拖拉机液压机械无级变速器综合模式切换规律

为兼顾装备液压机械无级变速器（Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission,HMCVT）的拖拉机动力性及经济性,该研究制定了一种同时考虑动力性与经济性的综合模式切换规律。针对采用液压机械无级变速器的拖拉机,分别建立了发动机模型、HMCVT模型以及考虑驱动轮滑转率的拖拉机动力学模型。在分析了其经济性与动力性模式切换规律的基础上,引入动力性与经济性权重系数,采用模糊推理和基于分解的多目标进化算法（Multi-objective Evolutionary Algorithm Based on Decomposition,MOEA/D)制定了拖拉机液压机械无级变速器综合模式切换规律。仿真与试验结果表明：与动力性模式切换规律相比,综合模式切换规律在纯液压模式（H模式）切换至液压机械模式1（HM1模式）时驱动力降低了11.13%,在HM1切换至液压机械模式2（HM2模式）时驱动力降低了7.29%,较H切换至HM1模式时减少了3.84个百分点;与经济性模式切换规律相比,综合模式切换规律在H切换至HM1模式时燃油消耗率增加了0.46%,在HM1切换至HM2模式时燃油消耗率增加了0.85%,较H切换至HM1模式时增加了0.39个百分点,使拖拉机能够在保持良好经济性的同时能获得较好的动力性。表明所制定的综合模式切换规律能根据油门开度识别出驾驶员的操作意图,满足驾驶员在不同工况下对动力性实际需求的同时,也能表现出较好的经济性。研究结果可为拖拉机液压机械无级变速器模式切换规律制定提供一定的理论参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

液压机械无级变速器动态特性的影响因素研究

为了深入研究液压机械无级变速器的动态特性,建立了液压机械无级变速器的调速模型,并通过分析油液黏度、液压路工作容积以及输出轴负载惯量对调速系统阻尼比、上升时间以及调节时间的影响,揭示了这3个因素对系统动态特性的影响.理论分析与试验结果表明:增大油液黏度或者减小输出轴负载惯量,将使响应速度变快,超调量增大;减小液压路工作容积,将使响应速度变快,超调量减小.因此,减小液压路的工作容积是提高系统综合性能的最好方法.     

液压机械无级变速装载机工况在线识别方法

液压机械无级变速装载机发动机转速与车速解耦,具有节油、高效的优点,为了解决其工况繁多、动力匹配问题,以某液压机械无级变速装载机为研究对象,基于液压机械状态参数开展了装载机负载估计理论分析和仿真,建立了负载估计模型,仿真结果表明该方法能准确估计液压机械段内负载,结果偏差在±4.69%以内。在负载估计方法基础上,建立液压机械无级变速装载机工况识别模型以及整车仿真模型,通过理论分析与仿真相结合的方法,得到液压机械无级变速装载机在线工况识别方法及对应速比控制策略。仿真结果表明,该方法能够准确识别装载机当前工况,满足实际工程要求,所提出的分工况速比控制策略与常规策略相比,单作业循环时间减少了2.43 s,作业效率提高了4.42%,总油耗降低了1.41%。研究为装备液压机械无级变速器的装载机及拖拉机等提高生产效率及燃油经济性提供了途径。     

混联式液压混合动力系统储能元件参数优化

为了实现设计的双行星排混联式混合动力系统的燃油经济性最佳,该文研究了混合动力构型方案的节油效果影响因素,结果表明:面向系统燃油经济性目标,车辆运行工况决定储能机构与车辆的匹配特性。在此基础上提出了一种基于车辆常运行工况的储能元件优化设计方法,并以一定燃油经济性为优化目标,通过建立优化算法模型,对混联式混合动力系统进行参数优化,通过对典型工况下的动力系统匹配特性分析与验证,以及数学建模与仿真,其结果表明:通过以上匹配和优化方法,系统的燃油经济性可进一步提升4%左右。该研究为后续的更多参数的进一步优化以及先进控制方法应用提供了参考。     

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。     

拖拉机液压机械无级变速箱效率特性的仿真与试验

为了对一种新型拖拉机液压机械无级变速箱的效率水平进行评估,该文对其满负荷及部分负荷下的效率特性进行了研究。基于SimulationX平台,该文构建了完整的变速箱传动模型,并通过台架试验对其进行了校准,从而确保了模型的可靠性。通过仿真分析,得出了传动效率与发动机转速、负载扭矩和速比的关系,并绘制了较为全面的效率图谱;指出了泵前齿轮副对变速箱效率的影响,从而使得基于效率进行变速箱的结构优化具备了理论上的可操作性。结果表明,该变速箱在HM2、HM4段负排量和HM1、HM3段正排量时存在功率循环,且变速箱的传动效率受到发动机转速和扭矩的双重影响,其在额定工况下的满负荷传动效率为81.5%。因此,该类变速箱的传动效率随工况波动较大,为了使拖拉机在给定的车速、负载水平下高效作业,必须合理匹配其速比与发动机转速的关系。该研究可为变速箱的结构优化及动力匹配提供理论依据。     

无级变速拖拉机智能变速规律的研究

针对无级变速拖拉机经济性和动力性变速规律只能以固定模式控制拖拉机工作状态的局限性问题,以实现拖拉机瞬态过程的动力性和稳态过程的经济性为目标,建立基于驾驶员操作意图模糊推理的智能变速规律,并可实现瞬态动力性到稳态经济性的平稳过渡,使拖拉机获得最佳的综合性能,为开发智能化无级变速拖拉机提供理论依据。     

基于DF2204无级变速拖拉机的农机无人驾驶系统研制

针对农机无人化作业需求,该研究基于DF2204无级变速拖拉机和机器人操作系统（Robot Operating System,ROS）,研发了一种适于田间作业的农机无人驾驶自主作业系统。系统由控制、规划、安全和总线通信等模块组成。对DF2204无级变速拖拉机进行硬件改造与集成,设计满足农机无人驾驶要求的控制器局域网（Controller Area Network,CAN）总线协议和ROS与CAN总线通信的消息结构,包括5类控制帧和2类状态帧;设计了基于比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation,PID）控制器的横向跟踪与纵向速度控制算法。在北京密云试验田开展田间小麦播种实际作业试验。试验结果表明,消息结构满足50 Hz通信负载,横向跟踪平均绝对误差为2.96 cm,纵向速度平均绝对误差0.68 m/s。研究结果可为无级变速拖拉机的无人化升级改造提供参考,提高农机智能化水平和作业效率。     

液压机械无级变速器全工况效率模型及功率损失分析

针对目前液压机械无级变速器（hydro-mechanical continuously variable transmission,HMT）效率模型研究中存在的效率组成不全面、局限于单一工况以及缺少功率损失分析等问题,该研究建立了考虑传动元件及附件功率损失的HMT全工况效率模型。首先建立HMT变量泵-定量马达的通用效率模型,根据效率试验数据辨识相关参数;然后建立HMT其他传动机构及附件的效率模型,将各部分效率模型组合得到完整的HMT效率模型。基于自主研发的HMT进行计算,得到全工况效率图和各组成机构的损失功率。搭建试验台,对HMT进行效率试验以验证模型的准确性,HM1段和HM2段在全工况下的效率平均绝对误差分别为0.0273和0.0261,相较于对比方法准确性提高了64.59%和55.46%。结合效率图和功率损失情况分析HMT效率特性和影响因素,结果表明：1）本文HMT效率主要受负载和液压单元排量比e影响,输入转速影响不显著;2）低负载下本文HMT效率主要影响因素为负载,高负载下为排量比;3）泵马达功率损失对HMT效率影响最大,e < 0时液压损失功率大,HMT效率低;e = 0时液压损失功率为0,HMT效率达到最高;4）齿轮和离合器的功率损失对HMT效率的影响不容忽略,考虑其他附件功率损失有利于提高模型计算精度。提高HMT效率的措施：1）尽量避免HMT长时间在功率循环工况下工作,在优先满足负载需求和保证发动机经济性前提下,推荐在纯机械点及其附近工作点作业;2）避免长时间低负载作业,应保持在高负载工况作业;3）选用高效率液压单元或通过改进参数提高液压单元传动效率;4）满足齿轮和离合器性能要求前提下改进参数,降低功率损失。