移動(dòng)式液壓加載型拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)*

邱韶峰，張延杰，吳愛兵，吳寧，管春松

(1. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，濟(jì)南市，250100； 2. 吉林省恒寧測(cè)控技術(shù)有限公司，長(zhǎng)春市，130012；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

拖拉機(jī)作為農(nóng)業(yè)裝備的核心，其技術(shù)發(fā)展水平體現(xiàn)著國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平[1-2]。近年來拖拉機(jī)制造質(zhì)量與作業(yè)性能參差不齊，特別是大中功率拖拉機(jī)，一直是質(zhì)量投訴的重點(diǎn)，投訴內(nèi)容主要是動(dòng)力性能不足、部件與裝配可靠性差[3-4]等問題。為此，國(guó)家與農(nóng)機(jī)行業(yè)出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)與措施規(guī)范拖拉機(jī)檢測(cè)與試驗(yàn)。動(dòng)力輸出軸是拖拉機(jī)向配套農(nóng)機(jī)具傳遞驅(qū)動(dòng)力的核心部件，在農(nóng)田旋耕作業(yè)時(shí)尤為重要，主要實(shí)現(xiàn)扭矩放大和動(dòng)力輸出這兩項(xiàng)功能[5]。拖拉機(jī)PTO試驗(yàn)[6-8]是考核拖拉機(jī)動(dòng)力性能、燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性等指標(biāo)最為直接有效的檢驗(yàn)手段[9]，目前拖拉機(jī)PTO試驗(yàn)設(shè)備一般為固定式裝備，市場(chǎng)急需一種操作簡(jiǎn)單、工作可靠、體積小、功率測(cè)試范圍大、便于移動(dòng)的試驗(yàn)裝置用于在拖拉機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、銷售網(wǎng)點(diǎn)對(duì)拖拉機(jī)的動(dòng)力性能、可靠性能進(jìn)行檢驗(yàn)，以考核拖拉機(jī)的總體質(zhì)量水平。

目前大多數(shù)拖拉機(jī)PTO試驗(yàn)設(shè)備采用電渦流或者電力測(cè)功機(jī)加載。電渦流測(cè)功機(jī)額定功率轉(zhuǎn)速點(diǎn)較高,一般在1 000 r/min以上，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1 000 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速降低制動(dòng)力矩快速下降，而拖拉機(jī)PTO試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速通常在300～1 200 r/min之間[10]，目前解決上述問題的方法是使用增速器，一是運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加動(dòng)載荷、振動(dòng)、沖擊和噪聲，影響測(cè)試精確度[11]；二是增加系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和空載扭矩，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度；三是使得整個(gè)測(cè)功器體積增大。另外電渦流測(cè)功機(jī)使用時(shí)要配置大型冷卻水塔，這些都限制了其移動(dòng)使用。電力測(cè)功機(jī)具有低速加載扭矩大的特點(diǎn)，加載過程中，當(dāng)從超低轉(zhuǎn)速加載到額定轉(zhuǎn)速時(shí)為恒扭矩特性，從額定轉(zhuǎn)速加載到最高轉(zhuǎn)速時(shí)為恒功率特性，與多數(shù)機(jī)械負(fù)載的負(fù)載特性一致[12]。但電力測(cè)功機(jī)將吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生的電能或者被大型電阻柜消耗，或者回饋電網(wǎng)，也不適用于移動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)使用。

比例溢流閥模擬加載的方式已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到液壓試驗(yàn)臺(tái)上，陳君寶等[13]設(shè)計(jì)以比例溢流閥為加載元件的加載試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力閉環(huán)PID控制。將壓力傳感器的測(cè)量值和設(shè)定壓力值比較，用兩者差值作為控制信號(hào)調(diào)整比例溢流閥閥口面積，從而實(shí)時(shí)校正、調(diào)整實(shí)際壓力使之達(dá)到設(shè)定值。根據(jù)需求及現(xiàn)有設(shè)備特點(diǎn)，按照GB/T 3871.3—2006《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī) 試驗(yàn)規(guī)程 第3部分：動(dòng)力輸出軸功率試驗(yàn)》、NY/T 2207—2019《輪式拖拉機(jī)能效等級(jí)評(píng)價(jià)》規(guī)定的試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)一種基于液壓測(cè)功機(jī)的拖拉機(jī)PTO試驗(yàn)裝置，該裝置采用變量柱塞泵加比例溢流閥的加載方式，實(shí)現(xiàn)了加載扭矩(或轉(zhuǎn)速)的閉環(huán)PID控制。計(jì)算機(jī)將扭矩(或轉(zhuǎn)速)傳感器的測(cè)量值和設(shè)定值比較，用兩者差值作為控制信號(hào)調(diào)整比例溢流閥閥口面積，從而實(shí)時(shí)校正、調(diào)整實(shí)際扭矩(或轉(zhuǎn)速)使之達(dá)到設(shè)定值。該裝置液壓油貯存在一封閉的鋁合金散熱器內(nèi)，散熱風(fēng)扇由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，無需外部供水、供電和供氣，控制系統(tǒng)由系統(tǒng)自帶的DC12 V蓄電池驅(qū)動(dòng)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由液壓測(cè)功機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量系統(tǒng)及安裝平臺(tái)組成；其中測(cè)功機(jī)殼體既是部件承載體，又作為液壓油箱使用，高壓部件全部封裝在密封的高強(qiáng)度殼體內(nèi)，無液壓油外漏風(fēng)險(xiǎn)，高壓變量柱塞泵作為系統(tǒng)的核心加載部件，通過排量電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)變量柱塞泵斜盤角度，使柱塞泵的最大輸出排量無級(jí)可調(diào)，可使被測(cè)試拖拉機(jī)的功率段從11 kW直至236 kW均可得到最佳的加載特性，比例加載溢流閥是作為測(cè)功機(jī)的模擬加載裝置，通過接收控制器的信號(hào)，控制高壓變量柱塞泵輸出油液的壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓測(cè)功機(jī)輸出扭矩的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試拖拉機(jī)的加載作業(yè)。本裝置為提高控制精度，適用全功率范圍加載，選用了雙閥式結(jié)構(gòu)，在中小功率測(cè)試時(shí)只有主加載比例閥工作，在大功率測(cè)試時(shí)，雙閥同時(shí)工作。進(jìn)回液過濾裝置實(shí)現(xiàn)油品的雜質(zhì)過濾與氣泡消除，保障液壓系統(tǒng)正常可靠工作；控制器根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)油溫調(diào)節(jié)風(fēng)冷器液壓馬達(dá)自動(dòng)調(diào)速裝置的輸出流量，從而調(diào)節(jié)風(fēng)冷器液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速及散熱功率，保證加載液壓系統(tǒng)油溫恒定。

轉(zhuǎn)速扭矩傳感器串接在平衡軸組與高壓變量柱塞泵之間，用于測(cè)量拖拉機(jī)PTO輸出轉(zhuǎn)速、扭矩與功率；平衡軸組的功能是消除拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸動(dòng)力傳輸至測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的側(cè)向力。測(cè)功機(jī)、冷卻裝置、測(cè)量系統(tǒng)與平衡軸組均安裝在安裝底座上，全部裝置被通風(fēng)式外殼體封罩，在安裝底座的下部，安裝為一套四柱式同步自鎖液壓缸組成的高度調(diào)節(jié)裝置，以適用不同底盤的被測(cè)試拖拉機(jī)試驗(yàn)，其在使用時(shí)伸出并自鎖，運(yùn)輸時(shí)縮回，在安裝底座的底部中間，安裝有支撐輪組，便于現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)及運(yùn)輸。

液壓測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 液壓測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of hydraulic dynamometer1.測(cè)功機(jī)殼體 2.高壓變量柱塞泵 3.排量電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置4.比例加載溢流閥 5.吸液過濾消泡裝置 6.回液過濾消泡裝置7.風(fēng)冷器液壓馬達(dá)自動(dòng)調(diào)速裝置 8.吸液管 9.出液管10.風(fēng)冷器馬達(dá)取液管 11.風(fēng)冷器液壓馬達(dá) 12.風(fēng)冷式散熱器13.風(fēng)冷器進(jìn)液管 14.風(fēng)冷器液壓馬達(dá)進(jìn)液管15.風(fēng)冷器液壓馬達(dá)回液管 16.風(fēng)冷器出液管 17.轉(zhuǎn)速扭矩傳感器18.平衡軸組 19.聯(lián)接盤 20.安裝底座 21.四柱式同步液壓調(diào)高裝置22.支撐輪組 23.通風(fēng)式外殼體 24.無線型數(shù)據(jù)采集控制器

1.2 測(cè)功機(jī)液壓系統(tǒng)原理

1.2.1 測(cè)功機(jī)選型依據(jù)與工作原理

選用高壓變量柱塞泵作為移動(dòng)式拖拉機(jī)PTO試驗(yàn)裝置的加載裝置，是因?yàn)橐簤杭虞d裝置與現(xiàn)有的電機(jī)加載或電渦流加載方式相比，具有以下特點(diǎn)，更適合移動(dòng)式檢測(cè)需要。

1) 同功率的液壓加載裝置的重量?jī)H為電力測(cè)功機(jī)的10%～20%，更便于移動(dòng)使用。

2) 速度適應(yīng)范圍大，本系統(tǒng)選型的液壓測(cè)功機(jī)在50～2 200 r/min的范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)最大扭矩加載，而電力測(cè)功機(jī)僅在一小段轉(zhuǎn)速范圍實(shí)現(xiàn)最大扭矩加載，電渦流類的測(cè)功機(jī)的額定轉(zhuǎn)速較高，需要升速裝置才能適應(yīng)PTO的轉(zhuǎn)速范圍。

3) 采用變量柱塞泵作為加載裝置，通過調(diào)節(jié)斜盤角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)最大加載功率的調(diào)節(jié)，一臺(tái)設(shè)備可適應(yīng)從最小11 kW到最大236 kW的全功率段的拖拉機(jī)測(cè)試，而電機(jī)或電渦流類的測(cè)功裝置，需要兩臺(tái)或多臺(tái)功率段的測(cè)功系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)全功率段加載。

4) 由于液壓系統(tǒng)的自身具有良好的潤(rùn)滑性，并且由于旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量較小，在加減速的過程中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，所以加減載控制靈敏，對(duì)被試車輛的沖擊較小，運(yùn)行平穩(wěn)。

液壓測(cè)功機(jī)系統(tǒng)工作原理見圖2。

圖2 液壓測(cè)功機(jī)系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of hydraulic dynamometer system1.油箱 2.吸油過濾器 3.高壓變量柱塞泵 4.伺服變量機(jī)構(gòu)5.電液比例溢流閥 6.安全溢流閥 7.散熱調(diào)速閥8.風(fēng)冷器液壓馬達(dá) 9.風(fēng)冷式散熱器 10.轉(zhuǎn)速扭矩功率儀11.回油過濾器 12.空氣過濾器13.油液溫度測(cè)量裝置 14.壓力傳感器

選用變量柱塞泵作為加載裝置的液壓測(cè)功機(jī)，其功率與加載扭矩的調(diào)節(jié)原理為通過調(diào)節(jié)柱塞泵的斜盤擺角來調(diào)節(jié)加載裝置的最大加載功率，通過調(diào)節(jié)油泵輸出油口的壓力來實(shí)現(xiàn)所調(diào)范圍內(nèi)的加載扭矩調(diào)節(jié)?？刂圃砉?/p>

P1=pQη

(1)

式中：p——壓力；

Q——流量；

η——效率。

如果想對(duì)加載功率P1進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)：壓力p或流量Q，而壓力p由于系統(tǒng)限制最高壓力不能超過35 MPa，所以要想達(dá)到最優(yōu)的加載效果，理想狀態(tài)是通過調(diào)節(jié)流量Q，使壓力p為最大值時(shí)，輸出功率為拖拉機(jī)的最大功率，而流量

Q=Vn

(2)

式中：V——液壓泵排量；

n——輸入轉(zhuǎn)速。

當(dāng)n一定時(shí)，通過調(diào)節(jié)排量V就可以實(shí)現(xiàn)在同等轉(zhuǎn)速下流量的調(diào)節(jié)。

為適應(yīng)不同功率段的拖拉機(jī)測(cè)試需要，通過調(diào)節(jié)變量柱塞泵斜盤(斜軸)的角度實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)輸出排量V的調(diào)節(jié)，這樣使測(cè)功系統(tǒng)成了一個(gè)可無級(jí)調(diào)節(jié)最大加載功率的變量式加載系統(tǒng)，可根據(jù)被測(cè)試拖拉機(jī)的最大功率，選擇合適的擺角來實(shí)現(xiàn)最佳加載測(cè)試。

比例溢流閥通過控制變量柱塞泵輸出口的壓力來實(shí)現(xiàn)對(duì)p的調(diào)節(jié)，在流量Q一定時(shí)，通過調(diào)節(jié)壓力p實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸功率的加載。

為保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行，適應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)無外部的水電保障的實(shí)際條件，系統(tǒng)的散熱風(fēng)扇采用液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且根據(jù)油溫的狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)散熱功率，保障測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.2 液壓系統(tǒng)工作流程

被測(cè)試拖拉機(jī)的PTO通過萬向軸聯(lián)軸器與液壓測(cè)功機(jī)(圖1)的平衡軸組聯(lián)接盤相連接，經(jīng)過轉(zhuǎn)速扭矩傳感器將動(dòng)力傳輸至高壓變量柱塞泵；驅(qū)動(dòng)高壓變量柱塞泵工作。

高壓變量柱塞泵的最大輸出排量受伺服變量機(jī)構(gòu)控制，在主控系統(tǒng)輸入被測(cè)試拖拉機(jī)的額定功率后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出該機(jī)型測(cè)試時(shí)高壓變量柱塞泵最佳使用輸出排量，并驅(qū)動(dòng)伺服變量機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)變量斜盤至最佳位置。

在PTO達(dá)到試驗(yàn)轉(zhuǎn)速后，測(cè)試系統(tǒng)(圖2)開始工作，此時(shí)，高壓變量柱塞泵通過吸油過濾器進(jìn)行吸液，出液口經(jīng)過管路輸送至電液比例溢流閥、安全溢流閥、調(diào)速閥的進(jìn)液口，具體如下。

主回路：主回路為通過電液比例溢流閥的液壓回路，絕大部分油液經(jīng)此回路循環(huán)，主要是通過控制系統(tǒng)對(duì)比例溢流閥開啟壓力的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出液壓油液的模擬加載，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試拖拉機(jī)的加載作業(yè)。即只有當(dāng)進(jìn)入比例溢流閥的油液壓力達(dá)到設(shè)定值后，油液才能從此回路通過。

此回路油液循環(huán)流如下：油箱→吸液過濾器→高壓變量柱塞泵吸液口→電液比例溢流閥→風(fēng)冷式散熱器→回油過濾器→油箱。

風(fēng)冷式散熱器風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)回路：風(fēng)冷式散熱器風(fēng)扇由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速快慢將控制散熱器的冷卻能力，而其快慢是由輸入至液壓馬達(dá)的流量決定的，此回路的功能就是通過對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制，保證液壓油在測(cè)試過程中溫度基本恒定。調(diào)速閥的功能就是根據(jù)油箱測(cè)溫裝置的返回值，在主控制系統(tǒng)的控制下，與系統(tǒng)設(shè)定的溫度值比較，同時(shí)在主控制系統(tǒng)的控制下，調(diào)節(jié)調(diào)速閥開度，控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

此回路油液循環(huán)流如下：油箱→吸液過濾器→高壓變量柱塞泵吸液口→調(diào)速閥→風(fēng)冷液壓馬達(dá)→回油過濾器→油箱。

2 加載系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)確定與裝置選型

2.1 加載系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的確定

拖拉機(jī)PTO動(dòng)力輸出軸的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速有三種：540 r/min、760 r/min和1 000 r/min，其中1 000 r/min是147 kW以上拖拉機(jī)(動(dòng)力輸出軸功率≥130 kW)拖拉機(jī)的唯一標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，因此按拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速1 000 r/min計(jì)算液壓測(cè)功機(jī)的加載扭矩，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)應(yīng)的動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為1 111～1 250 r/min(注：動(dòng)力輸出軸標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速80%～90%時(shí)的轉(zhuǎn)速)。

此時(shí)動(dòng)力輸出軸的輸出功率與扭矩計(jì)算如下。

功率

P=0.735×320=235.2 kW

(3)

標(biāo)定工況時(shí)的扭矩

T0=9 550P0/n0=9 550×235.2/1 111

=2 021.7 N·m

(4)

式中：P0——被測(cè)試拖拉機(jī)最大標(biāo)定功率；

n0——發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速，取n0=1 111 r/min。

GB/T 15370.1～3規(guī)定50 kW(含)以下拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備率應(yīng)不小于15%，50 kW以上拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備率應(yīng)不小于20%。

2018—2019年山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站共對(duì)16臺(tái)(147～236 kW)拖拉機(jī)進(jìn)行了PTO試驗(yàn)，其中扭矩儲(chǔ)備系數(shù)最小值為25.2%，最大值為43.9%，扭矩儲(chǔ)備系數(shù)分布見表1。

表1 扭矩儲(chǔ)備系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)匯總表Tab. 1 Statistical summary table of test results oftorque reserve coefficient

由表1可知拖拉機(jī)扭矩儲(chǔ)備系數(shù)主要集中在30%～40%之間，占樣本的75%，留一定余量，本設(shè)計(jì)取扭矩儲(chǔ)備系數(shù)β為50%，根據(jù)扭矩儲(chǔ)備系數(shù)的計(jì)算公式

β=(Tmax-T)/T×100%

(5)

則最大加載扭矩

Tmax=T×β+T=2 021.7×1.5=3 032.6 N·m

(6)

2.2 液壓測(cè)功機(jī)關(guān)鍵部件選型

2.2.1 加載比例溢流閥選型

根據(jù)液壓泵輸入扭矩計(jì)算公式

T=V×p/2π

式中：T——液壓泵輸入扭矩，N·m；

V——液壓泵排量，mL/r；

p——液壓泵壓力，MPa。

由此得知，液壓測(cè)功機(jī)加載扭矩只與測(cè)功機(jī)的排量及輸出壓力有關(guān)，與轉(zhuǎn)速無關(guān)，這也是液壓測(cè)功機(jī),的一個(gè)特點(diǎn)，即在油泵排量一定的情況下，扭矩只與控制壓力有關(guān)，在壓力不變的情況下，液壓測(cè)功機(jī)始終工作在恒扭矩狀態(tài)。

根據(jù)最大輸出扭矩Tmax=3 032.6 N·m，計(jì)算所選用加載高壓柱塞泵的最小理論排量Vmin(最高壓力取30 MPa)。

Vmin=(T×2π)/p=(3 042.9×2×3.14)/30

=637.0 mL/r

(7)

由于容積效率是在計(jì)算液壓輸出功率時(shí)計(jì)算，高壓柱塞泵一般可以達(dá)到95%，本系統(tǒng)用于對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)械進(jìn)行加載作業(yè)，故不考慮容積效率影響。

經(jīng)查閱液壓手冊(cè)樣本[10]，選擇排量為750 mL/r的A4VSO755型高壓變量柱塞泵作為本試驗(yàn)裝置的液壓泵，其技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 A4VSO755型高壓變量柱塞泵技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Technical parameters of A4VSO755 highpressure variable plunger pump

該排量變量柱塞泵的加載動(dòng)力特性曲線如圖3所示，其中虛線為在1 000 r/min時(shí)，在排量調(diào)節(jié)至最大狀態(tài)時(shí)的壓力功率、流量特性曲線。其中qV為壓力—流量特性曲線，PV為壓力—功率特性曲線。

圖3 液壓測(cè)功機(jī)在排量最大狀態(tài)下的壓力流量與功率特性曲線Fig. 3 Characteristic curve of pressure, flow andpower of hydraulic dynamometer in the state ofmaximum displacement

選用該型號(hào)的變量柱塞泵作為加載裝置的液壓測(cè)功機(jī)，通過調(diào)節(jié)斜盤擺角實(shí)現(xiàn)排量調(diào)節(jié)，圖4為在不同擺角位置時(shí)的典型最大加載扭矩與功率曲線。

圖4 液壓測(cè)功機(jī)在不同排量下的功率特性曲線圖Fig. 4 Power characteristic curve diagram ofhydraulic dynamometer under different displacements

經(jīng)仿真系統(tǒng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)的加載壓力p與測(cè)功機(jī)對(duì)被測(cè)試拖拉機(jī)的施加功率與扭矩如圖4：曲線對(duì)應(yīng)的是試驗(yàn)裝置變量柱塞泵的輸出排量在不同位置時(shí)裝置的加載扭矩、加載功率與系統(tǒng)壓力的關(guān)系曲線，由圖4可知，在PTO轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力一定的情況下，試驗(yàn)裝置的最大加載功率與裝置變量柱塞泵的輸出排量成正比，利用這一特性，可根據(jù)測(cè)試拖拉機(jī)的功率段，選用適宜的變量柱塞泵排量，從而保障測(cè)試系統(tǒng)加載的精確性，實(shí)現(xiàn)比電力及電渦流試驗(yàn)裝置更寬的功率試驗(yàn)范圍，這也是液壓測(cè)功機(jī)最大的特點(diǎn)之一。

2.2.2 加載比例溢流閥選型

比例溢流閥的作用是在測(cè)控系統(tǒng)的控制下，根據(jù)控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試拖拉機(jī)的加載，其選型主要依據(jù)液壓系統(tǒng)的流量范圍、壓力范圍及信號(hào)類型來選擇，在本系統(tǒng)中，流量Q=Vn1，其中V=750 mL/r，n1為液泵轉(zhuǎn)速，與被測(cè)拖拉機(jī)PTO的轉(zhuǎn)速相同，取250～1 200 r/min。

則流量Q=750×(250～1 200)/1 000=187.5～900 L/min，為提高控制精度本裝置采用雙閥設(shè)計(jì)，則單閥最大流量為450 L/min。

查閱比例溢流閥手冊(cè)，留一定余量，選擇DBEM32型比例溢流閥進(jìn)行加載，其主要參數(shù)如表3。

表3 DBEM32型比例溢流閥技術(shù)參數(shù)Tab. 3 Technical parameters of DBEM32proportional relief valve

3 液壓與電力測(cè)功機(jī)加載性能驗(yàn)證

3.1 液壓測(cè)功機(jī)的主要參數(shù)

液壓測(cè)功機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 液壓測(cè)功機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Tab. 4 Main technical parameters of hydraulic dynamometer

根據(jù)計(jì)算結(jié)果與變量柱塞泵、比例溢流閥的特性分析，液壓測(cè)功機(jī)在加載響應(yīng)動(dòng)態(tài)特性、加載穩(wěn)定性等方面應(yīng)比常規(guī)的直流電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、電渦流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)，為驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際加載能力，我們?cè)诩质『銓帨y(cè)控實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

3.2 比對(duì)試驗(yàn)裝置基本技術(shù)特征

比對(duì)試驗(yàn)選用某公司生產(chǎn)的236 kW直流電力加載型拖拉機(jī)動(dòng)力輸出試驗(yàn)臺(tái)，如圖5所示。

該試驗(yàn)臺(tái)為電機(jī)測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)，采用直流測(cè)功電機(jī)加電阻柜方案，通過控制直流測(cè)功機(jī)勵(lì)磁回路的勵(lì)磁功率實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出加載轉(zhuǎn)矩的控制，其主要參數(shù)見表5。

該型號(hào)測(cè)功系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)各拖拉機(jī)大型生產(chǎn)企業(yè)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)多臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)良好，控制精準(zhǔn)，處于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)拖拉機(jī)PTO試驗(yàn)系統(tǒng)的主流水平，選用該機(jī)型作為對(duì)比臺(tái)架，有較大的參考意義。

圖5 直流電力加載型拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸試驗(yàn)臺(tái)Fig. 5 DC power-loaded tractor power outputshaft test bench

表5 比對(duì)試驗(yàn)用電力測(cè)功機(jī)參數(shù)Tab. 5 Parameters of electric dynamometer forcomparison test

3.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 3871.3—2006《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī) 試驗(yàn)規(guī)程 第3部分：動(dòng)力輸出軸功率試驗(yàn)》要求的試驗(yàn)項(xiàng)目，選作了最大功率試驗(yàn)項(xiàng)目作驗(yàn)證項(xiàng)，最大加載扭矩設(shè)定在2 500 N·m，以每500 N·m為一個(gè)段進(jìn)行設(shè)定，由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行加載，并且在加載至設(shè)定值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，然后完全釋放加載，從空載開始進(jìn)行下一個(gè)扭矩點(diǎn)的測(cè)試，測(cè)試并記錄快加時(shí)間、振蕩時(shí)間、PTO穩(wěn)定轉(zhuǎn)速及扭矩。

為消除拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)因外溫、氣壓、潤(rùn)滑油溫度與粘度等因素影響，采用Z4-355-42/400 kW直流試驗(yàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)內(nèi)輸入某進(jìn)口3204型拖拉機(jī)PTO動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)時(shí)采集的頻譜。即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全模擬該3204機(jī)型的動(dòng)力特性，其動(dòng)力輸出軸功率為200.1 kW，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。轉(zhuǎn)速與扭矩為控制信號(hào)發(fā)出18 s后采集的穩(wěn)態(tài)值。

3.4 比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

液壓測(cè)功機(jī)及比對(duì)電力測(cè)功機(jī)的測(cè)試結(jié)果分別見表6、表7，加載特性曲線分別見圖6、圖7。

表6 液壓測(cè)功機(jī)加載數(shù)據(jù)Tab. 6 Hydraulic dynamometer loading data

圖6 液壓測(cè)功機(jī)加載特性圖(扭矩2 000 N·m)Fig. 6 Loading characteristic diagram of hydraulicdynamometer (torque 2 000 N·m)

表7 比對(duì)電力測(cè)功機(jī)加載數(shù)據(jù)Tab. 7 Compare the load data of the electric dynamometer

圖7 比對(duì)電力測(cè)功機(jī)加載特性圖(扭矩2 000 N·m)Fig. 7 Comparison of loading characteristic diagram ofelectric dynamometer (torque 2 000 N·m)

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際比對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果，證實(shí)液壓加載型拖拉機(jī)PTO動(dòng)力輸出軸功率試驗(yàn)系統(tǒng)與其他加載方式相比，具有以下特點(diǎn)。

1) 質(zhì)量負(fù)載能力大，同等功率的情況小，液壓傳動(dòng)裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。如236 kW的電力加載測(cè)功機(jī)，其總質(zhì)量為7 850 kg，而液壓加載型的測(cè)功裝置，其總質(zhì)量為1 200 kg，質(zhì)量負(fù)載能力是電力測(cè)功機(jī)的6倍，更便于移動(dòng)。

2) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、響應(yīng)特性快。如比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，設(shè)定扭矩為0時(shí)，液壓測(cè)功機(jī)空載扭矩為4.5 N·m，電力測(cè)功機(jī)空載扭矩為24.2 N·m，液壓測(cè)功機(jī)空載扭矩僅為電力測(cè)功機(jī)的1/5；在試驗(yàn)最大扭矩2 000 N·m測(cè)試點(diǎn)，電力測(cè)功機(jī)從信號(hào)發(fā)出到實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)用時(shí)11.8 s，液壓測(cè)功機(jī)用時(shí)6.3 s，響應(yīng)速度是電力加載測(cè)功機(jī)的1.87倍。電力測(cè)功機(jī)的穩(wěn)態(tài)誤差為1.1 N·m，

3) 無需外部輔助能力源即可實(shí)現(xiàn)測(cè)試作業(yè)，如直流電力測(cè)功機(jī)需外部提供冷卻風(fēng)機(jī)、勵(lì)磁控制的電源，236 kW的電力試驗(yàn)臺(tái)架需要不小于25 kW的供電能力，而電渦流測(cè)功機(jī)需要有滿足其流量要求冷卻水源，并且進(jìn)水溫度一般不大于30 ℃，交流電力測(cè)功機(jī)，需要提供大于其裝機(jī)功率的電網(wǎng)，要求更為嚴(yán)格。而液壓測(cè)功機(jī)在工作時(shí)，僅需DC12 V蓄電池提供，3 A的直流電即可實(shí)現(xiàn)測(cè)試，其冷卻由其液壓系統(tǒng)在加載作業(yè)時(shí)輸出的液壓油驅(qū)動(dòng)。

4) 適用范圍廣。由于采用了高壓變量柱塞泵作為主測(cè)功機(jī)，通過改變其斜盤的角度，即可控制其最大的輸出排量，一臺(tái)測(cè)功裝置即可滿足11～236 kW拖拉機(jī)測(cè)式要求，而其他測(cè)功方式，在該功率段，至少需要兩臺(tái)測(cè)功機(jī)方可滿足試驗(yàn)要求。

5) 耐沖擊負(fù)荷、過載能力強(qiáng)，過載時(shí)系統(tǒng)不會(huì)損壞(安全閥自動(dòng)打開)。

6) 使用壽命長(zhǎng)，無維護(hù)部件因測(cè)功回油屬于液壓系統(tǒng)，工作時(shí)主加載系統(tǒng)工作在液壓油內(nèi)，只要按照要求更換液壓油與過濾器濾芯，系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間使用。

但由于液壓加載系統(tǒng)使用液壓油作為工作液體，并且一直工作在高壓高溫下，需要定期更換液壓油，維護(hù)量與其他型測(cè)功機(jī)類型相比，稍有增加。

5 結(jié)論

比對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果表明液壓加載型拖拉機(jī)PTO動(dòng)力輸出軸功率試驗(yàn)裝置能夠滿足GB/T 3871.3—2006《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī) 試驗(yàn)規(guī)程 第3部分：動(dòng)力輸出軸功率試驗(yàn)》中關(guān)于最大功率試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的功率試驗(yàn)、全負(fù)荷下變速試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下與PTO標(biāo)定轉(zhuǎn)速下最大功率時(shí)的變負(fù)荷試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)要求；并且可以完成NY/T 2207—2019《輪式拖拉機(jī)能效等級(jí)評(píng)價(jià)》要求的8工況下的功率試驗(yàn)。

該液壓測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的加載特性與電機(jī)測(cè)功機(jī)相比具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定狀態(tài)與設(shè)定加載值偏差小的特點(diǎn)，加載性能優(yōu)于現(xiàn)有的電力測(cè)功機(jī)，在試驗(yàn)扭矩2 000 N·m測(cè)試點(diǎn)，電力測(cè)功機(jī)從信號(hào)發(fā)出到實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)用時(shí)11.8 s，液壓測(cè)功機(jī)用時(shí)6.3 s，響應(yīng)速度是電力加載測(cè)功機(jī)的1.87倍。

試驗(yàn)過程控制精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；同時(shí)具有便于移動(dòng)、適于監(jiān)督管理部門裝備成牽引式、車載式試驗(yàn)系統(tǒng)，可用于經(jīng)銷商倉庫、田間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、維修現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試作業(yè)，同時(shí)因體積較小，也可以直接在試驗(yàn)室、裝配線上使用。