拖拉机CAN通信技术研究与试验

针对拖拉机控制实时性低和产品间电气匹配性差等问题,以拖拉机电控机械式自动变速器(AMT)控制器为例,基于ISO 11783协议对其控制器局域网(CAN)接口硬件电路及应用层通信协议进行了设计,实现了AMT_ECU与发动机ECU的实时数据通信。利用Allegro PCB软件对控制器信号反射和串扰进行了仿真分析,使用CANcase XL接口卡将AMT控制器实物接入CAN。利用CANoe软件建立数据库、配置虚拟仪表,使用CAPL语言编程,搭建了以拖拉机AMT控制器为真实节点的系统半实物仿真平台,并对总线系统通信功能和负载率情况进行了监测。测试结果表明:拖拉机AMT控制器CAN接口符合电气硬件要求,可实现与发动机ECU进行CAN信息的发送与接收。

基于多性能目标的拖拉机运输机组优化设计

拖拉机运输机组总体参数的设计目标多元,约束条件复杂,传统经验法和单目标优化法难以使机组综合性能达到最优。该文以机组动力性、牵引点受力情况、附着性能和经济性最优为目标设计了目标函数;通过分析拖拉机运输机组动力学模型,确定了优化参数;通过研究拖拉机运输机组使用性能,制定了约束模型;采用改进型非支配排序遗传算法,导出了拖拉机运输机组总体参数多目标优化算法。以东方红150拖拉机运输机组为实例,优化了原有拖拉机和挂车的重力参数、质心位置和变速器传动比。设计试验与已有单目标优化方案和原始机组对比,结果为:运输Ⅰ挡和运输Ⅱ挡下,最大爬坡度分别提高1.35%、1.68%和1.38%、0.57%;牵引点受力分别减少1 222、703和2 792、2 125 N;驱动轮最大滑转率更接近特征滑转率;燃油消耗量分别下降12.9%和15.8%;改善了机组动力性、牵引点受力、附着性能、经济性,可为拖拉机运输机组配重方案和总体参数设计提供参考。

基于自适应阈值优化的插电并联式混合动力拖拉机节能控制研究

为最大限度发挥电能在作业过程中的优势,以插电并联式混合动力拖拉机为研究对象,采用滚动优化的思想,提出基于时间窗口的自适应阈值优化混合动力拖拉机节能控制策略。搭建插电并联式混动拖拉机驱动系统模型,制订拖拉机多种能源模式切换策略,对关键阈值参数进行自适应优化研究。基于拖拉机犁耕工况,利用Matlab/Simulink仿真平台,对文中策略与功率跟随策略进行仿真对比。结果表明:在循环犁耕工况下,基于时间窗口的自适应阈值优化混合动力拖拉机节能控制策略等效燃油消耗下降8.78%,为插电并联式混合动力拖拉机的节能控制提供新的控制方法。

基于多岛遗传算法的电动拖拉机分布式驱动系统优化设计与试验

针对分布式驱动电动拖拉机(Distributed drive electric tractor, DDET)牵引效率低、系统能量损耗大的问题,提出了一种基于多岛遗传算法(Multi-island genetic algorithm, MIGA)的分布式驱动系统参数优化设计与验证方法。根据犁耕作业工况,建立了拖拉机分布式驱动系统7自由度耦合动力学模型以及轮胎-土壤交互模型,完成了驱动系统关键部件参数设计和匹配选型。提出基于MIGA的前后轮边传动比参数优化策略,将轮边传动比作为决策变量,驱动系统能量损失最小为优化目标,驱动电机功率和转速为约束条件。搭建Matlab/Simulink-NI PXI联合仿真平台验证了参数优化策略的正确性和实时可执行性。结果表明,基于MIGA参数优化后的分布式驱动系统各方面性能得到了有效提升。犁耕循环工况下,拖拉机平均牵引力为10 610 N,最大牵引功率为31.25 kW;平均效率提升了0.38%,驱动电机能耗降低了7.53%。本研究可为分布式驱动电动拖拉机优化设计和系统控制提供理论基础和验证方法。

力位综合系数调节方法研究

针对力位综合调节中综合系数的取值问题,提出一种综合系数自动调节方案。通过Matlab/simulink研究不同耕作条件下综合系数与耕深的关系,依据结果建立以耕作阻力为开关的调节方法;并基于牵引阻力的计算公式设计模拟耕作阻力波动的随机信号模块。为验证所设计综合系数调节方法的控制效果,采用综合系数取值0.5的耕深控制策略与其进行仿真对比。结果表明:该方案能够随着耕作阻力的改变及时地对综合系数进行调整,具有较好的环境适应性,最大超调量相较于另一调节方案同比降低75.56%;保证耕深在合理范围的同时兼顾发动机负荷稳定性。

拖拉机动力输出轴动态转矩载荷谱编制与验证

拖拉机动力输出轴(power take-off,PTO)室内台架耐久性试验中转矩加载主要以静态加载或静态逐级加载方式为主,这种加载方式输出的载荷与PTO实际作业中承受的载荷动态特性不同,导致试验中PTO的失效形式及测试寿命与实际作业中存在差异。针对此问题,该文对多工况下PTO动态转矩载荷谱编制方法进行研究,测取了沙土、黏土2种土壤类型下旋耕、驱动耙典型作业的PTO转矩,利用希尔伯特黄算法对转矩进行预处理,采用四点循环雨流计数法对转矩均幅值进行频次统计,利用散点矩阵统计方法分析4种作业工况均值、幅值相关性及均值、幅值分布类型。基于Miner法则及轴类20CrMnTi修正S-N曲线,在损伤概率50%、相对误差5%、置信水平95%的统计条件下,确定了转矩样本容量。利用时域外推方法对PTO转矩数据进行外推。以阈值区间内峰谷值均值差的方差为指标,检验了外推过程中选取的阈值造成峰谷值均值波动的可能性。对比外推1次后载荷时间历程与原始载荷时间历程变化趋势。在时域频次外推因子为240、转矩累计频次达到106、平均加权4类转矩时,得到PTO动态转矩载荷谱。利用编制的动态载荷谱,驱动拖拉机传动系动态加载试验台对PTO进行台架耐久性试验,试验结果显示,PTO发生失效的时长为642 h,失效形式为PTO轴头花键磨损,失效时间、失效形式与实际作业一致,验证了动态转矩载荷谱的有效性。

拖拉机动力输出轴载荷经验模态分解软阈值降噪研究

针对拖拉机旋耕作业动力输出轴(PTO)载荷降噪中载荷先验特性预判的问题,提出了PTO载荷经验模态分解(EMD)软阈值降噪方法,得到了PTO载荷相同时域内不同频率固有模态函数(IMF)。利用边界局部特征尺度延拓算法对IMF出现的端点效应进行了抑制,与镜像对称延拓算法和多项式拟合延拓算法比较,在运行时间、正交指数及IMF数量3项评价指标中均占优势。利用IMF分量与载荷相关系数,辨识出前3阶IMF分量为噪声主导分量,对前3阶IMF分量分别进行了软阈值降噪,与剩余分量叠加重构了降噪后的PTO载荷。降噪后的PTO载荷主频为4.492 Hz,与试验中旋耕机刀轴旋转频率相符。与EMD低通滤波降噪算法比较,EMD软阈值降噪算法属于自适应数据驱动,不需要设定截止频率。以含噪信号与噪声误差比(d_(nSNR))为降噪性能评价指标,EMD软阈值降噪算法的d_(nSNR)为12.712 5,小于EMD低通滤波降噪算法的d_(nSNR)值13.266 6,对比结果表明EMD软阈值降噪算法对实测拖拉机PTO载荷降噪效果明显。

基于充油流量与曝气程度的拖拉机动力换向性能研究

围绕拖拉机动力换向离合器充油流量易受温度、回位弹簧刚度和预紧力等因素影响,液压油在加注及工作过程中易受空气污染,导致液压油空气含量增加的工程应用问题,探究了不同充油流量及曝气程度对动力换向性能的影响。以换向时间、冲击度、滑摩功和磨损量为评价指标对换向性能进行了评估,以期提高拖拉机动力换向品质、工作效率和传动系使用寿命。以东方红LF2204型拖拉机TX4A传动系为研究对象,建立了考虑充油流量和曝气程度的动力换向过程数学模型,基于ADAMS、Matlab/Simulink和AMESim平台分别建立了换向离合器机械模型、控制模型和液压模型,对拖拉机Ⅰ挡作业时前进挡切换为倒退挡的工况进行了仿真分析与台架试验验证。仿真结果表明:当液压油曝气程度为0.1%,充油流量分别为16、14 L/min时,与20 L/min流量相比,换向时间分别增长20%和43%,变速器最小输出转矩分别下降26%和52%,滑摩功分别上升33%和78%,最大冲击度分别下降11%和18%,最大磨损量分别上升24%和44%。当充油流量为20 L/min,曝气程度分别为1%和5%时,与0.1%曝气程度相比,换向时间分别增长26%和85%,变速器最小输出转矩分别下降0.4%和0.8%,滑摩功分别上升38%和163%,最大冲击度分别下降57%和50%,最大磨损量分别上升47%和163%。台架试验结果表明:试验数据与仿真试验数据变化趋势基本保持一致,误差都在5%之内,最大误差出现在充油流量为20 L/min、曝气程度为5%时,主要原因是油液自身脉动对传感器产生冲击影响,以及比例阀受油液气泡影响,输出精度降低。

纯电动汽车动力系统结构参数与整车控制参数集成优化

为提高纯电动汽车的经济性,提出了一种基于目标工况的纯电动汽车动力系统结构参数与整车控制参数集成优化方法。为了兼顾纯电动汽车的动力性要求,确定动力参数的边界条件,基于郑州某路公交车的实际行驶工况,利用正交试验方法分析了不同整车控制参数对经济性的影响度,选取了5个整车控制参数作为优化目标。利用Matlab/Simulink、CRUISE及Isight这3个软件进行了联合仿真,对动力系统结构参数与整车控制参数进行了集成优化。仿真结果表明:在目标工况下,利用集成优化的方法,纯电动汽车百公里燃料消耗量相比于优化前降低了10.8%;相比于传统的分段优化,优化效能提升了16.9%。

基于庞特里亚金极小值原理的混合动力拖拉机节能控制

以某并联式柴电混合动力拖拉机为研究对象,分析其拓扑结构特点及工作特性,构建拖拉机旋耕、犁耕耦合动力学模型,以整机等效燃油消耗量最小为目标,电机功率和柴油机功率为控制变量、电池荷电状态为状态变量,建立基于庞特里亚金极小值原理的节能控制策略,基于Matlab仿真平台对该节能控制策略进行仿真试验。结果表明:与基于最佳经济性曲线的节能控制策略相比,所制定的基于庞特里亚金极小值原理节能控制策略能够合理控制柴油机和电机的运行状态,使柴油机、电机工作在高效率区,有效降低了拖拉机田间作业时的等效燃油消耗量。旋耕工况下,等效燃油消耗量降低10.44%;犁耕工况下,等效燃油消耗量降低11.20%。

基于HLA-DDS复合体系的拖拉机PST分布式虚拟试验系统

针对拖拉机动力换挡变速器(Power Shifting Transmission,PST)虚拟试验系统以单机集中式为主,在系统扩展、模型重用及虚实融合验证等方面存在局限性的问题,建立基于高层体系结构(High Level Architecture,HLA)和数据分发服务(Data Distribution Service,DDS)复合体系的拖拉机PST分布式虚拟试验系统。分析PST虚拟试验系统逻辑结构和硬件结构,在对比HLA与DDS三种集成方案的基础上,确定基于桥接组件的HLA与DDS互连结构。应用元模型理论,建立桥接组件元模型、桥接组件UML模型及HLA与DDS映射规则,开发桥接组件插件,解决虚拟试验系统中HLA与DDS之间的数据交互关键问题。对该系统的数据传输时延和吞吐量进行测试分析,结果表明:当数据量达到4000 KB时,时延为9.1 ms,数据传输吞吐量接近20 Mbit/s,满足拖拉机PST分布式虚拟试验系统时延不超过10 ms、吞吐量不低于15 Mbit/s的指标要求。

液压机械复合传动阶跃输入恒转速输出双前馈模糊PID控制

针对液压机械复合传动系统在阶跃转速输入时输出转速稳定性差、不易控制等问题,该文提出了一种基于液压子系统、机械子系统和液压机械复合传动系统的输入双前馈+模糊PID转速复合控制方法,以系统输出转速恒定为控制目标,将2个子系统转速扰动量折算到变量马达转速变化量,通过排量补偿调节实现对系统输出转速波动控制,最终实现输出转速恒定控制。仿真与试验结果表明:在系统不同初始输入转速基础上,施加特定的阶跃转速扰动,该控制方法具有良好的控制精度和鲁棒性,相比于传统PID控制方法,系统输出转速最大超调量平均降低39.8%,稳定调整时间平均缩短35.53%,系统输出转速平均稳态误差控制在±0.7%之间。该文所提出的双前馈+模糊PID转速复合控制方法,对液压机械复合传动系统阶跃输入扰动引起的输出波动具有抑制作用,控制效果明显,增强系统在非线性输入复杂工况下转速输出的稳定性,可为液压机械复合传动系统在农业机械领域的设计和应用提供参考。

负荷车电涡流缓速器加载控制系统研究

为能更真实反映被试拖拉机牵引特性,对负荷车加载系统进行了改进,建立了负荷车加载系统传递函数模型。以牵引力载荷谱随机信号为输入,采用BP神经网络算法对加载系统进行动态加载控制,以输出不同类型的作业载荷。对系统响应特性进行了动态分析,在此基础上进行了道路试验验证,证明加载系统的有效性。在该控制模式下系统仿真载荷输出延迟0.12s,最大超调量为3.1%;路试载荷输出延迟0.22s,最大超调量为4.2%。试验结果表明,BP神经网络PID控制的系统输出载荷对输入载荷具有更好的跟随效果,比传统PID控制响应性好,开发的负荷车加载系统输出载荷能够较好再现拖拉机实际牵引载荷。

无线通信技术在拖拉机牵引性能测试中的应用

针对拖拉机牵引性能测试系统中,被试车与负荷车之间有线连接繁杂、工作可靠性低及机动性差的问题,采用无线通信技术开发了两车多机通信功能,增强了试验车辆机动性。对自制的数据采集器进行了模拟量通道检测,牵引力通道信号最大误差为3 m V,系统线性度为0. 06%。静态试验结果表明:在良好通信条件下,系统能够进行准确稳定的数据传输,最大有效传输距离为520 m。动态试验结果表明:在两车相距15 m范围内,性能测试系统能够实时进行数据采集、交换及管理。被试拖拉机在无线通信与有线通信测试条件下,试验性能参数最大相对误差为0. 98%,此误差在传感器精度范围内。静动态对比试验结果表明:牵引性能测试系统的振动对无线通信系统的稳定性有一定影响,动态试验数据接收率为97. 36%,能够满足系统稳定性要求。

拖拉机串联式液力机械复合传动系统设计与试验

针对现有拖拉机变速器存在机械结构复杂、挡位数较多、模式切换繁琐等问题,提出了一种串联式液力机械复合传动方案(Series hydraulic and mechanical hybrid transmission,HMD)及其配套拖拉机总体设计方法,包括功能需求、传动路线设计、组件特性分析、性能参数计算、仿真模型搭建、作业性能对比。针对无级调速模块有效性设计牵引性能与匹配性能试验,合理的发动机匹配使得液力传动最高效率达到0.894,重载与轻载区段能够实现无级变速,工况适应性良好。性能对比结果表明:HMD牵引特性场位于原拖拉机与HMCVT之间,各挡牵引功率峰值幅度变化平稳,深谷面积明显减小;犁耕工况下,牵引力覆盖范围平均提升15.3%,负载作业速度平均提升8.2%;旋耕工况下,动力输出功率平均提升1.7%。研究可为多模式无级变速拖拉机总体设计提供技术路线参考。

农业装备电动化技术研究综述

随着电力电子和储能技术的发展,动力装备电动化已成为全球车辆发展的重要方向,在新能源汽车领域已得到成功应用,我国率先形成了完整的产业基础。目前,全球电动农业装备处于起步阶段,多以理论研究为主,尚无批量化生产的电动农业装备产品,发展电动农业装备具有产业优势。本文简要分析了电动农业装备关键部件及软件平台,重点综述了国内外电动拖拉机、电动微耕机、电动移栽机、电动果园作业机、电动播种机研究现状,并对电动农业装备与传统农业装备进行了性能对比,得出了不同农业装备的优缺点,为农业装备的应用场景分析提供了支撑。针对不同农业装备的农艺特点和电动化关键部件特点阐述了不同形式农业装备的应用场景。结合当前电动车辆发展状况及农业装备作业特点对不同电动农业装备发展瓶颈进行了分析,为电动农业装备的发展指明了方向,可为我国电动农业装备的发展提供参考。

基于虚拟样机的交流底盘测功机系统研究

针对传统底盘测功机系统存在的加载精度低和程序繁琐等问题,基于虚拟样机技术构建交流底盘测功机系统。利用ADAMS软件建立交流底盘测功机动力学模型,在Matlab软件的Simulink模块中建立交流底盘测功机控制系统模型,通过Adams/Controls模块完成交流底盘测功机虚拟样机系统搭建,最后基于车辆滑行工况对基于虚拟样机的交流底盘测功机系统进行仿真,并与实车试验进行对比分析。结果表明:所设计的基于虚拟样机的交流底盘测功机系统相比于传统底盘测功机系统,能将检测误差由7.63%降低到1.71%,证明该系统相比于传统底盘测功机系统具有更高的模拟精度,可以代替传统底盘测功机系统进行车辆滑行试验,降低车辆试验的成本,为车辆台架性能试验提供一种新途径。

基于自适应多分辨率分析的电动拖拉机驱动功率分配策略

燃料电池分布式驱动电动拖拉机(fuel cell distributed drive electric tractor,FCDET)能够有效解决环境污染和能源紧缺问题、推动农业可持续发展。针对FCDET牵引效率低、续航时间短、氢耗量大等问题,该研究提出了基于自适应多分辨率分析(adaptive multi-resolution analysis,AMRA)的犁耕驱动功率分配策略。首先建立燃料电池系统等效电路模型、总效率求解模型、能量耗散模型以及驱动电机响应模型。一次重构策略基于可调Q因子小波变换(tunable Qfactor wavelet transform,TQWT),获得有效反应功率信号振荡特性的子序列。二次重构策略将低频子序列经过变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)为若干个具有特殊稀疏性质的离散子信号。然后采用麻雀搜索算法(sparrow search algorithm,SSA)实时获取VMD的分解层数和二次惩罚因子的最优组合。最后将二次分解后的子序列和子信号按照频率特性进行重构,并将重构功率信号在各个能量源之间重新分配。以ET504-H样机为对象,通过田间试验采集犁耕载荷功率需求信息,并进行驱动电机台架试验。结果表明:基于AMRA的FCDET驱动功率分配策略能够有效提高燃料电池系统的能量利用率和犁耕作业的经济性。相较于功率跟随策略和一次重构策略,燃料电池系统的平均效率分别提升了8.30%和1.82%,等效氢耗量分别降低了35.60%和11.86%;驱动电机平均效率分别提升2.06%和1.27%,总能耗分别降低3.73%和2.60%。研究结果可为FCDET控制系统研发提供新的理论基础和技术途径。

液力机械复合传动拖拉机动力系统匹配特性研究

针对现有液力机械复合传动(HMD)拖拉机动力系统匹配方案无法满足拖拉机动力性与经济性的平衡,提出一种新型优化匹配方案。根据拖拉机犁耕作业工况,建立发动机与液力变矩器匹配性能评价指标体系;基于熵权法—灰色关联度分析理论搭建性能评估模型,确定HMD动力系统输出权重;并对液力变矩器循环圆有效直径进行优化计算、匹配性能对比分析等。结果表明:以三次多项式拟合计算出发动机输出特性误差在8%以内;液力变矩器循环圆有效直径缩小0.7%;优化匹配后的动力系统平均传动效率提升约2.3%;燃油消耗率相较于全功率匹配减少7.3%,相较于部分功率匹配减少3.1%。提出的优化匹配方案能够较大程度兼顾HMD拖拉机作业时的动力性与经济性,改善发动机与液力变矩器共同作业区间,降低复合传动系统尺寸参数,同时为自主高端农机动力系统的发展提供新的技术路线参考和理论补充。

拖拉机室内台架试验技术现状与展望

作为拖拉机研发的重要验证手段,拖拉机室内台架试验可方便高效地为拖拉机模拟各种工况下的性能表现。首先探究动力总成控制技术、负载模拟技术、试验数据处理技术和试验结果评价技术4种拖拉机室内台架试验关键技术,结合试验技术的最新研究进展,对4种技术进行详细的阐述和分析。接着从动力总成控制算法、负载模拟算法、试验数据处理方法、试验结果评价指标体系4个方面对拖拉机室内台架试验技术进行讨论与展望。最后得出对动力总成算法进行优化、提高动态负载模拟精度、保持试验数据处理方法的前沿性、对试验结果综合客观评价是拖拉机室内台架试验技术的发展趋势,以期为我国拖拉机室内台架试验技术的发展提供参考。