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文|农食山人

编辑|农食山人

◆ ◇ 前言 ◇ ◆

农业机械面临着恶劣的工作环境和多变的负载条件。在确定发动机类型时农业机械的动力性能和经济性能主要取决于动力传动系统的传动比。

因此农业机械通常有更多的工作档位(或模式也有必要确保在切换过程中功率是连续的。液压机械无级变速器(HMCVT)动力换档变速器，多动力源耦合驱动系统作为先进的农业机械传动系统可以满足上述性能要求。大多数先进的系统都使用湿式离合器。

目前对拖拉机等农业机械湿式离合器的研究有限。多名学者分别研究了湿式离合器在拖拉机系统中的性能、控制和功能。

然而在湿式离合器的接合过程中，动力传动系统的负载扭矩瞬间增加，动态负载增加，即瞬时输出扭矩与稳定扭矩的比值在短时间内大于1。因此为了保护农业机械的动力传动和提高系统各组成部分的可靠性，减少冲击有必要对系统的动态负载特性进行研究，目前一些学者对农业机械动力传动系统的动负荷特性进行了一定程度的研究。

研究主要分为两类，有专家利用SimulationX软件构建了湿式离合器的仿真试验平台，并将仿真试验平台与实际试验结果结合三种不同工况进行了比较。在验证了仿真试验平台的正确性后，他们基于该平台对油压和流量两个因素的动载荷特性进行了仿真试验和分析。

同样有专家也通过使用仿真模型研究了湿式离合器的动载荷特性，并验证了其准确性，基于SimulationX软件建立了动载荷特性模型，并采用正交试验和极差分析，对拖拉机双离合器自动变速器的动载荷特性进行了仿真分析。

通过使用配备湿式离合器的试验台并结合正交试验方法进行了台架试验。通过单因素加载试验和三水平四因素油压、流量、转速和扭矩，正交试验研究了湿式离合器的动载荷特性。

此外，这些研究采用单因素试验、正交试验和全因素试验来分析各种因素对动载荷特性的影响。然而,很少有学者研究动态负荷特性的变化,建立动态负荷预测模型。

此外，通过范围分析很难获得各种因素对动载荷特性的具体定量影响。拖拉机等农业机械在各种工况下的动载荷特性MAP对控制策略的制定、设计和性能改进有直接帮助。然而，目前尚无此类研究报告。

低载荷下的动载荷特性研究也存在一些不足。低负荷下的动负荷特性研究也存在一些不足。除此之外，研究结果表明发动机转速、负载、油压和流量对湿式离合器接合过程中输出扭矩的变化特性有影响。

结合这些研究负载和油压对动态负载的影响相对较大。还需要更实际的实验和数据分析技术来进一步证明。在利用负荷和油压来描述动负荷特性以及用定量值来反映各因素与动负荷之间的相关性的研究方面，还存在一些不足。

针对上述问题本文主要进行了四个部分的工作。

(1)PLS用于分析动载荷对以往研究数据的影响因素。

(2)在湿式离合器台架上进行了动载荷的实际试验获得了214组试验数据。

(3)在分析PLSISA和各种模型的基础上建立了动态负荷特性预测模型。

(4)基于预测模型某型号拖拉机的动载荷MAP则在三种工作条件下获得，分析了动载荷的变化规律及提高性能的措施。

一、基于PLS的参考数据分析方法

PIS结合了多元线性回归、典型相关分析和主成分分析。此外PLS可以更好地解释每个自变量对因变量的影响。为了进一步定量分析各因素对动载荷的影响，研究数据进行分析，选取四个自变量:负荷、油压、转速和流量，得到各因素的影响程度，拖拉机传动系统动载荷特性测试台架如图所示。

试验采用柴油发动机(DeutzTCD2013L062V柴油发动机发动机额定功率为197.7kw额定转速为2300r/min)作为动力源。发动机功率通过具有固定传动比的齿轮传动系统输入到湿式离合器的主动端。速度和扭矩传感器安装在湿式离合器的从动端，用于测量动力传动系统的扭矩变化并计算动态负载。

加载系统采用涡流测功机，DW250装置测功机最大功率为：250kw，额定转速为：2000r/mim。湿式离合器的输出则为：ZJ-5000A转速和扭矩传感器。额定扭矩为：4000Nm，工作转速范围为：0-5000r/min。信号转换器信号输出范围为：4-20mA。

试验台的其他细节参考先前的研究。湿式离合器的可变传动系统主要由发动机可变排量泵-定排量电机系统、八个齿轮副、两个行星排和三个湿式离合器组成。

它是一种液压-机械动力耦合的无级变速传动系统。该系统有三个工作区段。第一段为静液压传动模式：速比理论变化范围为5.59~+o。第二段和第三段为动力合模式：速比的理论变化范围是1.91-15.51。该无级变速系统是通过切换湿式离合器来改变工作区段。

副变速箱是一种带八个前进挡的有级变速箱，随着档位的增加，传动比分别为8.085.66、3.982.86、2.031.421.00和0.72。在测量动态负载之前湿式离合器完全分离。在动载荷的测量中,湿式离合器的输入速度由柴油机调节。其次湿式离合器输出端的负载扭矩由电涡流测功机调节。最后离合器接合由具有一定油压或流量的阀控制。

二、动态负载特性测试与数据采集

根据参考数据的PLS分析，进行了两种类型的实验。

试验1:动载荷特性全因子试验采用油压进行(阔芯开度为20、30、40、...100%共9级)转速(发动机工作转速为1040、1140、1240...、1640转/分,共7个级别)和流量(阀芯开度为50%、75%和100%共3个级别)作为自变量在相同负载下(负载为50牛米研究动态负载特性)。总共有189项试验。

试验2：试验中选择对动载荷有显著影响的两个因素。载荷(离合器输出载荷为100、200、300、400、500Nm共5个级别)和油压(阀芯开度为20、40、60、80、100%共5级作为动载荷全因子试验的自变量负载特性。总共有25个试验。

测试1和测试2(全因子测试中各影响因素的水平数和值如表所示。

本研究使用PLS对试验1和试验2进行分析并与参考文献进行全面比较得出影响动载荷特性的主要因素的一般特性。

动载荷的公式如下:

公式中为农业机械传动系统的动载荷无量纲;Tmax为湿式离合器瞬时最大输出载荷Nm;Too为湿式离合器的稳定输出载荷Nm。

三、基于I-S4的多种动态负荷特性

模型的建立和比较根据参考数据的PLS分析本文根据影响动态的最重要因素负载进行实验设计。

为了进一步确定动载荷特性的通用预测模型，本文对以下三种模型的预测精度进行了研究和比较。此外,根据基于PLS的影响因素分析结果建立了模型。

模型1:功率函数模型，由油压和负载的重要因素组成:

模型2:多项式回归模型由重要因秦油压和负荷组成：

模型3:由最重要的单因素油压或负载组成的功率曲线模型：

其中a0~a5是每个分量的系数;P是表征油压特性的物理量本文在建模中使用了阀芯的开度%;Th为湿式离合器的输出载荷Nm;而是单个测试、油压或负载的最重要因素。

由于这三个模型的非线性特性本文研究了I-SA用于参数识别以提高模型的精度。本文中使用的I-SA是指在先前的研究中提出并验证的算法流程。

本文以决定系数R2为目标函数以平均绝对百分误差(MAPE为模型精度的评价指标。基于“PLS分析改进SA--各种模型的比较实际测试数据”建立动态负荷特性预测模型的流程图如图所示。

◆ ◇ 结语 ◇ ◆

负载对湿式离合器的动态负载特性具有最显著的影响。油压的影响仅次于负荷油压与动负荷的关系受负荷变化的影响。低负荷下油压与动载荷呈负相关,中、高负荷下油压和动载荷呈正相关。其他因素的影响可以忽略不计。

提出的三种基于I-SA算法的预测模型具有较高的精度。其中模型2的预测精度最高并且考虑了油压和负载的影响。模型3的参数最少(三个参数模型)并且只考虑负载的影响。

因此模型3对样本数量的赖性很低。在概念设计阶段，本文提出的动载荷特性建模方法可以直接评估拖拉机等农业机械在不同工况下的动载荷特征。此外在估计动态载荷时，该方法对影响因素的数量的依赖性很低。

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