发动机转速自动管理系统对拖拉机性能的影响.pdf

发 动 机 转 速 自 动 管 理 系 统 对 拖 拉 机 性 能 的 影 响王丹丹,王凯(黄河交通学院,河南 武陟454950)摘 要:近年来,电子管理系统已经能够自动地选择和旋转发动机齿轮,降低每小时的燃料消耗。为此,利用自动变速箱与发动机转速管理系统对一种农用拖拉机性能的影响进行评估分析。评估试验采用随机分组设计,在50m 长的条状结构中进行,试验变量为是否有变速器和发动机旋转的自动管理系统,并在牵引杆上施加 3 种不同的载荷,试验数据采用方差分析和 Tukey 检验。研究结果表明:增加变速器和发动机转动的自动管理系统,可以减少车轮打滑 20%,提高拖拉机运行速度 10%,节约燃油消耗 28%。研究结果对于提高拖拉机性能具有重要的意义。关键词:拖拉机;转速管理;生产管理系统;变速箱中图分类号:S219.031-文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0253-060 引言拖拉机在农业生产中使用广泛,是农业机械的重要组成部分1。自动生产力管理系统(APM)主要是通过各种传感器实时获取变速器、发动机和拖拉机的运行状态,根据车速、油门踏板等信号实现自动换挡控制和离合器控制,将拖拉机驾驶员从繁重的手动驾驶换挡中解放出来,以获得良好的驾驶舒适性和较高的拖拉机燃油经济性2-4。Zimmermann 等指出,将工程技术与计算机系统相互融合,可实现船舶结构设计的自动控制。Chang 等提出以 CAD 实体模型的形式进行具有最佳运动学和动态性能的快速机构设计,以实现高级参数化建模、仿真和优化。Calkins 等基于虚拟原型概念,将工程技术与硬件、软件相结合,开发了汽车设计支持系统,减轻设计人员的劳动强度,大大缩短设计周期。Chandel等自主研发了用于设计低马力农用拖拉机传动系的决策支持系统,能够有效地预测不同型号拖拉机传动系统的设计5-7。综上所述,目前研究主要都是在预先设定的发动机转速下进行的,没有针对发动机转速附近的齿轮与显示器上选择的目标转速之间变化进行具体试验研究。为此,在变速器和发动机转动自动管理机制下,收稿日期:2021-12-23基金项目:河南省教育厅十三五规划项目(2020YB0413);焦作市政府重点招标项目(JZZ2020079);黄河交通学院校级一流课程专项(HHJTXY-2021ylkc25)作者简介:王丹丹(1989-),女,河南三门峡人,讲师,硕士,(E-mail)912217286 。针对拖拉机不同负载牵引下的运行和油耗性能进行分析。拖拉机变速器和发动机旋转管理系统由硬件组成,硬件存储并执行定制软件,可以通过降低油耗来提高经济投入效率,直接影响农用拖拉机的运营性能和生产成本。发动机转速、运行速度和车轮滑移的变化和维护影响着拖拉机运行质量、动力需求和农业机械的牵引效率,从而影响发动机的比油耗和热效率。1 自动变速箱与发动机转速管理系统设计1.1 软件系统的设计拖拉机控制软件的层次结构主要包括操作系统(Operating System,OS),操作平台层(Platform Layer,PF),接口层(Interface Layer,API)及应用程序层(Ap-plication Layer,APL),如图 1 所示。图 1 软件系统分层结构的设计Fig.1 The diagram of pneumatic device for picking up ground jujube3522023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期OS 是管理应用程序信息处理资源分配的模块,可以降低软件开发和管理成本。OS 系统可以方便地使用外部开发软件,构建有时间限制的多处理系统,覆盖不同的处理器,提高回收、可移植性和可靠性,降低成本。操作系统的主要特点包括:以优先级(执行优先级)的形式进行任务调度,管理应用程序的不同时间限制,管理任务间共享的资源,任务间通信和事件通信(支持任务间协调)。PF 层是软件的一部分,它使用硬件功能来操纵传感器信号的输入和执行器的输出8。例如,当驱动电磁阀采用脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)驱动时,在设计前根据现有计算机外设和执行器的驱动特性(动态范围、精度等)来选择最佳的方法。根据规定时间,将计算出的计数值与周期设定值和占空比设定值进行比较,利用 PWM 输出时间图使输出反向,实现 PWM 输出动作,如图 2 所示。图 2 PWM 输出时序图Fig.2 PWM output timing diagramAPL 层通过上述方法所开发的软件安装在实际控制系统中,提前对 API 层的数据接口进行标准化,实现 APL 软件的重用,从而充分发挥开发效率高的优势。例如,在旁路风量控制中,计算过程以风量控制值(m3/min)的形式标准化,使其不受风量控制方法的影响,从而保证了 APL 组件的独立性9-10。1.2 自动变速箱与发动机转速管理控制系统的开发随着控制要求的提高,控制系统的应用越来越广泛,其地位也越来越重要11-13。特别是随着软件系统的增大,控制系统变得越来越复杂,开发的 V 型流程图如图 3 所示。在系统设计阶段设定控制系统的功能要求,并进行满足相关性能的具体设计,流程如图 4所示。控制系统通常由传感器、控制单元和执行机构组成。工作时,传感器将检测到的车辆状态、路况等信息传递给控制单元,控制单元根据这些信息发出目标指令,最终由执行器完成。控制单元可以采用基于规则的或优化的控制算法;此外,控制系统还可以为其他外围控制单元,如发动机控制单元(ECU)和电子稳定控制单元(ESP)提供接口,以协同提高车辆驾驶舒适性和安全性14。图 3 控制系统的开发 V 型流程图Fig.3 V-type flow chart of control system development图 4 控制系统设计流程示意图Fig.4 Schematic diagram of control system design flow1.3 自动变速箱与发动机转速管理控制系统功能分析功能策略是控制系统的核心,本文根据控制系统的功能要求,设计了进入 TCU 所需的控制功能。功能需求是“应该做什么”。此外,由于控制系统实际上是加载到 TCU 中,有关“应该如何做”的内容必须记录在案。通过重复“该做什么”到“该如何做”的不同层次,逐渐达到实际可能的层次,如图 5 所示。将其简化为一个功能单元的过程称为模块化,确定易于理解和维护的控制规范是很重要的。4522023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期图 5 控制系统的层次结构Fig.5 The hierarchical structure of the control system2 材料和方法2.1 研究区域概况试验地点位于黑龙江省哈尔滨市(E109 31,N2135),年平均日照时间为 2160h,无霜期为 350天,年平均气温为 23.2。2.2 试验设计与方法试验采用随机分组设计,选取两种影响因素:一是有无变速器和发动机旋转自动管理系统;二是分配在条状和牵引杆上的载荷(40、75、110kN),总共 6 个处理,每个处理进行 4 次重复,共计 24 个试验单元,每个试验单元长度为 50m。试验采用 CASE-340 拖拉机,功率为 250kW,配有辅助前轮驱动-AFWD,全动力换挡变速箱(14)和自动生产力管理系统(APM)。APM 软件程序作用于电子传动管理器,根据变速器的负载自动选择变速器(齿轮)比和发动机转速。通过 APM 软件,实现了变速器和发动机旋转的自动管理,在此为 2.22m/s(8.00km/h)。在没有激活自动变速器和发动机旋转系统的评估中,当发动机转速为 2000r/min 时选择 8号齿轮,从而使速度接近 2.3m/s(8.46km/h)。试验使用的拖拉机前置内外轮压力分别为 96.5、82.7kPa,后置内外轮压力分别为 68.9、55.2kPa。AFWD 激活后,前轮相对后轮的推进率为 1.60%。拖拉机车轴上的静态质量用 CM-1002 模型确定,由 4个垫块组成,40%的水被添加到所有轮胎(内部和外部),810kg 的在前面,2270kg 金属压载在后面,总质量为 18625kg,42%分配在前轴,58%分配在后轴。拖拉机上安装了传感器,通过印刷电路板连接到数据采集系统 DAS,采集频率为 1Hz,直接存储在硬盘上。车轮滑移测量使用的编码器来自 Autonics 品牌,型号为 E100S。发动机旋转由 Autonics E100S 编码器获得,利用 Victor 数字转速计 DM6236P 获得发动机转速与功率起飞之间的传动比;每小时的燃油消耗(HFC)由 Flowmate OV AL MIII-LSF 45 流量计测量,牵引杆力(DBF)采用安装在牵引车牵引杆上的伯曼测力传感器进行测量。该传感器的容量为 300kN,灵敏度为(2.0+0.002)mV/V,精度为 0.01 kN。运行速度(OS)由 Vansco-740030A 雷达确定15。牵引杆上可用功率计算公式为DBP=(DBFOS)(1)其中,DBP 为牵引动力(kW);DBF 为牵引力(kN);OS 为操作速度(m/s)。柴油密度函数如式(2)所示。柴油密度通过 k 型热电偶获得的温度进行校正,该温度之前在流量计中记录在燃料入口和出口16。D=844.14+(-0.53T)(2)其中,D 为柴油密度(g/L);T 为柴油温度();844.14 和 0.53 为柴油密度回归参数。每小时油耗计算公式为17HFCm=(HFCvD)(3)其中,HFCm 为按质量计算的每小时油耗(kg/h);HFCv 为按容积计算的每小时油耗(L/h)。比油耗计算公式为18SFC=HFCmDBP()(4)其中,SFC 为燃油消耗率(gkW/h);DBP 为牵引动力(kW)。牵引杆效率计算公式为19DBE=DBPEP()100(5)其中,DBE 为牵引效率(%);DBP 为牵引动力(kW);EP 为发动机功率(kW)。基于燃料的比消耗和较低的热值,发动机热效率计算公式为20ETE=3600SFCLHV()(6)其中,ETE 为发动机热效率(%);LHV 为低发热值,LHV=42.295kcal/kg。2.3 数据处理对收集的数据进行正态性检验,如果得到的值不符合正态分布,则通过 Box-Cox 进行转换;随后,使用程序 SigmaPlot 14 进行方差分析和 Tukey 检验。5522023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期3 结果与讨论表 1 为所分析变量的 ANOVA 和均值比较检验结果以及变异系数和正态性检验结果。根据 Ferreira 分类方法,所有参数的变异系数均为稳定。其中,SLP 为车轮滑转;ER 为发动机转数;HFCv 为按容积计算的每小时油耗(L/h);DBF 为牵引力;OS 为机器行进速度;DBP 为牵引动力(kW);SFC 为燃油消耗率(gkW/h);DBE 为牵引效率(%);ETE 为发动机热效率(%)。AD 为 Anderson-Darling 正态分布检验。表 1 参数方差分析和均值比较检验Table 1 Parametric analysis of variance and mean comparison test变量因素SLPERHFCvDBFOSDBPSFCDBEETEAD数据0.990.990.990.990.990.990.990.990.99计算结果0.461.530.421.240.980.960.960.261.47ANOVA 转换值0.310.570.24管理控制系统29.47205.62263.4211.38602.956.0273.236.0115.72F 检验TL109.321.2789.0870.982.090744.8874.64744.2462.31EMTL0.1084.344.212.9835.2637.104.3737.082.42EM10.101.044.822.811.033.228.593.2210.95CV/%TL11.670.736.733.970.613.917.963.928.66EMTL14.431.047.852.510.812.338.592.336.37APM系统有 APM3.821.91650.5374.851.99145.3329762.1628.73无 APM3.051.75036.6170.272.21150.0922064.1941.01负载/kN402.111.83633.1340.782.2289.9230239.4627.53753.161.84552.5268.732.21151.9828765.0029.821105.031.81845.06108.211.86201.2418686.0747.32 两种因素的 SLP 结果均低于 4%8%,这些结果可能受到与轮胎接触的表面、压舱物和轮胎类型的影响。当未使用 APM 时,较高的 SLP 可以用较高的 ER来解释,较高的 ER 会导致更高的车轮转数,导致轮胎与混凝土表面的抓地力降低,从而增加 SLP;使用APM 时,SLP 降低了 20%,与未使用 APM 相比,OS 增加了 10%,这些变量直接或间接地干扰了农用拖拉机的操作性能。较低的 ER 和 SLP 直接影响 HFCv,与未使用 APM 相比低 28%。Li et al.研究表明:拖拉机的传动系统工作时,也发现发动机转速较低时油耗较低,对于拉动的不同负荷,ER 无显著差异。通过分析不同的载荷,可以发现在 40、75 kN 的载荷下 OS、SFC和 ETE 变量统计上没有差异;当负荷增加时,DBP 和DBE 的值较高,可以用 DBF 的增加来解释。各因素间的交互作用对 ER、OS、DBP、DBE 等变量影响显著,对交互作用进行分析,结果如表 2 所示。通过分析相互作用可以发现:在 40、75kN 的载荷下,未使用 APM 时 ER 和 OS 较高,在 110 kN 的载荷下 ER 和 OS 较低;在 40 和 75 kN 载荷下,未使用 APM时 DBP 和 DBE 值较高,这些变量受到较高 ER 和 OS的交互作用影响;但是,当负载为 110kN 时,发动机旋转减少,OS 减少,从而生成了较低的 DBP 和 DBE。使用 APM 时,软件程序通过管理增加了 ER,可以维持更高的 OS,从而获得更高的 DBP 和 DBE,在拉动更高负载方面显示了其效率。表 2 电子管理(EM)和负载之间的相互作用分Table 2 Analysis of the interaction between electronic management (EM)and loadEM负载/kN4075110ER/rmin-1无 APM200019921756有 APM1672169918806522023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期续表 2EM负载/kN4075110OS/ms-1无 APM2.342.351.79有 APM2.112.071.93DBP/kW无 APM96.03159.59195.59有 APM83.81144.36206.88DBE/%无 APM41.0768.2583.65有 APM35.8461.7488.484 结论1)自动变速器和发动机旋转管理系统使拖拉机的打滑率降低 20%,运行速度提高 10%,每小时油耗降低 28%,从而降低了发动机的比耗,提高了发动机的热效率,不影响牵引机的牵引能力。2)在牵引负荷方面,由于在不使用 APM 时发动机转速较高,因此在最低负荷时转速较高。在使用APM 的最高负载时,发动机的旋转会自动增加,从而实现更高的转速。参考文献:1 付雅晶.拖拉机发动机常见故障分析诊断J.中国农机监理,2021(6):33-34.2 宋悦,杨延强,徐钊睿,等.拖拉机无级变速箱的箱体振动分析与控制J.农机化研究,2021,43(8):249-254.3 张延安,辛喆,杜岳峰,等.拖拉机变速箱箱体快速设计方法与软件开发J.农业工程学报,2020,36(21):49-55.4 李君,付莹,曲大为,等.基于 STAR-CCM+的拖拉机发动机舱三维仿真分析J.科学技术与工程,2020,20(24):9893-9897.5 高文君.拖拉机电控机械式自动变速器控制策略分析J.河北农机,2020(8):42.6 赵坚.拖拉机变速箱的使用与常见故障排除J.农机使用与维修,2020(5):78.7 孙继红.拖拉机故障诊断排除四例J.农机使用与维修,2020(4):79.8 田颖,马云飞,王承强.拖拉机动力换挡变速箱换挡特性研究J.农机化研究,2020,42(5):226-230.9 胡奔,廖敏,李晓鹏,等.拖拉机前动力输出变速箱壳体轻量化设计J.江苏农业科学,2019,47(10):239-244.10 王光明,张昊,翟玉星,等.拖拉机金属带功率分流无级变速箱的经济性分析J.农机化研究,2020,42(1):241-248.11 白金国.拖拉机变速箱常见故障与维修保养J.农业工程,2019,9(4):10-12.12 温昌凯,谢斌,杨子涵,等.基于功率密度的大功率拖拉机变速箱壳体疲劳分析J.农业机械学报,2019,50(6):389-396,404.13 顾忠彬.大中型拖拉机在使用过程中的注意事项J.云南农业,2019(3):82-83.14 郭庆军.拖拉机发动机减速器动力学分析及故障诊断研究基于小波神经网络J.农机化研究,2019,41(10):259-263.15 白钰.基于 CAN 数据的拖拉机作业报告单生成技术研究D.大庆:黑龙江八一农垦大学,2018.16 郑建强.大马力拖拉机变速箱壳有限元分析与结构优化D.淄博:山东理工大学,2018.17 张春艳.拖拉机变速箱挡位故障及维修办法J.农机使用与维修,2018(3):52.18 苗昱,房俊达.拖拉机变速箱常见故障分析与排除J.农机使用与维修,2017(9):44.19 王伟.东方红 802-A 拖拉机发动机故障实例J.农机使用与维修,2017(1):61.20 李春燕,石小龙,刘德仿,等.基于知识的拖拉机变速箱智能化设计系统研究J.农机化研究,2016,38(10):250-253.The Influence of Engine Speed Automatic Management System on Tractor Performance Wang Dandan,Wang Kai(Yellow River Transportation Institute,Wuzhi 454950,China)Abstract:Through the continuous introduction of new technologies,agricultural machinery achieves the goal of improving the energy performance and operating efficiency of agricultural machinery.In recent years,electronic management sys-tems have been able to automatically select and rotate engine gears,reducing fuel consumption per hour.This research evaluates and analyzes the influence of automatic transmission and engine speed management system on the performance of 7522023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期an agricultural tractor.The test adopts a random grouping design and is carried out in a 50-meter-long strip structure.The test variable is whether there is an automatic management system for transmission and engine rotation.Three different loads are applied to the drawbar.The test data uses analysis of variance and Tukey test.The research results show that adding an automatic management system for transmission and engine rotation can reduce wheel slip by 20%,increase tractor operating speed by 10%,and save fuel consumption by 28%.The research results are of great significance for im-proving the performance,design and manufacturing of tractors.Key words:tractor;speed management;production management system;gearbox(上接第 252 页)Abstract ID:1003-188X(2023)12-0248-EA Design and Test of Automatic Control System for Driving Speed of Power Shift Tractor Li Guoqiang1,Wu Guangwei2,Zhu Qingzhen1,Zhang Guangqiang2,Cong Yue2,Fu Weiqiang2(1.College of Agricultural Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.Research Center of Intelligent Equipment,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Beijing 100097,China)Abstract:Aiming at the problems of poor adjustment accuracy and slow adjustment speed of the existing driving speed control system of mechanical shift tractor,an automatic driving speed control system is developed based on the power shift tractor New Holland T1404.The control system includes tractor working condition information acquisition,communica-tion,transmission gear control,throttle control and other modules.The control methods of tractor gear calculation and throttle adjustment are proposed to automatically adjust the engine and gearbox,so as to realize the accurate control of the working speed of power shift tractor.In order to test the operation effect of the control system,experiments were carried out under no-load conditions on cement ground and field ground.The test results show that under the two working condi-tions,the maximum speed regulation error of the control system is 0.15km/h,the maximum relative error is 3.0%,and the maximum regulation time is 4.4s,which can meet the production requirements of the automatic speed control process of the tractor.Key words:tractor;speed control;power shift;control system8522023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期