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。     

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。     

理论换段点下HMCVT换段离合器转矩交接及控制

针对液压机械无级变速器在换段过程中的动力中断和换段冲击问题,该研究以三段式液压机械无级变速器第二段切换第三段为例,通过建立动力学模型分析理论换段点下两段位的液压路功率方向变化规律,提出基于液压路功率方向的两阶段换段离合器转矩交接方法,并使用分段函数对两阶段离合器转矩交接轨迹进行优化,通过仿真对转矩交接方法正确性进行了验证。为了实现转矩的跟踪控制,基于终端滑模控制的方法设计了离合器控制器,通过对油压的跟踪控制实现转矩的跟踪控制,通过试验验证了控制器有效性。仿真和试验结果表明：在负载换段过程中,所提换段离合器转矩交接方法能够实现动力的平稳过渡,终端滑模控制器能够实现离合器油压的跟踪控制,从而实现转矩控制。在输入轴转速1 000 r/min,负载700 N·m工况下,使用终端滑模控制器控制两换段离合器进行换段,输出轴转速的波动范围为-20.6～7.4 r/min,输出轴转矩波动范围为-117.4～107.9 N·m,换段过程中最大冲击度为-6.16 m/s3,换段离合器的最大滑摩功为508.45 J,换段过程中无动力中断。该研究可为液压机械段变速器的换段控制提供参考。     

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。     

油电混合机械液压式拖拉机动力系统节能性

针对大马力拖拉机在道路运输与田间作业过程中由于工况复杂、作业环境恶劣导致油耗高、节能效果差的问题,该研究采用油电混合动力匹配液压机械无级变速器（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission, HMCVT）的方式,设计了一种油电混合—机液复合拖拉机动力系统,探讨了该系统的驱动模式与传动方式的实现原理并得到液压机械无级变速器的调速曲线;建立了动力系统的数学模型。为实现动力系统最佳性能,制定了整车控制架构,在此基础上提出HMCVT经济性速比控制策略、基于规则的工作模式划分策略和基于自适应等效因子的燃油消耗最小功率分配策略。为验证所提控制策略的可行性,在SimulationX仿真软件中建立系统动力学仿真模型,并基于测功机搭建试验台架进行测试,分别对拖拉机在犁耕、收获和运输3个典型工况下进行仿真与试验。结果表明,所设计的控制策略能够兼顾混合动力源的最佳扭矩分配与电池电量平衡,且动力系统能保持较高的系统效率（0.4以上）,犁耕、收获和运输3个工况下油耗仿真值（2.59、6.56和1.69 L）与试验值（2.72、6.80和1.77 L）的误差均不超过5%,模型可靠。与德国农业协会公布的相近功率动力换挡拖拉机和无级变速拖拉机油耗数据相对比,该研究所提的控制策略在3种工况下节油9%～20%。研究结果可为多工况作业条件下降低拖拉机能耗提供解决方案。     

基于随机粒子群算法的Van Genuchten方程参数优化求解

使用随机粒子群算法拟合土壤水分特征曲线并以此求解出Van Genuchten方程参数。通过算例与其他优化算法比较，结果表明：随机粒子群算法具有运算速度快，编程简单，初值无关性，全局收敛和计算精度高等优点，可以作为计算Van Genuchten方程参数的新方法。     

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。     

基于改进萤火虫算法的土壤水分特征曲线参数优化

针对因参数精度不足,影响相关土壤水分运动建模、仿真结果等问题,引入萤火虫算法,并将固定随机步长改进为随萤火虫间距离变化的可变步长,旨在解决土壤水分特征曲线Van Genuchten模型参数优化的非线性拟合问题。结果表明:对不同深度的黑土和黏土的脱湿过程进行模拟,得到优化后的相关参数及体积含水率计算值。通过与粒子群算法、遗传算法对比,表明萤火虫算法模拟结果精度高,曲线吻合性好,最大相对误差仅在2%左右,是一种高精度的优化算法,且改进之后收敛效率提高。利用萤火虫算法解决这类非线性优化问题是可行的,尤其在对精度、准确性要求较高及需为后续研究确定其他土壤水分运动参数提供准确依据的情况下,适用性更强。     

拖拉机驾驶室悬置参数的优化与车内次声的控制

该文建立了拖拉机整机系统７个自由度的数学模型，推导了驾驶室质心振动的频响函数和振动响应的功率谱密度的计算公式，提出了一种驾驶室悬置参数的优化设计方法，并通过整机试验对优化结果进行了验证，通过实施该优化结果，使拖拉机驾驶室内的耳旁次声由原来的１０６．３ｄＢ降低到１０２．４ｄＢ．     

基于多元振荡黏菌算法的田路分割模型参数优化方法

田路分割是农机轨迹语义分割模型的重要任务之一,其目的是将轨迹自动分割为田间作业轨迹和道路行驶轨迹。田路分割模型的参数是影响其分割准确性及精度的关键因素,传统的参数选择方法效率较低且难以获得较好的方案,限制了模型的分割性能。因此,该研究选用基于方向分布的田路分割模型（Field-Road Trajectory Segmentation Based on Direction Distribution,BDFRTS）,尝试从参数优化的角度研究模型的性能提升,提出的方法主要包括两个方面,首先建立了一种基于元启发式算法（Metaheuristic Algorithms,MA）的田路分割模型参数优化解决方案;其次,在黏菌算法（Slime Mould Algorithm,SMA）的基础上提出了一种改进的多元振荡黏菌算法（Multiplex Oscillation Slime Mould Algorithm,MOSMA）求解参数优化方案以更好地提高模型的分割性能。MOSMA分别提出一种动态引导策略与多元振荡策略强化了黏菌的振荡收缩反应及细胞质的流动过程,进而增强了算法的优化能力。为验证所提参数优化方法的有效性,将博创联动提供的中国农机在2021年9 月底-10月中下旬进行水稻收割的作业轨迹作为数据集开展试验。试验结果表明,该研究所提方法有效地提升了田路分割模型的准确性和性能。MOSMA-BDFRTS分割模型在10组高密度轨迹中的平均准确率相比网格搜索田路分割模型、粒子群田路分割模型分别提高了25和28个百分点;在10组低密度轨迹中分割的平均准确率分别提高了17和14个百分点。该研究可为田路分割技术提供合理的性能优化方案,也为农业机械运动轨迹分割技术的效率研究提供参考依据。     

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。     

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。     

柴油机供油提前角对乙醇/柴油混合燃料经济性的影响

该文对比分析了乙醇、柴油混合组成乙醇柴油混合燃料的方法，采用生物质作助溶剂配制了乙醇柴油混合燃料。在单缸柴油机上分别使用纯柴油和乙醇柴油混合燃料，进行了改变供油提前角对发动机燃料经济性影响的试验。结果表明：使用乙醇柴油混合燃料时，供油提前角的改变对燃料经济性的影响比较敏感，且相对使用纯柴油，适当减小供油提前角对提高燃料经济性有利。