农用拖拉机发动机负荷和燃料消耗特性研究

农用拖拉机负荷是影响其发动机工作性能的主要参数指标,直接影响拖拉机的田间工作效率及性能。相关研究表明:拖拉机发动机功率至少使用80%,且发动机转速较低时可以实现拖拉机高效运行。为此,对麦赛福格森-MF 8480的发动机在田间作物收获时的发动机负载参数进行了控制测试,构建相关数学模型反映发动机功率、发动机转速和燃料消耗特性之间的关系,并给出拖拉机运行期间不同发动机转速下的工作时间和油耗分布图,揭示了拖拉机田间运行效率及发动机各个参数运行关系。研究结果可为研究农用拖拉机发动机运行参数关系及提高田间运行效率提供理论依据及参考。

拖拉机发动机耕作过程扭矩的预测模型研究

拖拉机轮轴扭矩通常作为进行拖拉机变速器疲劳寿命分析、优化设计和加速寿命测试时做出各项决策的评价指标之一,而由于现有拖拉机轮轴扭矩测量方法基于扭矩传感器进行检测,投入成本较高,不适宜进行大面积推广应用。针对以上问题,建立了拖拉机在耕作过程中轮轴扭矩的预测模型,选取发动机扭矩、发动机转速、耕作深度、滑移率和行驶速度作为影响因素,对拖拉机耕地作业进行田间试验,并使用测量的校准数据集提出了8个轴扭矩预测回归模型,回归模型的调整决定系数R2为0.259~0.925。其中,预测模型E显示调整后的R2为0.925,不同模型下拖拉机轮轴扭矩预测模型MAPE均小于2.1%。研究结果表明,提出的预测模型均适用于实际的拖拉机作业过程中的轮轴扭矩预测。

基于音频特征的拖拉机发动机状况识别系统设计

拖拉机发动机是保证拖拉机正常运行的关键部件,目前主要采用振动信号开展发动机故障预测与状况识别。为此,提出了一种基于GRU的循环神经网络模型,通过对拖拉机发动机在不同作业条件下产生的音频信号进行分析,提取Mel作为主要特征,构建基于音频特征的拖拉机发动机状况识别系统。预测结果表明:系统能够准确地识别发动机的正常运行状态和不同类型的故障状况,对拖拉机发动机异常的识别率可以达到97.15%。研究结果可以提高拖拉机的运行安全性和可靠性,减少故障停机时间,提高农业生产效率。

基于声音深度学习的发动机失火故障诊断

构建基于深度学习的轻量级卷积神经网络实现发动机声音信号的失火故障检测。运用计算机的麦克风阵列记录发动机不同转速下的正常状态、一缸失火状态、二缸失火状态的声音信号。将声音信号转换成时频图像应用于卷积网络模型的训练、验证和测试。声音时频图像特征提取网络主要由可分离卷积模块构成。特征提取网络连接时频图像分类器,对含有不同个数的特征通道分组卷积模块的网络模型进行训练、验证和测试试验的比较分析。设计的卷积神经网络应用于发动机失火故障检测的准确率达到99.60%。网络的计算量小、检测时间短。基于特征通道分组卷积的深度学习网络能够快速地完成对发动机失火故障声音信号的检测诊断,为发动机失火故障的在线实时检测提供智能决策支持。

基于ANN下拖拉机发动机扭矩预测模型的研究

拖拉机的传动系统结构较为复杂,是拖拉机的重要组成部分之一。拖拉机在农业作业过程中的轴扭矩(AT)实时数据是实现变速器优化的重要依据之一。为此,以拖拉机参数(发动机扭矩、发动机转速、燃油消耗率、行驶速度、耕作深度和滑移率)及土壤理化性质参数(SMC和CI)为输入,基于人工神经网络(ANN)估计拖拉机的轴扭矩(AT),并与传统的多元线性回归模型(MLP)进行对比分析。田间试验结果表明:基于ANN的模型在预测拖拉机AT数据时表现出更好的性能,可为提升拖拉机发动机管理系统提供技术参考与借鉴。

基于发动机转速的拖拉机机组协同控制研究

拖拉机进行犁耕作业时受到土壤特性、道路坡度等不确定因素的影响,故针对拖拉机在作业中外部干扰的复杂与多变性,提出一种发动机转速-耕深协同控制的方法。基于AMESim与Simulink建立了拖拉机纵向动力学模型,考虑犁耕作业时土壤特性变化下农具牵引阻力的变化,通过对档位、油门位置、犁具耕深的控制实现了机组的综合自动化控制,获得了良好的动力性。仿真结果表明:在土壤阻力增加较小时,牵引阻力增加,发动机转速将降低,此时油门位置将增加以避免换挡;土壤阻力增加较大且油门位置为最大时,作业机具将小幅提升以避免转速急剧掉落;极限情况下,拖拉机将降挡以避免发动机熄火。台架试验表明:所提出的控制方法可实现通过减小耕深而保证发动机稳定运转的效果。

一种拖拉机液压马达的动力学设计研究

针对拖拉机的动力时效性较差、导致劳动强度大及生产效率较低的问题,对拖拉机的液压马达进行了动力学设计和研究。拖拉机液压马达属于液压机械无级变速器(HMCVT),其控制系统主要组成包括电控系统、发动机、HMCVT变速器、信号输入系统和行走机构。为了研究拖拉机液压马达在作业过程中的特性,并为后续结构优化和加工提供参考,采用AMESim系统动力学软件对拖拉机的变速箱和变速箱行星排进行了动力学分析。为了验证该拖拉机液压马达的特性,对液压机械无级变速器(HMCVT)进行了无级调速特性试验,结果表明:液压机械无级变速器具有可控制的无级调速的特性。

农用拖拉机发动机转速控制系统的优化设计

为了提升农用拖拉机发动机燃油效率,设计了一种负载敏感的发动机转速控制系统,并通过使用拖拉机仿真模型进行发动机转速控制器设计及优化。与田间试验测得数据对比可知:拖拉机模型模拟发动机转速和扭矩值的平均误差范围为≤5.0%,控制系统对拖拉机速度控制误差范围≤1.17%,发动机燃油效率指标单位体积燃油消耗(SVFC)、单位耕作面积燃油消耗(FCA)和每工作小时燃油消耗(FC)分别为23.0%~57.9%、4.1%~42.1%和7.2%~38.5%,与传统拖拉机发动机相比得到显著改善与提高。研究结果可为优化拖拉机发动机控制算法及提高拖拉机的燃油效率提供理论参考与技术支撑。

连续体结构多工况拓扑优化与轻量化设计研究

汽车轻量化能有效地降低燃油消耗并减少污染物排放,是实现汽车节能减排的重要举措之一。拓扑优化是连续体结构轻量化设计的常用方法,由于实际工况通常较复杂,一般连续体结构的拓扑优化属于多工况拓扑优化问题,此时拓扑优化结果存在较多影响因素。本文引入多工况拓扑优化性能指标PI,通过算例对多工况拓扑优化权重系数的选取方法进行分析,寻找最佳权重系数分配方法,有效的解决了连续体结构多工况拓扑优化权重系数的选取问题。以某重型商用车平衡轴支架为应用对象,开展平衡轴支架多工况拓扑优化与轻量化设计,结果表明在满足性能要求的前提下,平衡轴支架减重了28.1%。

涡轮增压器离心压气机内部流场周向非均匀特性研究

涡轮增压器离心压气机蜗舌对气流的滞止效应会导致蜗壳周向静压分布不均匀。为了进一步挖掘压气机气动性能提升潜力,利用全环三维数值模拟对其内部非对称流场进行了分析。结果表明,不同工作状态下扩压器内部静压分布规律随流量变化,流量减小,静压最大值从周向90°位置逐渐迁移至蜗舌附近。沿流向,蜗舌诱导的非均匀静压会逆流反向传播到扩压器进口。此外,扩压器进口非均匀静压分布对单个叶轮通道性能具有一定影响,即存在一个“临界流量点”,在近堵塞点至流量临界点之间,从蜗舌对应的叶片通道开始,单个叶片通道流量和通道损失沿叶轮旋转方向先减小后增大,效率先增大后减小;在临界点至近堵塞点之间,单个叶片通道流量和通道损失沿叶轮旋转方向先增大后减小,效率先减小后增大。

基于STAR-CCM的拖拉机进气系统阻力数值模拟与试验

进气系统主要功用是供给发动机足够的清洁空气,其系统阻力直接影响进气量,进而影响发动机燃烧性能。文中以某拖拉机进气系统为研究对象,利用STAR-CCM软件对其流阻特性进行数值模拟。通过进气系统台架测试各测点静压值,与仿真静压值进行对标,其最大偏差为8.4%,验证了所建立的进气系统流阻仿真方法的准确性。研究结果可助力解决进气管路最小边界设计和空滤器降阻优化等问题,降低试验成本,缩短产品开发周期。

柴油发动机性能监测系统的可视化设计

传统的柴油发动机性能监测主要以人工监测为主,监测精度低,效果差,同时由于缺乏可视化管理,对柴油发动机运行过程无法精确掌控,发生故障时也无法及时准确定位,严重影响农业生产进度。为此,在深入研究柴油发动机结构组成的基础上,总结分析了柴油发动机主要运行参数,完成了柴油发动机性能监测系统可视化设计和硬件方案设计,并完成了PLC控制器的I/O地址分配及监测系统主界面、故障信息界面和各分系统运行界面设计。由此实现了对柴油发动机运行过程的可视化监测,保证作业人员能够实时掌握发动机的运行状况,并根据监控系统的故障报警及时排除发动机故障,提高柴油发动机运行效率,对提升农业生产效益、改善农业生产作业环境具有十分重要的意义。

基于有效功率提升的农用发动机结构设计研究

为提升农用发动机的有效功率,全面改善农机装备的综合作业效能,以有效功率的衡量概念为出发点,针对农用发动机的结构尺寸及布局展开设计。根据农用发动机主要结构间的连接关系,结合其效率性能需求,从发动机功率实现的化学能与机械能间的转化关系入手,建立适用于发动机有效功率提升的理论模型,并给予核心结构组件优化与功率提升控制分配实现。性能试验表明:基于有效功率提升理念的发动机结构设计,其燃油利用率与有效功率分别相对提升了9.43%与9.48%,综合作业效率相对提高了6.87%。设计后的发动机结构稳定性好,验证了基于有效功率提升设计理念的正确性与此性能试验的可行性,具有很好的实际推广价值。

不同负载条件下拖拉机发动机工作特性研究

保障农用拖拉机的田间燃油经济性能是农业生产的基本作业要求。为此,以“麦赛福格森”拖拉机的负载情况为研究目标,基于拖拉机电子监控系统,选取6台麦赛福格森6499拖拉机,探明拖拉机在犁地、耕地、播种、运输工作条件下发动机转速和周期性燃油喷射变化规律,并绘制拖拉机负载曲线的直方图,系统分析了拖拉机在田间不同负载条件和发动机转速条件下的工作时间。结果表明:麦赛福格森6499拖拉机部分工作时间(超过35%)都处于极低的扭矩(0~30%Mmax)下工作;拖拉机在超过25%的工作时间内以极低的扭矩(0~30%Mmax)和较低的发动机转速(>1100r/min)工作,此时拖拉机运行的经济性能较差;在高扭矩(>50%Mmax)和中等(1100~2100r/min)、高(>2100r/min)发动机转速下,拖拉机的平均工作时间占总工作时间的40%;拖拉机在较低扭矩(30%~50%Mmax)和中等(1100~2100r/min)发动机转速下工作的大部分时间超过20%。研究结果可为提高发动机功率、降低燃料消耗和改进拖拉机工作性能提供技术参考与借鉴。

农用涡轮增压柴油型发动机电气控制系统设计

为提高农用涡轮增压柴油型发动机的工作效率,针对其电气控制系统展开设计探究。通过系统理解涡轮增压与电气控制之间的内在关系,搭建用于农用柴油型发动机电气系统调控数学模型,并进行系统的核心硬件配置与软件控制模块优化后。系统运行试验表明:基于涡轮增压技术的发动机电气控制系统综合优化后,试验值与设计值之间误差控制在6.00%以下,且系统响应效率得到明显提升,控制准确度与运行稳定性满足控制要求,发动机效率相对优化了7.62%,资源节约性相对提升了9.46%,具有很好地实践意义。

拖拉机发动机润滑管路系统优化

对农用拖拉机发动机润滑系统进行分析,在不同工况条件下对发动机润滑系统内不同润滑位置的润滑油压力进行数值仿真,并与同一工况条件下的试验测定值进行对比,结果表明:润滑油压力的数值仿真数据和试验测定数据相符,且过程变化趋势相同,数值仿真法可用于对润滑系统管路进行优化分析。通过在发动机缸体与发动机缸盖之间的油道之间增加直径2mm的链润滑油道,改善发动机润滑性能,并在同一工况条件下对润滑系统管路优化前后性能进行仿真分析对比,结果表明:改进后的润滑系统内各位置压力降低,且在最低转速条件下的油压值满足润滑性能需求。

基于机器学习的拖拉机发动机扭矩的预测模型

拖拉机发动机扭矩实时测量需要进行大量的工作与昂贵的传感器,在农业生产中投入成本较高,不易进行广泛的推广使用。基于以上问题,采用了径向基函数(RBF)神经网络进行拖拉机发动机扭矩的预测,通过13种训练算法训练RBF神经网络模型,明确RBF神经网络模型基本结构与参数设置,并通过误差分析模型的预测性能。研究结果表明:RBF神经网络中R^(2)=0.99,RMSE=0.5,EF=0.99,预测值与试验值之间的拟合程度价高,可用于估算发动机扭矩。研究结果对于提高拖拉机发动机扭矩的预测和分析提供理论支撑与科学依据。

基于复合涡轮增压技术的农用发动机曲轴机构优化

为高效发挥农用发动机工作性能,在充分了解曲轴机构组成与作业特性的基础上,基于复合涡轮增压方式建立曲轴机构优化的动力学数学模型,以寻求最优解的思想进行曲轴主要组件的结构参数优化与最佳性能控制实现,并展开发动机性能优化试验。试验结果表明:经曲轴机构优化的发动机,实现了大大降低曲轴机构应力分布率的目标,相对降低率为19.86%,保证了曲轴机构运转传递的效率;整机运行稳定性与结构紧凑度均有所提升,有效功率提高到90%以上,具有很好的实际推广价值,有利于农机装备动力系统的创新研究。

农用车柴油发动机润滑管路系统优化

为进一步提高我国农用柴油发动机工作效率,针对其润滑系统展开了优化研究。以充分理解润滑系统的结构组成与作业原理为出发点,密切结合系统的流体动力学规律,建立管路的压力损失数学模型,进而实施润滑关键部件的优化设计与仿真分析,并开展优化后的农用车田间作业试验。结果表明:在一定的试验条件下,润滑系统运行良好,可以充分地将润滑油送至发动机的各润滑节点,且管路尺寸经优化布局,系统的整体压力损失占比相对减少4.14%,润滑系统效率和发动机效率分别相对提升了7.23%和8.95%,能够很好地满足农用车不同田间作业需求。优化方案结合了模拟仿真与实地试验的双重验证思维,可作为类似农机装备设计与创新的参考依据,具有一定的推广价值。

发动机转速自动管理系统对拖拉机性能的影响

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。