拖拉機液壓機械無級變速箱的特性、控制與故障診斷研究

拖拉機液壓機械無級變速箱的特性、控制與故障診斷研究拖拉機作業(yè)工況復雜,需從事犁耕、播種、道路運輸?shù)榷喾N作業(yè)形式,為了適應各種工況下的負載和行駛速度要求,拖拉機變速箱往往需要設置較多的工作檔位,從而使得變速箱結(jié)構(gòu)復雜,操作不便,且經(jīng)濟性難以保證,為了解決這一問題,最為有效的方法即實現(xiàn)拖拉機的無級調(diào)速。作為世界上首次成功應用到拖拉機上的無級傳動方案,液壓機械無級傳動融合了機械與液壓兩種傳動形式的優(yōu)點,不僅傳動效率高,而且傳遞功率大、抗動載沖擊能力強,通過多區(qū)段設計,可實現(xiàn)大速比范圍的變速箱無級調(diào)速。我國對該技術的研究起步較晚,加之技術封鎖,我國至今未能在國產(chǎn)拖拉機上使用這一技術。為此,在農(nóng)業(yè)部948項目“大型拖拉機全自動換檔變速箱的引進與研發(fā)”資助下(項目編號：2010-Z18),本課題自行設計液壓機械無級變速箱一臺,該變速箱匹配發(fā)動機功率132.5kW,是國內(nèi)首次針對輪式拖拉機設計的液壓機械無級變速箱。針對第一臺試驗樣機,本論文對其進行了廣泛的理論和試驗研究,主要研究工作及取得成果如下：(1)搭建了該液壓機械無級變速箱的試驗臺架,進行了相關設備的標定工作,同時基于單片機、MatlabGUI與Labview完成了測控系統(tǒng)的硬件設計及軟件開發(fā),所設計的集成控制系統(tǒng)可同時對變速箱與測功機等設備實現(xiàn)計算機的遠程一體化控制。(2)對該液壓機械無級變速箱的傳動特性進行了理論分析和試驗研究。一方面,分析并計算了該變速箱樣機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、泵-馬達系統(tǒng)的壓力、流量等特性,并進行了相關試驗驗證；另一方面,分析了該變速箱樣機的功率分流特性,并建立了其傳動效率的計算模型,通過試驗校準,反復修正未知參數(shù),使計算模型盡可能逼近實際系統(tǒng),而后,利用校準后的計算模型對液壓機械無級變速箱的效率特性場進行了仿真研究。結(jié)果表明：通過變量泵排量與段位離合器的協(xié)同控制,可實現(xiàn)該變速箱速比的連續(xù)調(diào)節(jié),從而驗證了設計理論的正確性；根據(jù)仿真結(jié)果,該變速箱在HM1/HM3段馬達正轉(zhuǎn)及HM2/HM4段馬達反轉(zhuǎn)時存在液壓循環(huán)功率,其效率有所下降,變速箱的效率水平與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩成正比,與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成反比,其額定工況下的最高滿負荷效率為81.5%,進一步研究證實,通過提高泵前齒輪副傳動比,雖無法改變液壓功率分流比的理論計算結(jié)果,但卻增加了馬達軸負載及進出口油路的壓力水平,從而促使泵-馬達系統(tǒng)的傳動效率提升,加之泵軸轉(zhuǎn)速降低引起泵軸和馬達軸的粘性阻尼損耗減弱,進一步提高了整個變速箱的傳動效率。經(jīng)估算,如對變速箱齒輪傳動比及其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化,完全可以使得該變速箱的滿負荷傳動效率穩(wěn)定在80～90%。(3)對該液壓機械無級變速箱的動態(tài)特性進行了理論分析和試驗研究。一方面,通過階躍試驗對變速箱泵-馬達系統(tǒng)進行了辨識,據(jù)此獲得了該液壓子系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型,并將其階次定為3階,與理論分析相吻合；另一方面,通過充油試驗、單因素換段試驗、組合因素換段試驗等一系列試驗,得到了對換段過程影響最為重要的4個因素依次為：離合器充油流量、負載轉(zhuǎn)矩、主油路供油壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速,且各種工況下的最佳參數(shù)組合為：離合器充油流量5L/min,主油路供油壓力4MPa。(4)對該液壓機械無級變速箱的過程控制進行了理論分析和試驗研究。一方面,分別通過點位控制、繼電式神經(jīng)PID復合控制、模糊控制等算法對該變速箱的開環(huán)、閉環(huán)及負載自適應速比控制進行了試驗研究,結(jié)果表明：點位控制具有確定的速比調(diào)節(jié)時間,不受發(fā)動機調(diào)速特性等外部條件干擾；繼電式神經(jīng)PID復合控制綜合了開閉環(huán)兩種控制模式,速比調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定,無靜差,且換段過程可靠；模糊控制應用于負載自適應調(diào)節(jié)可將發(fā)動機功率鎖定,不僅可以防止過載,而且為變速箱與發(fā)動機的速比匹配鋪平了道路。另一方面,通過充油試驗發(fā)現(xiàn)了換段時油壓陷阱的存在,表明在油壓陷阱的下陷期內(nèi)進行重疊換段是安全可行的,通過帶載試驗,進一步證實了這一結(jié)論,并發(fā)現(xiàn)重疊時序可顯著減小換段過程中的車輛沖擊問題。(5)對該液壓機械無級變速箱與發(fā)動機的速比匹配進行了仿真研究。一方面,在SimulationX下構(gòu)建了該變速箱及拖拉機整機的仿真模型；另一方面,通過向仿真模型植入匹配策略與過程控制算法,對該變速箱與發(fā)動機的一元與二元速比匹配進行了研究。在一元速比匹配中,通過調(diào)節(jié)變速箱速比,使發(fā)動機沿著最佳經(jīng)濟工作線進行作業(yè),從而實現(xiàn)其燃油經(jīng)濟性,同時為了確保拖拉機整機的經(jīng)濟性,限制了各段變量泵排量的變化范圍,從而提升傳動效率。在二元速比匹配中,通過理論分析得到了各行駛速度下的發(fā)動機最佳經(jīng)濟轉(zhuǎn)速,結(jié)果表明,在該匹配模式下,發(fā)動機最佳經(jīng)濟轉(zhuǎn)速所對應的變量泵排量比始終位于零值附近。針對每一種匹配策略,分別通過犁耕與播種兩種工況對其進行了仿真分析,證實了兩種匹配策略的可行性。(6)對該液壓機械無級變速箱的故障診斷進行了理論分析與試驗研究?？紤]到當前關于變速箱機械系統(tǒng)故障診斷的研究比較充分,本研究側(cè)重于對其離合器液壓系統(tǒng)的故障診斷進行討論：一方面,通過試驗獲得了所需的訓練樣本和測試樣本,基于Fisher準則與核方法,對每一類故障樣本進行特征選擇并建模,結(jié)果表明,本研究所使用的核方法對于該變速箱的故障診斷是非常有效的,對于給定的正常模式與3類故障模式,其對測試樣本進行模式分類的正確率均在95%以上,大多可以達到100%。另一方面,在上述研究成果基礎上,基于Arm數(shù)據(jù)采集卡與VB平臺