履帶式聯(lián)合收割機(jī)變速箱總成疲勞試驗(yàn)臺(tái)的研制

竹瑞珩 李耀明 唐 忠 徐立章 馬 征

（江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

履帶式聯(lián)合收割機(jī)以水稻、小麥等為主要收獲作物，比較適用于南方地區(qū)含水率較大的農(nóng)田。相比于輪式底盤(pán)，履帶行走底盤(pán)增大了整車(chē)與濕田的接觸面積，具有更高的整機(jī)通過(guò)性[1-2]。其中，差逆變速箱作為傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，與傳統(tǒng)機(jī)械式變速箱不同，其引入電控、液控元件代替常規(guī)的機(jī)械制動(dòng)形式，可實(shí)現(xiàn)自由半徑轉(zhuǎn)向、單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向以及差逆轉(zhuǎn)向等模式。但是，在正常使用過(guò)程中，變速箱受田間復(fù)雜的交變載荷沖擊作用，其高速齒輪副容易出現(xiàn)脫嚙、打齒、點(diǎn)蝕、疲勞斷裂等故障，嚴(yán)重影響整機(jī)的可靠性和無(wú)故障工作時(shí)長(zhǎng)[3-7]。

為了解決田間作業(yè)時(shí)差逆變速箱內(nèi)部齒輪副故障率較高等問(wèn)題，提高履帶式聯(lián)合收割機(jī)行走底盤(pán)的可靠性，本文中以研發(fā)的單液壓無(wú)級(jí)變速器（Hydro static transmission，HST）液壓機(jī)械式差逆變速箱為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)并搭建了一種模擬聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)、道路行走等工況的變速箱總成疲勞試驗(yàn)臺(tái)，并開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)。

1 差逆變速箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及原理概述

差逆變速箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，輸入動(dòng)力為65～75 kW，與48 mL/r 液壓無(wú)級(jí)變速箱（HST）相匹配。駕駛員只需借助操縱手柄來(lái)改變HST 內(nèi)部柱塞泵的斜盤(pán)傾角，即可實(shí)現(xiàn)輸入軸轉(zhuǎn)速與方向的無(wú)級(jí)控制。其傳動(dòng)原理圖如圖2所示。

圖1 差逆變速箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of differential steering gearboxs

圖2 逆差變速箱傳動(dòng)原理圖Fig.2 Transmission schematic diagram of differential steering gearboxs

工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力通過(guò)皮帶輸出到HST 上，借助花鍵聯(lián)接將動(dòng)力傳遞給第一級(jí)齒輪傳動(dòng)（輸入主動(dòng)齒輪1、從動(dòng)齒輪2）。二軸上的換擋變速齒輪3 可分別與各擋位從動(dòng)齒輪（4、5、6）嚙合，組成差逆變速箱的直線換擋機(jī)構(gòu)，借助換擋撥叉即可實(shí)現(xiàn)1 擋、2 擋、3 擋的切換。之后，動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)齒輪7 傳輸至離合主動(dòng)齒輪8、從動(dòng)齒輪9，該對(duì)齒輪以牙嵌形式聯(lián)接，通過(guò)控制換向撥叉的旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)牙嵌結(jié)構(gòu)的接合與分離。正常接合情況下，動(dòng)力將經(jīng)過(guò)最后一級(jí)齒輪傳動(dòng)（雙聯(lián)齒輪12、主減齒輪13）傳遞至左右輸出半軸，此時(shí)，兩側(cè)動(dòng)力同向且等值，實(shí)現(xiàn)行走底盤(pán)的前進(jìn)/后退功能。

當(dāng)某側(cè)的牙嵌結(jié)構(gòu)分離時(shí)，若執(zhí)行單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向模式，離合從動(dòng)齒輪會(huì)在單邊制動(dòng)齒輪抱死的作用下切斷該側(cè)的動(dòng)力傳遞，另一側(cè)動(dòng)力正常輸出，此時(shí)，行走底盤(pán)的轉(zhuǎn)向半徑約為履帶中心距的一半；若執(zhí)行差逆制動(dòng)轉(zhuǎn)向模式，離合器10 的中央齒圈會(huì)在差逆轉(zhuǎn)向制動(dòng)齒輪11 抱死的作用下停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，借助內(nèi)部行星齒輪的嚙合將另一側(cè)的動(dòng)力反向等值傳遞到該側(cè)的離合從動(dòng)齒輪上；最終，動(dòng)力經(jīng)雙聯(lián)齒輪、主減齒輪傳遞到輸出半軸，此時(shí)，行走底盤(pán)的轉(zhuǎn)向半徑理論上等于0。

2 變速箱總成疲勞試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)需求

為了能夠最大程度模擬聯(lián)合收割機(jī)實(shí)際使用過(guò)程中的各種工況載荷，變速箱總成疲勞試驗(yàn)臺(tái)不僅需要有充足的動(dòng)力源儲(chǔ)備，還要求加載裝置具有加載轉(zhuǎn)矩大、調(diào)節(jié)范圍廣、轉(zhuǎn)矩不受轉(zhuǎn)速影響等特性[8-12]。同時(shí)，由于差逆變速箱需要利用液壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向與原地轉(zhuǎn)向等模式，試驗(yàn)臺(tái)還需要安裝液壓站以滿(mǎn)足疲勞試驗(yàn)的需求。

此外，試驗(yàn)臺(tái)兩端轉(zhuǎn)矩的加載需要具備人工控制或程序控制兩種形式，保證控制單元能夠分別獨(dú)立調(diào)節(jié)。為了對(duì)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、油溫等試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要選用適合的傳感器測(cè)量并實(shí)時(shí)顯示在儀表上，以便進(jìn)行試驗(yàn)記錄。

2.2 驅(qū)動(dòng)裝置選型

聯(lián)合收割機(jī)上常用的動(dòng)力源是柴油機(jī)，但其存在噪聲污染大、柴油成本高的缺陷，較少應(yīng)用于疲勞試驗(yàn)臺(tái)。采用了一臺(tái)型號(hào)為YP2-280S-4的寬頻三相異步電動(dòng)機(jī)（見(jiàn)圖3）作為試驗(yàn)臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)一條5槽B型皮帶將動(dòng)力傳遞到差逆變速箱的輸入端。該驅(qū)動(dòng)裝置具有動(dòng)力儲(chǔ)備足、噪聲小、無(wú)污染、成本低等優(yōu)點(diǎn)。其主要參數(shù)如表1所示。

圖3 寬頻三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)Fig.3 Broadband three-phase asynchronous drive motor

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of drive motor

2.3 加載裝置選型

常見(jiàn)的轉(zhuǎn)矩加載裝置包括水力測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)、電力測(cè)功機(jī)、磁滯測(cè)功機(jī)及磁粉制動(dòng)器等。其中，磁粉制動(dòng)器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理通過(guò)磁粉傳遞與傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，具有在滑差功率允許范圍內(nèi)激磁電流與制動(dòng)轉(zhuǎn)矩基本呈線性關(guān)系的特性，是一種便于程序控制、加載穩(wěn)定且響應(yīng)速度較快的自動(dòng)控制元件[13]。

選用CZ-200 型磁粉制動(dòng)器與ZDY200-5-1/2 型減速箱組合的形式（見(jiàn)圖4）作為疲勞試驗(yàn)臺(tái)的加載裝置。與僅使用磁粉制動(dòng)器相比，選用較小的磁粉制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)疲勞試驗(yàn)所需要的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可極大地節(jié)約設(shè)備成本。磁粉制動(dòng)器的性能參數(shù)如表2所示。

圖4 加載裝置Fig.4 Loading device

表2 磁粉制動(dòng)器的性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of magnetic particle brake

2.4 溫度傳感器選型

溫度傳感器按測(cè)量方式一般分為接觸式和非接觸式兩類(lèi)。根據(jù)材料選用、測(cè)溫要求以及電子元件特性又可分為熱電阻和熱電偶感應(yīng)傳感器?？紤]到差逆變速箱的實(shí)際安裝需要，選用型號(hào)為PT100 的小貼片表面溫度傳感器（見(jiàn)圖5）。其規(guī)格及性能參數(shù)如表3所示。

圖5 溫度傳感器Fig.5 Temperature sensor

表3 溫度傳感器規(guī)格及性能參數(shù)Tab.3 Specifications and performance parameters of temperature sensors

2.5 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器選型

由于疲勞試驗(yàn)周期長(zhǎng)且試驗(yàn)過(guò)程中存在各種干擾因素，選用的傳感器應(yīng)滿(mǎn)足高轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以及較強(qiáng)抗干擾能力的要求。選用型號(hào)為CYB-803S的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器（見(jiàn)圖6），可以將采集到的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)7芯航空線纜傳輸?shù)娇刂茊卧小鞲衅餍阅軈?shù)如表4所示。

圖6 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器Fig.6 Torque speed sensors

表4 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的性能參數(shù)Tab. 4 Performance parameters of torque speed sensors

3 變速箱總成疲勞試驗(yàn)臺(tái)的搭建

3.1 試驗(yàn)臺(tái)整體布置及結(jié)構(gòu)框圖

差逆變速箱總成疲勞試驗(yàn)臺(tái)的整體布置和結(jié)構(gòu)框圖分別如圖7、圖8 所示。試驗(yàn)臺(tái)由寬頻三相異步電動(dòng)機(jī)、5 槽B 型皮帶及皮帶輪、被測(cè)物（變速箱）、萬(wàn)向聯(lián)軸器、滑動(dòng)軸承、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速及溫度傳感器、減速箱、磁粉制動(dòng)器、各部件間的聯(lián)軸器、液壓站、主電源柜、中央控制柜、底座及墊塊等組成。同時(shí)，底座上設(shè)有T 形槽，除中央控制柜、主電源柜、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀外，其余各部件通過(guò)固定支座安裝在底座上，可以方便地進(jìn)行位置調(diào)整。

圖7 變速箱總成疲勞試驗(yàn)臺(tái)架Fig.7 Fatigue test bench for gearbox assembly

圖8 整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Overall structure block diagram

臺(tái)架整體呈“T”字形布置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，左右兩側(cè)磁粉制動(dòng)器配有專(zhuān)門(mén)的供水冷卻管路，冷卻效果良好。

試驗(yàn)時(shí)，主電源柜供電啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)B型帶及皮帶輪將動(dòng)力傳遞給變速箱輸入端，帶動(dòng)箱體運(yùn)轉(zhuǎn)。以程序控制為例，中央控制柜上的PCI-1710HGU 板卡在Labview 軟件控制下輸出0～5 V 的?？仉妷海?jīng)控制器及傳輸線路傳輸至加載裝置，產(chǎn)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩；再經(jīng)減速箱放大、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、滑動(dòng)軸承、萬(wàn)向聯(lián)軸器后，施加在變速箱兩端的輸出軸上。

3.2 主電源柜

主電源柜如圖9所示，主要用于控制驅(qū)動(dòng)裝置的啟動(dòng)、急停以及小型液壓站的啟停。該電源柜保證了試驗(yàn)過(guò)程中的動(dòng)力供給以及發(fā)生故障時(shí)及時(shí)的動(dòng)力切斷。

圖9 主電源柜Fig.9 Main power cabinet

主電源柜與驅(qū)動(dòng)電機(jī)間的電氣原理圖如圖10所示。通常情況下，鼠籠型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流為其額定電流的5～7 倍。大電流帶來(lái)了較大的電壓降，當(dāng)電壓降達(dá)到一定值時(shí)會(huì)影響同一電網(wǎng)下的其他電氣設(shè)備。為了不形成對(duì)公共電網(wǎng)電壓的過(guò)大沖擊，需要采用降壓?jiǎn)?dòng)的方式，即通過(guò)降低電機(jī)定子的啟動(dòng)電壓來(lái)限制其過(guò)大的啟動(dòng)電流。采用星形啟動(dòng)換接三角形啟動(dòng)的方式來(lái)達(dá)到試驗(yàn)臺(tái)降壓?jiǎn)?dòng)的目的。

圖10 電控原理圖Fig.10 Electrical schematic diagram

3.3 中央控制柜

中央控制柜（見(jiàn)圖11）作為變速箱總成疲勞試驗(yàn)臺(tái)架的控制核心，可實(shí)現(xiàn)控制加載裝置施加負(fù)載、執(zhí)行3種液控轉(zhuǎn)向模式以及實(shí)時(shí)顯示被測(cè)物測(cè)點(diǎn)溫度和輸出端轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信息等功能。

圖11 中央控制柜操作界面Fig.11 Operation interface of central control cabinet

其中，紅色矩形框①為臺(tái)架左右兩端磁粉制動(dòng)器的控制器，可以選擇采用手動(dòng)或電腦程序控制，兩端加載相互獨(dú)立且互不影響；黃色矩形框②、綠色矩形框③分別為左右輸出端轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的顯示儀表；紫色矩形框④為差逆變速箱上3個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度顯示儀表；左下角的藍(lán)色矩形框⑤為小型液壓站的控制旋鈕，用于實(shí)現(xiàn)差逆變速箱的自由半徑轉(zhuǎn)向、單邊制動(dòng)轉(zhuǎn)向及差逆轉(zhuǎn)向。

3.4 液壓站

液壓站如圖12 所示。主要用于控制差逆變速箱的左右換向油缸以及制動(dòng)轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向的制動(dòng)油缸。其液控油路圖如圖13所示。

圖12 液壓站Fig.12 Hydraulic station

圖13 液控油路圖Fig.13 Hydraulic control oil circuit diagram

3.5 程序控制系統(tǒng)

中央控制柜上的加載裝置程序控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖14）采用虛擬儀器軟件Labview 編制而成，操作簡(jiǎn)單，加載靈敏[14]。在界面上可以完成載荷大小、頻率以及加載形式的編制。同時(shí)，軟件通過(guò)脈沖采集器可實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)并以EXCEL 表格形式保存到提前設(shè)定的文件中。此外，軟件還可設(shè)定加載時(shí)間、采集時(shí)間，從而提高試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)化程度。

圖14 程序控制界面Fig.14 Program control interface

4 疲勞試驗(yàn)及結(jié)論

4.1 疲勞試驗(yàn)

在搭建的變速箱總成疲勞試驗(yàn)臺(tái)架上開(kāi)展了模擬田間作業(yè)的差逆變速箱總成耐久性疲勞試驗(yàn)。結(jié)合聯(lián)合收割機(jī)底盤(pán)行進(jìn)速度0～1.5 m/s、質(zhì)量3.64 t、喂入量5 kg/s等性能參數(shù)，對(duì)載荷數(shù)據(jù)（見(jiàn)表5）進(jìn)行強(qiáng)化處理后得到試驗(yàn)用載荷譜（見(jiàn)表6）。其中，試驗(yàn)工況包括小負(fù)荷正轉(zhuǎn)、滿(mǎn)負(fù)荷正轉(zhuǎn)以及左右差逆轉(zhuǎn)向，負(fù)載由恒定轉(zhuǎn)矩、交變轉(zhuǎn)矩、波動(dòng)量組成。試驗(yàn)過(guò)程中，結(jié)合動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行變速箱的實(shí)時(shí)故障診斷分析，以便在故障始發(fā)時(shí)及時(shí)終止試驗(yàn)。

表5 原載荷數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)強(qiáng)化系數(shù)Tab.5 Original load data and corresponding enhancement coefficients

表6 試驗(yàn)加載載荷Tab.6 Torque loads for experiment

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

疲勞試驗(yàn)以50 h 為間隔進(jìn)行定期停機(jī)拆箱檢查，觀察并記錄齒輪、軸承、摩擦片等零件的磨損情況。每次檢查后及時(shí)更換出現(xiàn)損傷的零件。

運(yùn)行100 h 后，變速箱無(wú)法正常進(jìn)行換擋操作。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，是深溝球軸承6007RZ 出現(xiàn)了嚴(yán)重破壞（見(jiàn)圖15），使得輸入齒輪的嚙合位置發(fā)生軸向竄動(dòng)，動(dòng)力無(wú)法向下一級(jí)傳遞導(dǎo)致。此外還發(fā)現(xiàn)，圓柱滾子軸承NJ205E 出現(xiàn)保持架變形（見(jiàn)圖16）、換向撥叉上的滑塊斷裂磨損（見(jiàn)圖17）等現(xiàn)象。

圖15 深溝球軸承6007RZ損傷圖Fig.15 Damage diagram of deep groove ball bearing 6007RZ

圖16 圓柱滾子軸承NJ205E損傷圖Fig.16 Damage diagram of cylindrical roller bearing NJ205E

圖17 換向撥叉及滑塊損傷圖Fig.17 Damage diagram of reversing fork and sliding block

運(yùn)行150 h 后，變速箱內(nèi)部發(fā)出了較為刺耳的異響，整體振動(dòng)加劇。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，各擋位主從動(dòng)齒輪的齒面上均出現(xiàn)了不同程度的損傷（見(jiàn)圖18、圖19），其中，2 擋、3 擋齒輪的損傷較為嚴(yán)重。此外，傳動(dòng)齒輪與圓柱滾子軸承NJ205E 以及箱體壁面發(fā)生了嚴(yán)重磨損（見(jiàn)圖20）。

圖18 各擋位的主動(dòng)齒輪損傷圖Fig.18 Damage diagram of driving gears of each gear

圖19 2擋、3擋從動(dòng)齒輪損傷圖Fig.19 Damage diagram of driven gears of the second and third gear

圖20 傳動(dòng)齒輪及NJ205E軸承、壁面損傷圖Fig.20 Damage diagram of transmission gear，NJ205E bearing and wall

運(yùn)行250 h 后，箱體的振動(dòng)加劇并伴有一定程度的噪聲。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，雙聯(lián)齒輪內(nèi)襯套出現(xiàn)了劇烈的磨損與斷裂（見(jiàn)圖21），導(dǎo)致該齒輪與軸的配合間隙加大，嚴(yán)重影響了正常齒輪的嚙合傳動(dòng)。同時(shí)，在左右側(cè)的主減齒輪齒面上出現(xiàn)了輕微的點(diǎn)蝕現(xiàn)象（見(jiàn)圖22）。

圖21 雙聯(lián)齒輪損傷圖Fig.21 Damage diagram of double gears

圖22 主減齒輪損傷圖Fig.22 Damage diagram of the main reducer gear

5 結(jié)論

研制了以寬頻三相異步電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，采用磁粉制動(dòng)器搭配減速箱的形式來(lái)模擬履帶式聯(lián)合收獲機(jī)多種工況載荷的變速箱總成疲勞試驗(yàn)臺(tái)，并配有專(zhuān)門(mén)的液壓站以滿(mǎn)足液壓轉(zhuǎn)向的需求；同時(shí)開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)期間溫度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等信號(hào)可以通過(guò)傳輸線纜顯示并儲(chǔ)存在中央控制柜中。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)臺(tái)可以很好地檢驗(yàn)差逆變速箱的綜合工作性能與耐久性，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、投入成本低、測(cè)量精度高、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。這對(duì)于今后研究差逆變速箱的疲勞損傷規(guī)律、優(yōu)化改進(jìn)變速箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)、降低其內(nèi)部零部件的故障率具有重要意義。