自走式采棉機(jī)HMCVT換擋規(guī)律研究

鮑明喜，倪向東，李 申，齊慶征

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003）

1 引言

新疆棉花種植面積占全國種植面積的比例正逐年上升，因此，所需采棉機(jī)的數(shù)量也隨之上升。目前，市場上以美國為代表的水平摘錠式采棉機(jī)為主。近幾年，中國采棉機(jī)市場在國家政策的導(dǎo)向下，大力發(fā)展采棉機(jī)行業(yè)，如東華4MA-3 型自走式采棉機(jī)、鐵建重工4MZ-6自走式采棉機(jī)、缽施然4MZ-6A采棉機(jī)、貴航4MZ-5自走式采棉機(jī)。但是國產(chǎn)采棉機(jī)一般以3行采棉機(jī)為主，對(duì)于大功率的多行采棉機(jī)研究還未投入實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。由于采棉機(jī)在多變作業(yè)工況下負(fù)載實(shí)時(shí)變化且為滿足速度適應(yīng)導(dǎo)致檔位繁多，大大增加駕駛員的疲勞強(qiáng)度。液壓機(jī)械無級(jí)變速器（Hy?draulic mechanical continuously variable transmission，HMCVT）將液壓無級(jí)調(diào)速特性和齒輪高效率傳動(dòng)特性相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)HM?CVT前進(jìn)擋或倒退擋內(nèi)無級(jí)變速［1-2］。液壓機(jī)械無級(jí)變速器適用于大功率的農(nóng)業(yè)機(jī)械負(fù)，符合多行自走式采棉機(jī)傳動(dòng)需求。某些大學(xué)將其自主研發(fā)的液壓機(jī)械無級(jí)變速器主要裝備于中、大功率型輪式拖拉機(jī)，對(duì)其進(jìn)行車速及控制策略研究［3-6］。某大學(xué)針對(duì)環(huán)衛(wèi)車實(shí)際工況，提出兩段式HMCVT，并對(duì)其調(diào)速特性與功率特性進(jìn)行分析［7］。某大學(xué)研究了HMCVT在玉米收獲機(jī)、水稻插秧機(jī)中研究應(yīng)用［8-9］。因此，研究HMCVT在自走式采棉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用，為國產(chǎn)自走式采棉機(jī)提供理論依據(jù)。利用ITI Simulation X多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)自走式采棉機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，為液壓機(jī)械無級(jí)變速器裝機(jī)田間試驗(yàn)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 HMCVT簡介

2.1 HMCVT傳動(dòng)原理

本項(xiàng)目根據(jù)自走式采棉機(jī)實(shí)際作業(yè)工況與需求，自主研發(fā)分矩匯速型等差式液壓機(jī)械無級(jí)變速器，可適配自走式采棉機(jī)速度范圍為（0～25）km/h，其HMCVT傳動(dòng)原理［10-13］，如圖1所示。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)采用HPV-02閉式回路高壓變量泵和HMF-02定量馬達(dá)，根據(jù)輸入轉(zhuǎn)速和變量機(jī)構(gòu)擺動(dòng)角度的不同，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的流量，從而改變定量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括雙排差動(dòng)行星輪系、濕式離合器和制動(dòng)器。其中，雙排差動(dòng)行星輪系的太陽輪共用定量馬達(dá)輸出軸，前行星輪系行星架接入濕式離合器C1，后行星輪系齒圈接入濕式離合器C2。制動(dòng)器通過鎖定后行星輪系的齒圈，使其由定量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速通過行星架向后輸出。該HMCVT包含R擋、純液壓段H擋、液壓機(jī)械HM1擋、液壓機(jī)HM2擋，其中R擋，純液壓段H擋、液壓機(jī)械HM1擋、液壓機(jī)HM2擋是前進(jìn)擋。當(dāng)HMCVT處于R擋、純液壓段H擋時(shí)，制動(dòng)器鎖死，濕式離合器C1、C2分離，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過泵控馬達(dá)系統(tǒng)，流經(jīng)后行星輪系行星架傳輸；當(dāng)HMCVT處于純液壓段HM1擋時(shí)，制動(dòng)器分離，濕式離合器C1結(jié)合，濕式離合器C2分離，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過泵控馬達(dá)系統(tǒng)與前行星輪系匯流，流經(jīng)后行星輪系行星架輸出；當(dāng)HMCVT處于純液壓段HM2擋時(shí)，制動(dòng)器分離，濕式離合器C1分離，濕式離合器C2接合，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過泵控馬達(dá)系統(tǒng)與后行星輪系匯流，流經(jīng)后行星輪系行星架輸出。

圖1 液壓機(jī)械無級(jí)傳動(dòng)原理簡圖Fig.1 Hydraulic Machinery Stepless Transmission Principle Diagram

2.2 HMCVT換擋控制策略

這里所設(shè)計(jì)的HMCVT 控制策略是采用兩個(gè)離合器和制動(dòng)器相互配合的方式進(jìn)行聯(lián)合控制。針對(duì)不同的作業(yè)工況和作業(yè)速度采用不同的配合方式，滿足自走式采棉機(jī)在各種作業(yè)條件下的行駛需求。

表1 離合器和制動(dòng)器結(jié)合位點(diǎn)圖Tab.1 Map of Clutch and Brake Binding Points

3 發(fā)動(dòng)機(jī)特性

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)每輸出1kW?h的有效功所消耗的燃油量（以g為單位）稱為有效燃油消耗率。其公式如下所示：

式中：Be—發(fā)動(dòng)機(jī)小時(shí)耗油量，g/h；

d—燃油比重；

Ne—發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；

be—發(fā)動(dòng)機(jī)單位有效功率的耗油量，單位g（/W?h）；

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)特性

自走式采棉機(jī)因其作業(yè)工況下負(fù)載實(shí)時(shí)變化，在一定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，其燃油消耗量與負(fù)荷變化曲線圖，如圖2所示。

圖2 負(fù)荷特性曲線Fig.2 Load Characteristic Curve

發(fā)動(dòng)機(jī)控制曲線圖是在不同油門踏板下，測出其轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩繪制的三維數(shù)組模型圖，如圖3所示。燃油消耗率曲線圖測試了不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下的燃油消耗率，如圖4所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)控制曲線圖Fig.3 Engine Control Curve

圖4 燃油消耗率曲線圖Fig.4 Fuel Consumption Curve

4 自走式采棉機(jī)仿真模型的建立

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型

如圖5所示，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件simulation X建立了4缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型。發(fā)動(dòng)機(jī)輸入為油門踏板信號(hào)，輸出轉(zhuǎn)速由發(fā)動(dòng)機(jī)控制曲線圖決定。油門踏板信號(hào)由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速通過PT（一階低通濾波器）與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差通過比例微分調(diào)節(jié)器（PI）控制。其中，一階低通濾波器參數(shù)為：增益G=1；時(shí)間常數(shù)T=1（/2*pi*5′Hz′）s；比例微分調(diào)節(jié)器（PI）參數(shù)為：增益G=0.02；積分時(shí)間Ti=1.7 s；積分初始值y0=0.24 rad/s。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Engine System Simulation Model

HMCVT換擋過程因離合器液壓系統(tǒng)的非線性充油特性是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，由三相異步電動(dòng)機(jī)（額定轉(zhuǎn)速1450r/min）驅(qū)動(dòng)供油泵為濕式離合器供油，完成自走式采棉機(jī)的換擋。

圖6 離合器液壓系統(tǒng)仿真模型Fig.6 Clutch Hydraulic System Simulation Model

4.2 自走式采棉機(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型

根據(jù)液壓機(jī)械無級(jí)變速器數(shù)學(xué)模型，利用ITI simulationX軟件對(duì)自走式采棉機(jī)采用約翰迪爾L70谷物聯(lián)合收割機(jī)為對(duì)象進(jìn)行HMCVT的動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖7所示。HMCVT仿真模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、變量泵—定量馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)模型、雙排差動(dòng)行星輪系、制動(dòng)器模型、離合器液壓系統(tǒng)模型、自走式采棉機(jī)行駛模型等。變量泵—定量馬達(dá)容積調(diào)速系統(tǒng)模型采用液壓軟管，長度為1.6m，更加符合液壓實(shí)際要求。自走式采棉機(jī)行駛模型包括車重、空氣阻力、行駛阻力和外負(fù)載以及差動(dòng)齒輪模塊、車輪模塊。

圖7 自走式采棉機(jī)HMCVT動(dòng)態(tài)仿真模型Fig.7 Self-Propelled Cotton Picker HMCVT Dynamic Simulation Model

式中：Fr—滾動(dòng)阻力，N；Fa—空氣阻力，N；m—自走式采棉機(jī)車重，kg；rw—車輪半徑，m。

5 自走式采棉機(jī)仿真試驗(yàn)

當(dāng)給定發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速在2200rpm 和變量泵控制信號(hào)時(shí)，（0～5）s是純液壓段H擋，排量比（0～1）連續(xù)變化；（5～15）s是液壓機(jī)械段HM1擋，排量比（1～-1）連續(xù)變化；（15～25）s是液壓機(jī)械段HM2擋，排量比（-1～1）連續(xù)變化；在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速變化曲線，如圖8所示。在排量比分別為1、-1位點(diǎn)時(shí)，自走式采棉機(jī)在純液壓段H擋換至液壓機(jī)械段HM1擋和液壓機(jī)械段HM1擋換至液壓機(jī)械段HM2擋階段中，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速均產(chǎn)生波動(dòng)，但最終發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于2200rpm。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速Fig.8 Engine Output Speed

自走式采棉機(jī)在行駛階段燃油消耗率，如圖9所示。自走式采棉機(jī)在換擋階段，其燃油消耗率均出現(xiàn)較大幅度的上升；這表明自走式采棉機(jī)在換擋過程中為實(shí)現(xiàn)完全換擋消耗的燃油量較多。自走式采棉機(jī)行駛速度范圍為（0～25）km/h，完全符合自走式采棉機(jī)在各種作業(yè)工況和非作業(yè)工況的行駛要求。在行駛過程中，由于換擋過程離合器充油特性會(huì)產(chǎn)生沖擊度，導(dǎo)致一定的速度下降。車輛行駛速度，如圖10所示。車輛行駛位移，如圖11所示。

圖9 車輛燃油消耗率曲線圖Fig.9 Vehicle Fuel Consumption Curve

圖10 車輛行駛速度曲線圖Fig.10 Vehicle Speed Curve

圖11 車輛行駛位移曲線圖Fig.11 Vehicle Displacement Curve

5 結(jié)論

針對(duì)大功率國產(chǎn)采棉機(jī)對(duì)液壓機(jī)械無級(jí)變速器在自走式采棉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，為國產(chǎn)自走式采棉機(jī)提供理論依據(jù)。（1）利用ITI SimulationX 多體動(dòng)力學(xué)軟件建立液壓機(jī)械無級(jí)變速器仿真模型及自走式采棉機(jī)行走機(jī)構(gòu)仿真模型，得出自走式采棉機(jī)行駛速度及行駛位移并進(jìn)行分析。（2）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率進(jìn)行分析，并測試發(fā)動(dòng)機(jī)油門踏板—轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩控制曲線圖和轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩—燃油消耗率曲線圖。（3）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速通過PT（一階低通濾波器）與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差通過比例微分調(diào)節(jié)器（PI）進(jìn)行控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定輸出。