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。     

基于参数循环算法的HMCVT燃油经济性多参数优化

为了使有液压机械无级变速器的中小型拖拉机获得更高的燃油经济性,使得拖拉机在任意工况下都能工作在整机经济性最佳的工作点上,该研究结合一种行星比连续可变的液压机械无级变速传动系统(hydro-mechanical continuously variable transmission,HMCVT),提出以发动机燃油消耗率g_e与HMCVT传动效率η_b之比为拖拉机整机经济性目标函数,在考虑发动机转速、转矩和HMCVT变速传动系统中变量泵排量比调节的基础上,加入HMCVT变速传动系统中牵引式行星排的行星比这一辅助变量,对发动机工作点和HMCVT工作点进行多参数调节。然后采用参数循环算法对多参数调节中的控制参数进行优化,得到任意负载和目标车速下的最佳发动机转速、转矩和最佳HMCVT变量泵排量比和牵引式行星排的行星比。随后分析了不同作业车速下牵引式行星排的行星比对拖拉机整机经济性的影响,得到低、中、高3种车速工况下的最佳行星比及排量比,最后从HMCVT的传动效率和变速比两个方面验证多参数调控效果。结果表明,具有排量比和行星比双参数可调的液压机械无级变速传动系统能满足中小型拖拉机的犁耕作业,与国标相比牵引式行星排行星比的加入使拖拉机的燃油消耗率降低29.86%;行星比越大,拖拉机整机比油耗越低。本文提出的多参数控制策略能够保证拖拉机在宽速比和高效率区域下工作,且易于实时调控,研究结果可为推动无级变速拖拉机变速器开发应用和进一步改善拖拉机动力性与燃油经济性提供理论参考。     

串联式混合动力拖拉机驱动系设计

针对传统拖拉机存在变速器结构复杂、传动效率低、高油耗、高排放等问题,提出一种基于犁耕工况下串联式混合动力拖拉机驱动系设计方法,包括确定传动方案、匹配牵引电动机和主能源功率参数及设计变速器挡位和辅助能源参数等。基于提出的设计方法,以东方红1804拖拉机为研究对象,对其串联混合动力驱动系主要参数进行了设计计算,分析了其牵引性能,结果表明:混合动力拖拉机特性曲线在有效牵引力范围内完全覆盖原拖拉机的工作特性场,且牵引效率较高;发动机同机械传动装置解耦,等效燃油消耗率平均降低了2.64%;变速器结构得到较大简化,传动效率较高;变速器速比设置合理,可满足拖拉机不同作业工况下对负载的需求,同时实现了无级变速。该研究为混合动力拖拉机能量管理策略、换挡规律及控制系统的设计提供了理论依据。     

提高燃油经济性的拖拉机变速控制策略

为实现对液压机械无级变速拖拉机的最佳燃油经济性控制,分析发动机及液压机械无级变速器(hydro-mechanical continuously variable transmission, HMCVT)对拖拉机燃油经济性的影响,研究拖拉机最佳燃油经济性无级变速控制策略,该文针对发动机和HMCVT二元调节无级变速拖拉机,分析了发动机燃油消耗率和变速器的效率变化特性,提出了以发动机有效燃油消耗率g_e与HMCVT传动效率η_b的比值g_e/η_b为指标的最佳燃油经济性无级变速控制策略及拖拉机负载反馈控制原理。采用参数循环算法,求算出拖拉机在负载特性场内任意工作点下的最佳发动机转速、转矩、HMCVT的最佳变速比,保证了二元协同调节下拖拉机最佳燃油经济性变速控制策略的工程实现。计算结果显示:最佳变速比的分布呈现梯田状,平台部分的最佳变速比对应HMCVT纯机械传动时的工作状态,此时HMCVT处于传动效率最高点,并且在变速器传动效率高于0.92的工作区,最佳变速比的分布比例高达72.84%。相比较一元调节下分别以g_e、g_e/η_b为指标、二元调节下以g_e为指标的3种变速控制策略,明显降低了拖拉机燃油消耗率。牵引功率范围内,当拖拉机在某一目标车速下稳定工作时,在基于g_e/η_b最小化的二元调节变速控制策略调控下,拖拉机更可能在较低油耗状态下工作。表明以g_e/η_b为指标的二元调节拖拉机最佳燃油经济性变速控制策略能够提高拖拉机在任意工况下的燃油经济性。     

拖拉机链式金属带功率分流无级变速箱换段品质分析

拖拉机链式金属带功率分流无级变速箱具有多个工作区段,带载换段时容易产生冲击甚至引起动力中断,是该类变速箱研发过程中迫切需要解决的问题。目前该领域研究较少,为了揭示各因素对链式金属带功率分流无级变速拖拉机换段品质的影响规律及作用机理,本研究对其换段过程进行了仿真研究。首先,阐述了所研究拖拉机链式金属带功率分流无级变速箱的传动原理,分别从无级调速特性、牵引特性、PTO功率和燃油经济性等方面对其可行性进行了计算分析;其次,构建了链式金属带功率分流无级变速箱换段液压系统的动力学模型并进行了试验验证,以此为基础,进一步构建了变速箱及拖拉机整机换段动力学模型;最后,给出了换段品质的3项评价指标,并对各因素对换段品质的影响规律及机理进行了仿真研究。仿真结果表明:该变速箱的传动特性与传统机械换挡变速箱相当,但燃油经济性优于传统机械换挡变速箱(低速重载工况下小时油耗降低约0.3 kg/h)和传统金属带无级变速箱(系统比油耗降低约20 g/(kW·h))。此外,较低的发动机转速(1 200 r/min)、适中的充油压力(5 MPa)、较高的充油流量(10 L/min)、理想换段点前换段(提前约0.2 s)与重叠时序换段(重叠约0.2 s)均可改善换段品质,而变速箱输出轴转动惯量、拖拉机质量以及负载等因素对换段品质的影响较为复杂,各项指标对其换段品质的评价并不统一,在拖拉机设计阶段需要综合考虑。链式金属带功率分流无级变速箱非常适合中小功率拖拉机传动,不仅经济,而且换段品质具有可控性,具有继续研究的价值,该研究结果可为中小功率无级变速拖拉机传动系统的设计提供理论支撑。     

拖拉机液压机械无级变速箱换段控制优化与试验

为了提高无级变速拖拉机的换段质量,该文对所开发的一种新型液压机械无级变速箱的换段过程进行了试验研究。离合器充油特性试验中,通过改变离合器控制油路参数,获得主油路压力与充油流量对换段时间的影响规律;单因素加载试验中,通过单独改变发动机转速、主油路压力、充油流量、负载转矩,获得各因素单独作用时对换段质量的影响规律;多因素组合加载试验中,设计了3水平4因素组合试验方案,对多个因素综合作用时的变速箱换段质量问题进行了研究;时序优化试验中,通过控制器改变离合器动作时机,获得最佳的换段时序。试验结果表明：离合器主油路压力、充油流量可通过影响换段时间而间接影响到换段质量;重叠时序换段会引起油压陷阱,证明了重叠换段的安全性和可行性;单因素作用时,换段质量与离合器压力、流量正相关,与负载转矩负相关,与发动机转速无关;多因素共同作用时,换段质量的主次影响因素依次为充油流量、负载转矩、主油路压力、发动机转速;此外,采用重叠时序换段可显著改善换段质量。根据试验结果得出,为使该变速箱获得最佳的换段质量,其离合器主油路压力应取值4MPa,充油流量取值5L/min,重叠时序取值120ms。该结论为换段控制策略的制定提供了重要参考。     

液压机械全功率换段方法及功率过渡特性

为了解决液压机械无级传动换段过程中存在的动力中断和换段冲击等问题,基于当前段与目标段双制动器结合重叠,提出全新的液压机械全功率换段方法,并深入探究全功率换段过程功率过渡机理及控制方法。该文以两段等差式液压机械为研究对象,在双制动器结合重叠的动力换段方式的基础上,提出了五阶段液压机械全功率换段方法,通过理论分析与试验相结合的方法,研究了换段过程中液压机械转矩特性和功率特性随液压回路压差的变化规律,液压回路压差随变排量液压元件排量的变化规律。结果表明,在双制动器结合重叠的动力换段中,通过调节变排量液压元件的排量比,能够控制液压回路的高低压侧压差改变、互换,进而控制当前段制动器转矩向目标制动器有序转移,在双制动器结合重叠中完成换段,实现换段过程传递全功率。输入转速保持1 000 r/min不变,进出换段时定排量液压元件转速无波动,输出扭矩波动量约为5 N·m(负载扭矩为60 N·m和150 N·m)。该研究揭示了液压机械全功率换段的功率过渡机理,可为全功率换段的后续研究及液压机械应用提供了参考。     

拖拉机排气余热板翅式蒸发器热力性能分析与参数优化

利用拖拉机排气余热能够有效降低燃油消耗,其中基于有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC)的余热能量转换效率最高。该研究根据拖拉机实际空间尺寸,试制了一种板翅式蒸发器用以回收柴油机排气余热。基于移动边界法建立排气与工质对流传热数值模型,结合台架试验数据验证模型有效性,并定量分析了柴油机全工况下蒸发器热力性能。为提高蒸发器传热量和适用范围,采用CFD仿真和BP神经网络进一步分析非设计工况时蒸发器传热特性,并对结构与工质参数进行优化。结果表明:1)蒸发器热力性能随转速和负载增大而提高,最大传热量为69.89 kW,在中低转速负载工况下,蒸发器出现传热不稳定现象;2)增加接管倒角和改变翅片形状,在蒸发器尺寸不变条件下传热量可提高5.2%,传热面积增大0.19m~2;3)通过优化流道、工质流量和进口温度,能够改善中低负载工况热力性能,如柴油机1 500 r/min时,工质流量可在0.03～0.08 kg/s范围变化,最大传热量可达19.46 kW。研究结果可为蒸发器实际应用于拖拉机及与柴油机工况匹配提供参考。     

拖拉机液压机械无级变速传动系统与发动机的合理匹配

利用发动机的试验测试结果，采用多项式拟合的方法建立了发动机模型，给出了关于发动机的最佳动力性和最佳燃油经济性的转速调节特性。在此基础上研究了发动机与无级变速传动系统的匹配机理。根据不同的作业项目，将拖拉机的作业工况分为3种模式，阐述了各种作业模式下发动机与无级变速传动系统匹配的实现方案。该研究对理解和设计拖拉机液压机械无级变速传动系统，提高拖拉机生产率，具有一定的意义。     

基于小波分析的发动机气缸失火故障诊断

发动机加速过程中失火是常见故障，运用了发动机主轴瞬时转速进行失火故障的诊断。采用磁电式传感器测定了发动机在正常与故障的4种工况下从怠速急加速到高速过程中的瞬时转速，并用db3阶小波对各工况下转速信号进行分解与重构，以重构波形分析对比了各工况下的转速波动状态与加速过程的信息，从而判断发动机是否失火以及失火故障类型。结果表明，发动机失火时，瞬时转速的重构信号与正常工况转速重构信号相比，波动幅值、怠速段和高速段的稳定转速、加速时间有显著差异，这种失火故障的诊断方法是可行的和有效的。     

拖拉机液压传动系统特性模型修正与参数辨识

精准描述无级变速系统特性是拖拉机动力装置设计和控制策略制定的前提,是节能减排和动力提高的关键。为解决拖拉机常用无级变速系统特性随工况变化而导致原理论模型精度受限问题,该研究对受工况影响最为显著的液压传动系统的调速和效率特性进行研究。采用台架试验获取液压传动系统特性的样本数据,基于偏最小二乘法对比不同工况对调速和效率特性的影响,结合原理论模型和改进的模拟退火算法,提出液压传动系统特性的模型修正及其参数辨识方法,并分别建立调速特性和效率特性的改进半经验模型。结果表明,输入转速和输出端负载转矩对调速特性的影响程度分别为0.36和0.92;输入转速、输出端负载转矩和排量比对效率特性的影响程度分别为0.05、0.71和0.26;修正后模型参数较少,辨识容易,且精度高,估测值与实际值基本吻合（2参数调速特性半经验模型的决定系数R2为0.97、平均绝对百分比误差为7.93%,5参数效率特性半经验模型的决定系数R2为0.93、平均绝对百分比误差为2.50%）。研究以期为拖拉机等农业机械的动力传动装置的特性分析与评估、优化设计和控制策略制定提供依据和参考。     

基于典型工况试验的装载机循环工况构建

装载机动力传动系统的设计借鉴了汽车动力传动系统的设计理念,而循环工况是汽车动力传动系统参数设计的重要参考依据。由于目前还没有装载机的循环工况,所以在设计阶段也无法利用循环工况考察其燃油经济性和动力性。根据装载机发动机功率分流情况,装载机循环工况应由装载机典型工况液压系统载荷时间历程、铲斗工作阻力时间历程、工作速度时间历程构成。针对这一情况,以ZL50装载机为例,构建了试验方案,分别试验测试了装载机液压泵消耗发动机转矩的时域波形数据,前、后传动轴消耗发动机转矩的时域波形数据,以及前传动轴转速时域波形数据。对液压系统试验获取的数据进行分段、合并、去除异常值等预处理后,采用加权求和方法,制取了典型工况液压系统载荷时间历程。应用同样的数据处理方法,分别获得典型工况工作速度时间历程,以及典型工况传动系统载荷时间历程。根据典型工况传动系统载荷时间历程,应用装载机工作过程中力的平衡方程方程,求得典型工况铲斗工作阻力时间历程。典型工况液压系统载荷时间历程、铲斗工作阻力时间历程、工作速度时间历程组合在一起,共同构成装载机循环工况。应用该循环工况,虚拟试验ZL50装载机燃油经济性,与实车试验结果的一致性较好,构建的循环工况可行。装载机循环工况可为虚拟试验装载机动力性、燃油经济性提供加载数据,具有重要的工程实践意义。     

力平衡型多输入齿轮马达的转矩特性分析与试验

针对传统齿轮马达径向力不平衡、只能输出一种转矩和转矩脉动较高的问题,提出了力平衡型多输入齿轮马达。该马达在一个壳体内有内、外两种马达,可通过不同的连接方式实现4种定转矩和定转速的输出。通过对马达的输出转矩进行理论计算和试验,分析了马达在4种工作方式下的瞬时转矩及转矩脉动,结果表明,单个马达工作时的转矩脉动与啮合齿轮的齿数有关。多个马达同时工作时的转矩脉动与齿轮啮合点的位置及脉动周期有关,当3个内马达共同工作,内、外马达共同工作,内、外马达差动工作时,在内、外马达脉动周期相同的前提下,可调节啮合点的位置,分别使3个小齿轮的轮齿啮合位置相差1/3,内、外马达轮齿啮合位置相差1/2,内、外马达轮齿啮合位置相同,通过瞬时转矩的叠加,使输出合转矩的脉动最小。试验结果表明,在调节齿轮啮合点的位置后,相同工作方式下的转矩脉动程度明显减少,该研究为多输入马达的进一步研究提供了参考。     

电液流量匹配装载机转向系统特性分析

为降低小型装载机负荷传感液压转向系统在流量方面的能量损失,提出用伺服电机独立驱动定量泵的电液流量匹配转向控制方法。该文首先在Simulation X中建立了装载机整机联合仿真模型,对采用负荷传感转向系统的装载机在原地转向工况下进行仿真。构建了装载机试验测试系统,通过对比仿真与试验结果,验证了仿真模型的准确性。进一步将电液流量匹配转向方法应运于此仿真模型。维持与负荷传感系统相同转向特性的条件下,该系统在低速空载工况下使液压泵能量消耗相对负荷传感系统降低36%,高速空载为37%,中速正载为39%,中速偏载为28%,电液流量系统平均降低了转向过程中泵输出能耗约30%。该文提出的研究方法对装载机转向节能研究提供了参考。     

基于典型工况的装载机发动机与液力变矩器匹配

针对目前发动机与液力变矩器常用匹配方案中发动机净转矩获取方法的不足,为实现发动机与液力变矩器更科学、合理的匹配,构建了装载机液压测试系统,对传感器性能进行了标定。在典型工况下开展了实机试验,应用nSoft软件对测试数据进行处理,得到液压系统实际消耗的发动机转矩为288.76 N·m,进而提出了一种基于典型工况的发动机与液力变矩器匹配方案。根据试验用装载机发动机与液力变矩器原始特性数据,应用数据拟合方法,得到了发动机与变矩器的共同输入与输出特性。采用积分平均方法求取了涡轮工作高效区涡轮轴平均输出功率和发动机平均油耗率。在变矩器高效区,试验功率匹配方案的涡轮轴平均输出功率分别比原匹配方案、部分功率匹配方案高17.02%和42.59%,试验功率匹配方案的发动机平均油耗率分别比原匹配方案、部分功率匹配方案低3.80%和8.72%。结果表明文中提出的匹配方案优于目前常用的匹配方案。该研究为液力变矩器的优化设计、发动机与液力变矩器合理匹配提供了参考。