自走式采棉机HMCVT换挡规律研究

鲍明喜，倪向东，李 申，齐庆征

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2.农业部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832003）

1 引言

新疆棉花种植面积占全国种植面积的比例正逐年上升，因此，所需采棉机的数量也随之上升。目前，市场上以美国为代表的水平摘锭式采棉机为主。近几年，中国采棉机市场在国家政策的导向下，大力发展采棉机行业，如东华4MA-3 型自走式采棉机、铁建重工4MZ-6自走式采棉机、钵施然4MZ-6A采棉机、贵航4MZ-5自走式采棉机。但是国产采棉机一般以3行采棉机为主，对于大功率的多行采棉机研究还未投入实际生产当中。由于采棉机在多变作业工况下负载实时变化且为满足速度适应导致档位繁多，大大增加驾驶员的疲劳强度。液压机械无级变速器（Hy⁃draulic mechanical continuously variable transmission，HMCVT）将液压无级调速特性和齿轮高效率传动特性相结合，可实现HM⁃CVT前进挡或倒退挡内无级变速［1-2］。液压机械无级变速器适用于大功率的农业机械负，符合多行自走式采棉机传动需求。某些大学将其自主研发的液压机械无级变速器主要装备于中、大功率型轮式拖拉机，对其进行车速及控制策略研究［3-6］。某大学针对环卫车实际工况，提出两段式HMCVT，并对其调速特性与功率特性进行分析［7］。某大学研究了HMCVT在玉米收获机、水稻插秧机中研究应用［8-9］。因此，研究HMCVT在自走式采棉机传动系统具有实际应用，为国产自走式采棉机提供理论依据。利用ITI Simulation X多体动力学软件对自走式采棉机进行仿真试验，为液压机械无级变速器装机田间试验提供基础依据。

2 HMCVT简介

2.1 HMCVT传动原理

本项目根据自走式采棉机实际作业工况与需求，自主研发分矩汇速型等差式液压机械无级变速器，可适配自走式采棉机速度范围为（0～25）km/h，其HMCVT传动原理［10-13］，如图1所示。液压传动系统采用HPV-02闭式回路高压变量泵和HMF-02定量马达，根据输入转速和变量机构摆动角度的不同，调节液压系统的流量，从而改变定量马达的转速。机械传动系统包括双排差动行星轮系、湿式离合器和制动器。其中，双排差动行星轮系的太阳轮共用定量马达输出轴，前行星轮系行星架接入湿式离合器C1，后行星轮系齿圈接入湿式离合器C2。制动器通过锁定后行星轮系的齿圈，使其由定量马达输出转速通过行星架向后输出。该HMCVT包含R挡、纯液压段H挡、液压机械HM1挡、液压机HM2挡，其中R挡，纯液压段H挡、液压机械HM1挡、液压机HM2挡是前进挡。当HMCVT处于R挡、纯液压段H挡时，制动器锁死，湿式离合器C1、C2分离，发动机转速通过泵控马达系统，流经后行星轮系行星架传输；当HMCVT处于纯液压段HM1挡时，制动器分离，湿式离合器C1结合，湿式离合器C2分离，发动机转速通过泵控马达系统与前行星轮系汇流，流经后行星轮系行星架输出；当HMCVT处于纯液压段HM2挡时，制动器分离，湿式离合器C1分离，湿式离合器C2接合，发动机转速通过泵控马达系统与后行星轮系汇流，流经后行星轮系行星架输出。

图1 液压机械无级传动原理简图Fig.1 Hydraulic Machinery Stepless Transmission Principle Diagram

2.2 HMCVT换挡控制策略

这里所设计的HMCVT 控制策略是采用两个离合器和制动器相互配合的方式进行联合控制。针对不同的作业工况和作业速度采用不同的配合方式，满足自走式采棉机在各种作业条件下的行驶需求。

表1 离合器和制动器结合位点图Tab.1 Map of Clutch and Brake Binding Points

3 发动机特性

3.1 发动机燃油消耗率

发动机燃油消耗率是评价发动机燃油经济性的重要指标。发动机每输出1kW•h的有效功所消耗的燃油量（以g为单位）称为有效燃油消耗率。其公式如下所示：

式中：Be—发动机小时耗油量，g/h；

d—燃油比重；

Ne—发动机输出功率，kW；

be—发动机单位有效功率的耗油量，单位g（/W•h）；

3.2 发动机特性

自走式采棉机因其作业工况下负载实时变化，在一定发动机转速下，其燃油消耗量与负荷变化曲线图，如图2所示。

图2 负荷特性曲线Fig.2 Load Characteristic Curve

发动机控制曲线图是在不同油门踏板下，测出其转速转矩绘制的三维数组模型图，如图3所示。燃油消耗率曲线图测试了不同转速、转矩下的燃油消耗率，如图4所示。

图3 发动机控制曲线图Fig.3 Engine Control Curve

图4 燃油消耗率曲线图Fig.4 Fuel Consumption Curve

4 自走式采棉机仿真模型的建立

4.1 发动机和离合器液压系统动态仿真模型

如图5所示，利用多体动力学软件simulation X建立了4缸柴油发动机系统仿真模型。发动机输入为油门踏板信号，输出转速由发动机控制曲线图决定。油门踏板信号由发动机输出转速通过PT（一阶低通滤波器）与目标转速的偏差通过比例微分调节器（PI）控制。其中，一阶低通滤波器参数为：增益G=1；时间常数T=1（/2*pi*5′Hz′）s；比例微分调节器（PI）参数为：增益G=0.02；积分时间Ti=1.7 s；积分初始值y0=0.24 rad/s。

图5 发动机系统仿真模型Fig.5 Engine System Simulation Model

HMCVT换挡过程因离合器液压系统的非线性充油特性是一个复杂的动态过程，由三相异步电动机（额定转速1450r/min）驱动供油泵为湿式离合器供油，完成自走式采棉机的换挡。

图6 离合器液压系统仿真模型Fig.6 Clutch Hydraulic System Simulation Model

4.2 自走式采棉机动态仿真模型

根据液压机械无级变速器数学模型，利用ITI simulationX软件对自走式采棉机采用约翰迪尔L70谷物联合收割机为对象进行HMCVT的动态仿真模型，如图7所示。HMCVT仿真模型包括发动机模型、变量泵—定量马达容积调速系统模型、双排差动行星轮系、制动器模型、离合器液压系统模型、自走式采棉机行驶模型等。变量泵—定量马达容积调速系统模型采用液压软管，长度为1.6m，更加符合液压实际要求。自走式采棉机行驶模型包括车重、空气阻力、行驶阻力和外负载以及差动齿轮模块、车轮模块。

图7 自走式采棉机HMCVT动态仿真模型Fig.7 Self-Propelled Cotton Picker HMCVT Dynamic Simulation Model

式中：Fr—滚动阻力，N；Fa—空气阻力，N；m—自走式采棉机车重，kg；rw—车轮半径，m。

5 自走式采棉机仿真试验

当给定发动机目标转速在2200rpm 和变量泵控制信号时，（0～5）s是纯液压段H挡，排量比（0～1）连续变化；（5～15）s是液压机械段HM1挡，排量比（1～-1）连续变化；（15～25）s是液压机械段HM2挡，排量比（-1～1）连续变化；在发动机转速控制器调节下，发动机输出转速变化曲线，如图8所示。在排量比分别为1、-1位点时，自走式采棉机在纯液压段H挡换至液压机械段HM1挡和液压机械段HM1挡换至液压机械段HM2挡阶段中，发动机输出转速均产生波动，但最终发动机输出转速稳定于2200rpm。

图8 发动机输出转速Fig.8 Engine Output Speed

自走式采棉机在行驶阶段燃油消耗率，如图9所示。自走式采棉机在换挡阶段，其燃油消耗率均出现较大幅度的上升；这表明自走式采棉机在换挡过程中为实现完全换挡消耗的燃油量较多。自走式采棉机行驶速度范围为（0～25）km/h，完全符合自走式采棉机在各种作业工况和非作业工况的行驶要求。在行驶过程中，由于换挡过程离合器充油特性会产生冲击度，导致一定的速度下降。车辆行驶速度，如图10所示。车辆行驶位移，如图11所示。

图9 车辆燃油消耗率曲线图Fig.9 Vehicle Fuel Consumption Curve

图10 车辆行驶速度曲线图Fig.10 Vehicle Speed Curve

图11 车辆行驶位移曲线图Fig.11 Vehicle Displacement Curve

5 结论

针对大功率国产采棉机对液压机械无级变速器在自走式采棉机传动系统进行研究，为国产自走式采棉机提供理论依据。（1）利用ITI SimulationX 多体动力学软件建立液压机械无级变速器仿真模型及自走式采棉机行走机构仿真模型，得出自走式采棉机行驶速度及行驶位移并进行分析。（2）对发动机燃油消耗率进行分析，并测试发动机油门踏板—转速—转矩控制曲线图和转速—转矩—燃油消耗率曲线图。（3）对发动机输出转速通过PT（一阶低通滤波器）与目标转速的偏差通过比例微分调节器（PI）进行控制，使发动机转速稳定输出。