农业机械动力系统配置及应用浅析

2021-02-24顾文威崔小冬韩晨李路远

江苏农机化 2021年1期

关键词：柴油发动机变速箱齿轮

顾文威崔小冬韩晨李路远

农业机械的动力系统主要由动力源和变速器组成。农业机械的动力一般由电动机、发动机等动力输出机构提供，动力输出机构在变速器的作用下输出合适的作业扭矩和转速［1］。

1 动力源

动力源主要是指将其他形式的能量转化为机械能，从而带动机械装备进行规定动作的部件。在农业机械中，常见的动力源有电动机和发动机两大类。

1.1 电动机

电动机是将电能转化为机械能的机构，广泛应用于各类中小型装备。按使用电能类型的不同，电机可分为直流电机和交流电机。电动机易于实现自动化控制，因此常用于自动控制要求高的智能农机装备，如遥控自走式植保机、无人植保飞机等。

1.1.1 直流电机

直流电机一般通过便携式蓄电池提供电能。受蓄电池容量所限，直流电机所能提供的功率较小，一般应用于动力需求小、体积小且移动作业的装备，如电动喷雾器、电动枝条修剪机等。

1.1.2 交流电机

应用交流电机的农机装备需要接通三相电源，一般需要固定作业。根据电机额定功率大小，选配合适的变速器，可实现较大范围的输出扭矩。交流电机常应用于育秧播种流水线、称重分拣流水线和农副产品加工机械等装备。

1.2 发动机

发动机是各类燃油车辆、农业机械及工程机械中将介质燃烧产生的热能转化为机械能的机构，它能提供的动力范围广，动力输出稳定，在各类农机装备中应用十分广泛。按照燃烧介质不同，发动机一般分为汽油型、柴油型等。

1.2.1 汽油型发动机

汽油型发动机具有转速高、重量轻、噪声小、易启动、维修成本低等优点，但由于油价高，燃油消耗大，经济性较差，一般应用于轿车、轻型货车等舒适性要求较高的车辆或低功率的农机装备。插秧机是应用汽油发动机的代表性农业机械。

1.2.2 柴油发动机

柴油发动机动力足，多用于重载机械。使用柴油发动机的代表性的农业机械有拖拉机和收割机等。柴油的特性是粘度大、不易蒸发、自燃温度低。柴油发动机点火时，发动机气缸中吸入的是纯空气，待活塞压缩进程接近上止点时才由喷油器将柴油以雾状喷入，由缸内的高温引起柴油自燃，因此，柴油发动机属于压燃式发动机，易出现冬季低温难启动的情况。为了使静止的发动机进入工作状态，必须有外力转动发动机曲轴使活塞开始上下运动，然后才能依次进入后续的工作循环并点火启动。最早的小型拖拉机是通过人力转动摇杆启动发动机，目前几乎所有的汽车、工程机械、农业机械的发动机都配置了电起动系统，即通过蓄电池给启动电机通电，从而带动发动机启动。

2 变速器

变速器是将发动机的输出转速变为工作所需要的转速的一种装置，分为有级变速和无级变速两类。

2.1 有级变速器

农业机械最常用的是有级齿轮式变速器。有级齿轮式变速器通过多对大小不同的齿轮变换啮合改变传动比，从而实现变速。变换一对啮合齿轮的过程称为换挡。为了形成复杂的多挡变速系统，还可以采用主、副两个变速器串联的方式，例如：一台拖拉机的主变速器有4 个挡位，副变速器有4 个挡位，则可以实现16 挡变速。齿轮变速器按照操纵换挡的类型可分为机械换挡变速器和动力换挡变速器。

2.1.1 机械换挡变速器

通过机械传动将齿比不同的齿轮组变换啮合可以改变转速［2］。转速比与齿数比成反比。当动力由大齿轮轴传递到小齿轮轴时，小齿轮轴的转速变快,输出转矩减少；反之，则齿轮轴转速变慢，输出转矩增大。机械换挡变速前需踩下离合器，断开变速箱的动力输入。

2.1.2 动力换挡变速器

动力换挡是一种换挡时发动机的动力无需断开的技术［3］。动力换挡分两种：半动力换挡和全动力换挡。

1）半动力换挡变速器。半动力换挡变速器一般由主、副两个变速器组合而成。主变速箱为常规的机械换挡变速箱，副变速箱可通过电磁阀控制液压油的通断，进而控制湿式换挡离合片的分离与结合，从而实现不切断动力换挡。即：副变速箱实现了区域自动换挡，但主变速箱挡位之间的切换仍需配合脚踩离合器踏板。目前市场上国产机型多采用两挡动力换挡变速箱和机械换挡变速箱串联组成的半动力换挡。

2）全动力换挡变速箱。全动力换挡变速箱大多采用行星齿轮传动结构，在全转速范围内都可以实现不停车、不踩离合的动力换挡，驾驶者仅需操纵换挡按钮即可实现降挡增扭或提挡增速。采用全动力换挡的机械可以带着负载一边作业，一边以极高的效率切换挡位，地头转弯换向也十分方便，具有很好的燃油经济性和驾驶舒适性。

全动力换挡需要借助液压系统和电控系统来实现，因此研发难度很大，生产成本也很高，目前在约翰迪尔、凯斯、纽荷兰等世界一流品牌的大型农机装备上应用较多。