拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)載荷加載平臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王禹， 王玲， 宗建華， 呂東曉， 王書茂

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

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)了國(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，農(nóng)機(jī)產(chǎn)品制造質(zhì)量與作業(yè)性能參差不齊，在很大程度上制約了我國(guó)農(nóng)機(jī)技術(shù)水平的提高。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)范農(nóng)機(jī)檢測(cè)與試驗(yàn)［3］。

拖拉機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與試驗(yàn)方法主要針對(duì)以下4個(gè)方面：拖拉機(jī)牽引功率試驗(yàn)［4-5］、拖拉機(jī)動(dòng)力輸出性能試驗(yàn)［6-8］、后置三點(diǎn)懸掛提升能力試驗(yàn)以及拖拉機(jī)可靠性測(cè)試［9-12］。為實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)性能檢測(cè)，需要研制相對(duì)應(yīng)的加載試驗(yàn)臺(tái)，如動(dòng)力輸出軸加載試驗(yàn)臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架、轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)以及液壓加載試驗(yàn)臺(tái)。但上述類型的加載試驗(yàn)臺(tái)大都存在功能單一、占地面積大、成本高、檢測(cè)與控制自動(dòng)化程度低、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)等不足［13-15］。不僅如此，在當(dāng)前拖拉機(jī)性能試驗(yàn)中，大多以靜態(tài)載荷或靜態(tài)分級(jí)載荷的形式對(duì)拖拉機(jī)各項(xiàng)性能進(jìn)行加載測(cè)試，這種加載方法輸出的載荷特性與拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)所承受的載荷不盡相同［16］，導(dǎo)致性能檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際使用情況存在差異。若采用田間試驗(yàn)，由于拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、載荷隨機(jī)性強(qiáng)，不僅加載精度無法保證，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率不高。因此，開發(fā)一種綜合性、可移動(dòng)、低成本且能夠模擬田間作業(yè)載荷的拖拉機(jī)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。為此，本文提出了一種適用于中小型拖拉機(jī)的動(dòng)態(tài)載荷加載平臺(tái)，為拖拉機(jī)性能及可靠性試驗(yàn)提供解決方案。

1 材料與方法

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)載荷加載平臺(tái)總體功能設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，功能1～4為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的拖拉機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)試驗(yàn)，功能5和6是基于基礎(chǔ)試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的復(fù)合加載試驗(yàn)，功能7～9作為擴(kuò)展試驗(yàn)可進(jìn)一步對(duì)拖拉機(jī)相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證與測(cè)試。所有功能既相互獨(dú)立又緊密聯(lián)系，試驗(yàn)方案與流程相輔相成。

圖1 拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)載荷加載平臺(tái)功能Fig.1 Function of dynamic loading bench for tractor

加載平臺(tái)功能設(shè)計(jì)總體方案如圖2所示，主要包括三點(diǎn)懸掛加載系統(tǒng)、動(dòng)力輸出軸（power take off，PTO）加載系統(tǒng)以及牽引加載系統(tǒng)3個(gè)部分，分別用來實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)牽引性能加載測(cè)試、動(dòng)力輸出軸性能加載測(cè)試以及懸掛性能加載測(cè)試。在測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，基于NI-FPGA模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)信號(hào)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加載參數(shù)的自動(dòng)化檢測(cè)與控制，基于LabVIEW開發(fā)無線上位機(jī)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與人機(jī)交互。

圖2 拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)載荷加載平臺(tái)總體方案Fig.2 Overall scheme of dynamic loading bench for tractor

1.2 加載系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)載荷加載平臺(tái)3個(gè)部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 加載平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Inner structure of loading bench

1.2.1 三點(diǎn)懸掛加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 三點(diǎn)懸掛加載系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)相關(guān)試驗(yàn)，主要包括提升力加載油缸、懸掛提升框架、定滑輪機(jī)構(gòu)、鋼絲繩、各傳感器以及液壓泵站（圖3），其原理如圖4所示。拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)通過懸掛提升框架與提升加載油缸連接；提升加載油缸采用橫臥式安裝在加載平臺(tái)底盤中央位置，通過定滑輪改變加載方向，該結(jié)構(gòu)可適應(yīng)拖拉機(jī)的提升行程范圍，并免除挖鑿地坑的麻煩；采用模糊PID控制對(duì)電液伺服比例溢流閥與電液比例換向閥實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)液壓加載控制；提升行程通過位移傳感器來檢測(cè)并反饋到控制系統(tǒng)。

圖4 三點(diǎn)懸掛加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理Fig.4 Structure and principle of the three-point hitch loading system

1.2.2 PTO加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PTO加載系統(tǒng)主要用來完成拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸相關(guān)試驗(yàn)，由電渦流測(cè)功機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器以及端面齒萬向節(jié)聯(lián)軸器組成（圖3）。加載平臺(tái)采用2臺(tái)電渦流測(cè)功機(jī)串聯(lián)的形式來實(shí)現(xiàn)PTO轉(zhuǎn)矩加載，最大轉(zhuǎn)矩加載范圍為3 000 N·m；端面齒萬向節(jié)聯(lián)軸器用來保證在傳遞轉(zhuǎn)矩的同時(shí)降低緩速器的徑向竄動(dòng)，并縮短安裝距離；轉(zhuǎn)矩傳感器用來檢測(cè)實(shí)時(shí)加載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大小，反饋到控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制；采用CAN總線通訊實(shí)現(xiàn)測(cè)功機(jī)狀態(tài)的控制與監(jiān)測(cè)。

1.2.3 牽引加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 牽引加載系統(tǒng)主要用來模擬拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)受到的地面動(dòng)態(tài)阻力，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)牽引負(fù)荷的加載，由地輪輪轂、傳動(dòng)鏈輪、氣動(dòng)盤式剎車器、電氣比例閥、氣泵及通氣閥組成（圖3），其結(jié)構(gòu)和原理如圖5所示。加載平臺(tái)牽引負(fù)荷主要通過輪胎制動(dòng)實(shí)現(xiàn)：地輪輪轂通過鏈輪與傳動(dòng)轉(zhuǎn)軸連接，當(dāng)傳動(dòng)轉(zhuǎn)軸制動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩通過該機(jī)構(gòu)傳遞到地輪，地輪即產(chǎn)生制動(dòng)力；傳動(dòng)轉(zhuǎn)軸上固定有4組氣動(dòng)盤式剎車器，通過電氣比例閥控制輸入到剎車器的氣壓大小實(shí)現(xiàn)剎車器壓緊力控制，進(jìn)而控制傳動(dòng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；為了保證牽引加載時(shí)轉(zhuǎn)軸受力平衡，采用通氣閥來保證其輸入氣壓一致；牽引力通過傳感器反饋到控制器，最終實(shí)現(xiàn)牽引力的動(dòng)態(tài)控制。

圖5 牽引結(jié)構(gòu)和加載原理Fig.5 Structure and principle of traction loading

1.3 加載平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)加載平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)及測(cè)控要求，基于NI-FPGA模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)加載平臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)。加載平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及無線上位機(jī)軟件平臺(tái)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制器采用NI-CompactRIO嵌入式系統(tǒng)，F(xiàn)PGA板卡采用NI-9381、NI-9361、NI-9853，能夠?qū)崿F(xiàn)16路模擬量輸入輸出、8路數(shù)字量輸入輸出、8路頻率量輸入以及CAN總線通訊。無線上位機(jī)軟件平臺(tái)基于LabVIEW開發(fā)，結(jié)合加載平臺(tái)功能開發(fā)對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)加載平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與加載控制。測(cè)控軟件平臺(tái)的主要功能分為3部分：①數(shù)據(jù)顯示與處理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)加載參數(shù)的顯示、儲(chǔ)存與分析；②動(dòng)態(tài)加載控制功能，按照實(shí)際加載要求實(shí)現(xiàn)對(duì)各系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制；③調(diào)試功能，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)及標(biāo)定傳感器。

1.4 加載平臺(tái)性能驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 以拖拉機(jī)PTO加載系統(tǒng)為例，對(duì)加載平臺(tái)性能進(jìn)行驗(yàn)證。PTO加載控制系統(tǒng)采用PID控制器，其原理如圖6所示，上位機(jī)平臺(tái)根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩傳感器采集到的轉(zhuǎn)矩計(jì)算差值，輸入到PID控制器，輸出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大模塊輸出到電渦流測(cè)功機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。在PTO加載系統(tǒng)研制完成后，利用MATLAB對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析，確定PID控制參數(shù)。

圖6 PTO轉(zhuǎn)矩控制原理Fig.6 Loading principle of PTO torque

加載試驗(yàn)采用50馬力（36.75 kW）三相電機(jī)（YVP-225S-8，六安益升電機(jī)有限公司）模擬拖拉機(jī)PTO，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)加載性能進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)，通過萬向節(jié)聯(lián)軸器連接試驗(yàn)臺(tái)與電機(jī)，設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速為540 r·min?1。加載方案分為靜態(tài)加載試驗(yàn)、正弦加載試驗(yàn)以及載荷譜加載試驗(yàn)。

1.4.2 靜態(tài)加載試驗(yàn)設(shè)計(jì) 靜態(tài)加載試驗(yàn)采用靜態(tài)逐級(jí)加載的方式，利用加載平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載控制以驗(yàn)證加載準(zhǔn)確性。所采用的50馬力（36.75 kW）三相電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩約為350 N·m，在靜態(tài)加載試驗(yàn)中，按照其最大轉(zhuǎn)矩設(shè)置8個(gè)等級(jí)，分別為12.5%、25.0%、37.5%、50.0%、62.5%、75.0%、87.5%、100.0%，對(duì)應(yīng)加載轉(zhuǎn)矩分別為43.75、87.50、131.24、175.00、218.75、262.50、306.25和350 N·m；每級(jí)加載時(shí)間為8 s。

1.4.3 正弦加載試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用正弦信號(hào)作為目標(biāo)輸入信號(hào)，測(cè)試正弦加載平臺(tái)對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的跟隨效果。正弦信號(hào)周期為8 s，幅值為175 N·m，整體偏移量為+175 N·m，相位偏移為0。

1.4.4 載荷譜加載試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用基于超閾值模型的時(shí)域外推方法［17-18］編制TS404型號(hào)拖拉機(jī)旋耕作業(yè)時(shí)的PTO轉(zhuǎn)矩載荷數(shù)據(jù)，得到轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)載荷譜，以此為目標(biāo)信號(hào)輸入到PTO加載平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，載荷譜加載頻率與采樣頻率均為20 Hz。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)加載試驗(yàn)結(jié)果分析

靜態(tài)加載試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可以看出，PTO加載試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)矩加載過程中存在控制死區(qū)，其轉(zhuǎn)矩死區(qū)范圍約為［0 N·m，23.2 N·m］，該死區(qū)是在萬向節(jié)聯(lián)軸器連接時(shí)由于高度差帶來的轉(zhuǎn)動(dòng)不平順引起的轉(zhuǎn)矩誤差。在加載過程中，PTO加載系統(tǒng)響應(yīng)最大延時(shí)約為0.4 s，1.2 s后達(dá)到穩(wěn)定，最大超調(diào)量為0.31%，最大穩(wěn)態(tài)誤差為0.33%；加載過程中，實(shí)際加載曲線與目標(biāo)曲線的相關(guān)系數(shù)為0.995 1，擬合優(yōu)度為13.45 N·m，可滿足拖拉機(jī)PTO靜態(tài)加載測(cè)試要求。

圖7 靜態(tài)逐級(jí)加載試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Result of static step loading test

2.2 正弦動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖8可以看出，控制死區(qū)依舊存在，在正弦信號(hào)［0 N·m，23.2 N·m］區(qū)間內(nèi)，加載轉(zhuǎn)矩?zé)o法跟隨。在加載過程中，系統(tǒng)最大響應(yīng)延遲為0.4 s，無超調(diào)量，最大誤差為4.57%；加載過程中，實(shí)際加載曲線與目標(biāo)曲線的相關(guān)系數(shù)為0.998 3，擬合優(yōu)度為41.59 N·m，表明加載平臺(tái)基本還原了目標(biāo)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了正弦信號(hào)的跟隨，其響應(yīng)特性能夠滿足拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)加載測(cè)試。

圖8 正弦動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Result of sine dynamic loading test

2.3 載荷譜加載試驗(yàn)結(jié)果分析

前200 s載荷譜加載試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。系統(tǒng)最大延時(shí)為0.8 s，最大超調(diào)量為9.81%，最大誤差為4.78%。在載荷譜加載區(qū)間內(nèi)，加載系統(tǒng)實(shí)際加載轉(zhuǎn)矩與載荷譜轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.997 0，擬合優(yōu)度為18.94 N·m。結(jié)果表明，PTO加載系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地模擬實(shí)際作業(yè)載荷譜，完整地還原了PTO轉(zhuǎn)矩載荷時(shí)間歷程，可以用于PTO載荷譜加載試驗(yàn)。

圖9 載荷譜加載試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Result of load spectrum loading test

3 討論

目前，拖拉機(jī)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)主要有室內(nèi)固定試驗(yàn)臺(tái)和移動(dòng)負(fù)荷車。針對(duì)室內(nèi)固定試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)龐大、成本高、移動(dòng)負(fù)荷車功能單一等問題，本研究設(shè)計(jì)了一種適用于中小型拖拉機(jī)的移動(dòng)式多功能拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)載荷加載平臺(tái)，作為固定試驗(yàn)臺(tái)在對(duì)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出系統(tǒng)及懸掛系統(tǒng)加載的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)牽引負(fù)荷加載試驗(yàn)；加載平臺(tái)集成度高、可靠性強(qiáng)，可有效提升中小型拖拉機(jī)性能試驗(yàn)的自動(dòng)化程度。

在設(shè)計(jì)過程中，基于一機(jī)多用思想對(duì)拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)載荷加載平臺(tái)的加載功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)牽引性能、動(dòng)力輸出性能以及三點(diǎn)懸掛性能相關(guān)試驗(yàn)?；诟黜?xiàng)功能開發(fā)拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)載荷加載平臺(tái)軟硬件系統(tǒng)，整體可以分為三點(diǎn)懸掛加載系統(tǒng)、PTO加載系統(tǒng)、拖拉機(jī)牽引加載系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)，能夠?yàn)橥侠瓩C(jī)綜合性檢測(cè)提供解決方案。拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)載荷譜加載平臺(tái)的主要特點(diǎn)是可根據(jù)田間作業(yè)載荷實(shí)現(xiàn)載荷譜動(dòng)態(tài)加載，從而在室內(nèi)模擬田間作業(yè)工況對(duì)拖拉機(jī)各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，提高檢測(cè)效率。

以PTO加載試驗(yàn)為例，分別采用靜態(tài)逐級(jí)加載、正弦信號(hào)加載以及載荷譜加載試驗(yàn)對(duì)加載控制效果進(jìn)行了驗(yàn)證。PTO加載系統(tǒng)采用PID控制器，靜態(tài)逐級(jí)加載與正弦信號(hào)加載試驗(yàn)表明，PTO加載系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、控制精度、系統(tǒng)超調(diào)量可以滿足實(shí)際加載需要；在載荷譜加載試驗(yàn)中，以TS404旋耕作業(yè)時(shí)編制得到的載荷譜作為加載信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果表明，PTO加載系統(tǒng)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)加載，可以完整還原PTO轉(zhuǎn)矩載荷的時(shí)間歷程，實(shí)現(xiàn)載荷譜加載和試驗(yàn)，但同時(shí)PTO系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載控制效果還有更進(jìn)一步提升的可能，后續(xù)研究過程中需采用多種控制算法進(jìn)行優(yōu)化和對(duì)比，從而提升其響應(yīng)時(shí)間和精度。