的一维载荷谱,为半轴疲劳分析提供数据参考。     

单片机控制磁粉制动器模拟加载系统的研究(第Ⅱ报) 加载系统模拟试验及评价

系统既可以在室内模拟加载扭矩类负荷,又可以在田间模拟再现实际牵引力负荷。模拟加载了正弦波、锯齿波、插秧机载荷谱和拖拉机田间作业时的实际负荷。x2检验结果表明,在水平0.05下,模拟曲线的分布均服从其样本信号。     

单片机控制磁粉制动器模拟加载系统的研究(第Ⅱ报)——加载系统模拟试验及评价

系统既可以在室内模拟加载扭矩类负荷,又可以在田间模拟再现实际牵引力负荷。模拟加载了正弦波、锯齿波、插秧机载荷谱和拖拉机田间作业时的实际负荷。χ²检验结果表明,在水平0.05下,模拟曲线的分布均服从其样本信号。     

工程车辆传动系载荷谱编制方法

为研究工程车辆传动系疲劳载荷谱的编制方法,采集了装载机5种典型工况的传动件载荷信号,采用作业循环分成6段处理的方式,对原始信号进行预处理和特性分析,得到反映载荷变化规律的真实信号。对变速箱后传动法兰,利用雨流计数法对其载荷时间历程进行了统计处理,结果表明：后传动法兰铲掘段均值分布服从均值为1910 N·m、标准差为537.8 N·m的正态分布,其幅值服从三参数威布尔分布,并且均值和幅值相互独立。根据各个工况的作业时间比例,进行频次外推和合成,利用二维概率分布函数,建立了各作业段的8×8级二维载荷谱。应用Goodman方法,将二维载荷谱转化为8级一维载荷谱,编制成反映装载机传动系受载情况的程序载荷谱。该方法可为工程车辆传动系寿命预测以及疲劳寿命试验提供参考。     

基于DTW距离的拖拉机传动轴载荷样本长度计算方法

针对工程领域载荷样本长度确定方法对农业机械载荷适用性较差的问题,提出了一种基于动态时间扭曲(DTW,Dynamic Time Warping)距离计算载荷样本长度的方法。首先,运用无线扭矩传感器获取犁耕作业下拖拉机传动轴的动态载荷,结合传动轴犁耕作业下的载荷特点,划分作业工况;再将作业循环叠加并经过归一化处理后进行DTW距离计算,确定传动轴载荷样本长度;最后,计算参数外推中均值混合正态分布函数的拟合参数相对误差。结果表明,运用DTW距离方法确定的载荷样本长度,能够使均值双正态分布函数拟合得到的参数相对误差保证在10%以内。近似均值精度估计法和均值曲线拟合法的拟合参数相对误差最大值分别为126.06%和80.62%,而基于DTW距离计算方法的拟合参数相对误差最大值为5.43%,验证了基于DTW距离的载荷样本长度计算方法的适用性。研究结果可为拖拉机传动轴田间试验载荷样本长度确定提供参考。     

基于电液悬挂系统的拖拉机主动减振控制

大功率拖拉机的减振问题对于确保拖拉机的行驶安全性及舒适性起着决定性作用。该文基于电液悬挂系统对拖拉机进行了主动减振控制系统的设计,设计了带位置校正环节的离散滑模控制方法。该方法仅利用电液悬挂系统已有的牵引力传感器及位置传感器采集振动信息,而不需增加其他振动传感器。之后该文对系统进行了仿真和试验验证,结果表明:与不加控制前相比,主动减振控制使拖拉机的振动强度及前轮胎动载荷均显著降低,在受到水泥路障冲击后的整个过程中,农具振动加速度的均方根值降低了51.2%,后轮轴心的垂直加速度均方根值降低了20.1%;拖拉机质心的垂直加速度均方根值降低了16.6%;前轮胎的平均动载荷降低了39%;农具的存在引起的10~15 Hz的振动被完全抑制,农具的存在所加强的约5 Hz的俯仰振动也几乎消失;位置校正环节使液压缸活塞的运动轨迹保持在期望位置范围内。实车试验中,振动加速度测量信号的均方根值降低了25.7%;驾驶室内测点的垂直加速度的均方根值降低了26.4%。证明了所设计的主动减振控制器的有效性和可行性。     

犁耕作业大马力拖拉机驱动轮滑转率控制方法

针对犁耕作业时大马力拖拉机驱动轮易产生过度滑转的问题,该研究以大马力拖拉机电液悬挂机组为研究对象,考虑"拖拉机-农具-土壤"系统的强非线性特征,在建立大马力拖拉机犁耕作业机组非线性系统动力学模型的基础上,提出基于滑模变结构控制的大马力拖拉机驱动轮滑转非线性控制方法;并以模糊PID控制为对比,采用Matlab/Simulink验证本文动力学模型的正确性和控制算法的有效性;以Lovol-TG1254型大马力拖拉机为载体,搭建犁耕作业大马力拖拉机驱动轮滑转控制平台,开展田间对比试验,并分析不同控制方法下的滑转控制效果,验证滑模变结构控制算法的控制精度和稳定性。试验结果表明:在2.17m/s的犁耕作业工况下,与模糊PID控制算法相比,滑模变结构控制算法将拖拉机驱动轮滑转率有效控制在最优值0.2,平均绝对值偏差为0.008,减小了约27%,最大偏差为0.028,减小了约49%;耕深、液压缸位移和水平牵引力调节变化量分别减小了27%、36%、42%。该研究提出的基于滑模变结构的大马力拖拉机驱动轮滑转控制方法可实现犁耕作业驱动轮滑转最优目标控制。     

拖拉机后悬挂横向位姿调整的模糊PID控制

针对传统拖拉机后悬挂机构无法实现横向位姿自动调整,难以适应丘陵山地复杂地形作业需求,导致耕深均匀性差、作业效率低等问题,该文设计了—种采用双液压缸进行横向位姿调整的后悬挂系统。首先,对提升臂、提升杆、农具三脚架等构件进行运动学分析,并运用MATLAB对液压缸活塞杆位移与农机具倾斜角度进行仿真,得出当横向倾角为-15°~15°时,液压缸活塞杆位移与角度的函数关系;其次,设计了横向位姿调整机构液压系统,并建立了该液压系统的数学模型;运用Simulink搭建了横向位姿调整系统的液压系统仿真模型,并采用模糊PID控制方法对仿真模型进行控制性能仿真;最后,搭建了拖拉机后悬挂系统控制试验平台,进行了拖拉机后悬挂横向位姿调整试验。结果表明：在预定目标内（±2°~±15°）,最大误差为1%,平均误差为0.7%,仿真的系统调整时间较短,不足0.2 s,试验的调整时间为1 s左右,系统稳定时间仿真和试验都很小,在0.1 s左右,试验和仿真超调量为0 ,符合设计目标,能够满足山地丘陵作业的横向角度调节需求。     

基于拖拉机整机效率最大化的液压机械无级变速规律

为了实现对拖拉机多段液压机械无级变速传动(hydro-mechanical continuously variable transmission,HMCVT)在任意稳定行驶速度和许可牵引负载下经济性最佳的控制,该文对拖拉机经济性最佳的无级变速规律进行了研究。根据拖拉机能量传递的特点,考虑HMCVT在不同传动比下存在效率差异的特征,把研究拖拉机的经济性最佳转化为对整车效率最大的研究。在分析整机传动系统效率特性的基础上,针对效率最大的目标函数和约束条件,求解了整车效率数值,结果表明在任意目标车速和牵引负载下,优化后拖拉机整车效率在35%~40%之间,并得出了效率最大时HMCVT最佳传动比、发动机转速和转矩,确定了基于整车效率最大的拖拉机HMCVT传动变速原理。研究表明:基于整车效率最大化原则能够实现拖拉机在任意车速和牵引负载下的整车经济性最佳,根据整车效率最大化确定的拖拉机多段HMCVT经济性最佳无级变速规律,为下一步制定装备多段HMCVT的拖拉机的经济性最佳控制策略提供参考。     

广东惠阳水稻种植中耕牛与小型拖拉机使用的能值比较

以能值理论方法为手段，从资源的投入和输出结构角度，对广东省惠州市惠阳区典型水稻种植户的耕牛和小型拖拉机这两种典型的农业驱动力产出系统的转化与生产效率，环境负载和可持续性进行比较分析与评价。研究表明：耕牛系统在单位面积水稻田上消耗的不可更新资源量是拖拉机系统的4.57倍；人力能值消耗是拖拉机系统的6.14倍。相对于拖拉机动力，耕牛产出动力处于较低的能量等级，其环境负载率(ELR)仅是拖拉机系统的24%，可持续能值指标(ESI)是拖拉机系统的4.25倍，但有巨大的优化空间和可能。而广东小型拖拉机系统产出驱动力的使用效率则稍高于典型65 kW拖拉机系统。从提高能值效率角度分析，减少耕牛系统生产过程中过多的人力投入，着力提高耕牛系统产出驱动力的利用效率比发展小型拖拉机系统更有潜力。生产过程中的人力投入和使用过程中的维护投入是农机驱动力产出系统不可忽视的能值投入项。     

利用优选状态数的MCMC模拟农机装备负载

传统马尔科夫链蒙特卡洛（Markov chain Monte Carlo,MCMC）方法中状态数的选取常依赖于主观经验,用于农机装备负载模拟时,状态数取值不当将导致负载模拟精度降低或算法运行时间冗长。针对此问题,该研究提出一种基于伪损伤一致性的状态数优选方法。首先确定MCMC算法中状态数的初选范围,然后分别计算范围内不同状态数所对应的负载模拟结果,最后以生成的模拟负载与原始载荷之间的损伤一致性为评价准则确定优选状态数。利用拖拉机关键零部件的实测载荷数据对该方法进行验证。结果表明,随着状态数的提高,模拟负载与原始载荷之间的损伤一致性变化趋于平稳,算法运算时长增速不断提高,相比于传统方法,基于优选状态数的MCMC算法能够得到伪损伤差异在1%以内的负载模拟结果,与载荷谱编制的目标需求更加匹配,在保证模拟结果精度的同时有效减少运算成本。该研究能够为农机装备关键零部件的动态仿真分析及可靠性试验提供更加可靠的数据支撑。