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拖拉机液压机械无级变速箱的特性、控制与故障诊断研究

王光明  
【摘要】:拖拉机作业工况复杂,需从事犁耕、播种、道路运输等多种作业形式,为了适应各种工况下的负载和行驶速度要求,拖拉机变速箱往往需要设置较多的工作档位,从而使得变速箱结构复杂,操作不便,且经济性难以保证,为了解决这一问题,最为有效的方法即实现拖拉机的无级调速。作为世界上首次成功应用到拖拉机上的无级传动方案,液压机械无级传动融合了机械与液压两种传动形式的优点,不仅传动效率高,而且传递功率大、抗动载冲击能力强,通过多区段设计,可实现大速比范围的变速箱无级调速。我国对该技术的研究起步较晚,加之技术封锁,我国至今未能在国产拖拉机上使用这一技术。为此,在农业部948项目“大型拖拉机全自动换档变速箱的引进与研发”资助下(项目编号:2010-Z18),本课题自行设计液压机械无级变速箱一台,该变速箱匹配发动机功率132.5 kW,是国内首次针对轮式拖拉机设计的液压机械无级变速箱。针对第一台试验样机,本论文对其进行了广泛的理论和试验研究,主要研究工作及取得成果如下:(1)搭建了该液压机械无级变速箱的试验台架,进行了相关设备的标定工作,同时基于单片机、Matlab GUI与Labview完成了测控系统的硬件设计及软件开发,所设计的集成控制系统可同时对变速箱与测功机等设备实现计算机的远程一体化控制。(2)对该液压机械无级变速箱的传动特性进行了理论分析和试验研究。一方面,分析并计算了该变速箱样机的转速、转矩、泵-马达系统的压力、流量等特性,并进行了相关试验验证;另一方面,分析了该变速箱样机的功率分流特性,并建立了其传动效率的计算模型,通过试验校准,反复修正未知参数,使计算模型尽可能逼近实际系统,而后,利用校准后的计算模型对液压机械无级变速箱的效率特性场进行了仿真研究。结果表明:通过变量泵排量与段位离合器的协同控制,可实现该变速箱速比的连续调节,从而验证了设计理论的正确性;根据仿真结果,该变速箱在HM1/HM3段马达正转及HM2/HM4段马达反转时存在液压循环功率,其效率有所下降,变速箱的效率水平与发动机转矩成正比,与发动机转速成反比,其额定工况下的最高满负荷效率为81.5%,进一步研究证实,通过提高泵前齿轮副传动比,虽无法改变液压功率分流比的理论计算结果,但却增加了马达轴负载及进出口油路的压力水平,从而促使泵-马达系统的传动效率提升,加之泵轴转速降低引起泵轴和马达轴的粘性阻尼损耗减弱,进一步提高了整个变速箱的传动效率。经估算,如对变速箱齿轮传动比及其结构参数进行优化,完全可以使得该变速箱的满负荷传动效率稳定在80~90%。(3)对该液压机械无级变速箱的动态特性进行了理论分析和试验研究。一方面,通过阶跃试验对变速箱泵-马达系统进行了辨识,据此获得了该液压子系统的动态数学模型,并将其阶次定为3阶,与理论分析相吻合;另一方面,通过充油试验、单因素换段试验、组合因素换段试验等一系列试验,得到了对换段过程影响最为重要的4个因素依次为:离合器充油流量、负载转矩、主油路供油压力、发动机转速,且各种工况下的最佳参数组合为:离合器充油流量5 L/min,主油路供油压力4 MPa。(4)对该液压机械无级变速箱的过程控制进行了理论分析和试验研究。一方面,分别通过点位控制、继电式神经PID复合控制、模糊控制等算法对该变速箱的开环、闭环及负载自适应速比控制进行了试验研究,结果表明:点位控制具有确定的速比调节时间,不受发动机调速特性等外部条件干扰;继电式神经PID复合控制综合了开闭环两种控制模式,速比调节过程稳定,无静差,且换段过程可靠;模糊控制应用于负载自适应调节可将发动机功率锁定,不仅可以防止过载,而且为变速箱与发动机的速比匹配铺平了道路。另一方面,通过充油试验发现了换段时油压陷阱的存在,表明在油压陷阱的下陷期内进行重叠换段是安全可行的,通过带载试验,进一步证实了这一结论,并发现重叠时序可显著减小换段过程中的车辆冲击问题。(5)对该液压机械无级变速箱与发动机的速比匹配进行了仿真研究。一方面,在SimulationX下构建了该变速箱及拖拉机整机的仿真模型;另一方面,通过向仿真模型植入匹配策略与过程控制算法,对该变速箱与发动机的一元与二元速比匹配进行了研究。在一元速比匹配中,通过调节变速箱速比,使发动机沿着最佳经济工作线进行作业,从而实现其燃油经济性,同时为了确保拖拉机整机的经济性,限制了各段变量泵排量的变化范围,从而提升传动效率。在二元速比匹配中,通过理论分析得到了各行驶速度下的发动机最佳经济转速,结果表明,在该匹配模式下,发动机最佳经济转速所对应的变量泵排量比始终位于零值附近。针对每一种匹配策略,分别通过犁耕与播种两种工况对其进行了仿真分析,证实了两种匹配策略的可行性。(6)对该液压机械无级变速箱的故障诊断进行了理论分析与试验研究。考虑到当前关于变速箱机械系统故障诊断的研究比较充分,本研究侧重于对其离合器液压系统的故障诊断进行讨论:一方面,通过试验获得了所需的训练样本和测试样本,基于Fisher准则与核方法,对每一类故障样本进行特征选择并建模,结果表明,本研究所使用的核方法对于该变速箱的故障诊断是非常有效的,对于给定的正常模式与3类故障模式,其对测试样本进行模式分类的正确率均在95%以上,大多可以达到100%。另一方面,在上述研究成果基础上,基于Arm数据采集卡与VB平台开发了较为实用的液压机械无级变速箱运行状态监测与故障诊断系统。综上所述,通过对所设计液压机械无级变速箱的特性、控制与故障诊断进行研究,不仅为后续的大田试验铺平了道路,而且为该类变速箱的改进优化及其控制器设计提供了理论参考与方法支持。


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