【摘 要】
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作为农业运输和田间作业的主要动力机械,拖拉机对现代化精准农业起着重要作用。重型拖拉机因具有匹配先进配套机具、开展联合复式作业、减少作业人员数量、降低作业时间、提高作业效率的特点而受到农机制造商及消费者的关注和重视。虽然我国已成为农机制造大国,但产品仍以中、低端为主,高端重型拖拉机研发制造能力还远落后于欧美发达国家,其制造关键技术长期被欧美农机巨头垄断,形成了技术封锁。因此,突破国外在该技术领域的长
【基金项目】
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国家重点研发计划“重型拖拉机智能化关键技术研究与整机开发（2016YFD0701100）”；
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作为农业运输和田间作业的主要动力机械,拖拉机对现代化精准农业起着重要作用。重型拖拉机因具有匹配先进配套机具、开展联合复式作业、减少作业人员数量、降低作业时间、提高作业效率的特点而受到农机制造商及消费者的关注和重视。虽然我国已成为农机制造大国,但产品仍以中、低端为主,高端重型拖拉机研发制造能力还远落后于欧美发达国家,其制造关键技术长期被欧美农机巨头垄断,形成了技术封锁。因此,突破国外在该技术领域的长期垄断,建立高端重型拖拉机制造方法与技术体系并推动国产重型拖拉机产业化具有重要意义。动力换挡传动箱（Power-Shift Transmission,PST）具有传动效率高、换挡便捷、挡位数量易拓展、便于实现自动控制等特点,成为重型拖拉机常用的核心部件之一。突破PST关键设计制造技术以及智能化控制技术能够促进我国重型拖拉机智能化和产业化,是实现简洁、安全、舒适、精准、高效农田作业的重要手段。因此,本文在国家重点研发计划“重型拖拉机智能化关键技术研究与整机开发（2016YFD0701100）”的资助下,以重型拖拉机PST为研究对象,开展了结构设计、传动比匹配、换挡规律制定以及换挡过程控制等研究,主要研究内容如下:（1）按照作业过程中拖拉机机组功率流以及工况特点,对重型拖拉机适宜的作业内容进行了分类和总结分析;根据地区及耕作习惯特点,提出了重型拖拉机全生命使用周期内作业速度使用率的估算方法;基于重型拖拉机全生命周期内速度使用率特点,提出以插花换挡和顺序换挡相结合的方式设计了PST结构以及传动方案,并按照使用需求和“高使用频率高挡位密度”的原则对传动箱各挡传动比参数进行了匹配设计。所设计PST在结构较简洁,加工难度和成本较低的前提下,实现了较好的综合性能。（2）根据设计的PST,建立了拖拉机整个传动系统的多自由度动力学模型;以项目研发中的重型拖拉机为例,分别建立了全程调速柴油机稳态模型、动态平均值模型以及换挡执行机构数学模型;在分析拖拉机作业随机载荷特征的基础上建立了整车负载模型用于模拟拖拉机实际作业时的载荷变化;进而按照作业特点,构建了拖拉机不同作业类型的测试工况,为制定自动换挡控制策略和仿真分析奠定了基础。（3）根据柴油机全程调速特性,以作业过程中的发动机负荷率为指标,制定了发动机油门开度和转速两参数的PST拖拉机标准型换挡规律,满足PST拖拉机在各种作业类型和工况下的自动换挡需求。为进一步提高在常用典型作业中PST拖拉机的动力性或燃油经济性,针对典型作业模式制定了具有针对性的控制策略:在动力输出装置（Power Take-Off,PTO）无动力输出的牵引作业中,引入了工况因子作为换挡参数,制定了基于递归最小二乘法（Recursive Least-Squares Algorithm,RLS）工况识别的拖拉机自动换挡规律;为搭载PST的拖拉机制定了针对轻负荷的田间作业的燃油经济性自动换挡规律,并给出了进一步改善燃油经济性的自适应巡航控制方法;为拖拉机道路行驶/运输制定了具有针对性的自动换挡规律。（4）以四个离合器参与的power-on换挡为例,提出了换挡主要阶段同步叠加的执行时序和离合器作动方式,分别设计了转矩相—惯性相—转矩相执行时序的升挡过程和惯性相—转矩相—惯性相执行时序的降挡过程,并制定了基于发动机与多离合器综合协调控制的自动换挡控制策略。实现了拖拉机作业过程中快速、平稳、动力无中断的power-on换挡。相比离合器分组执行的控制策略,大幅节约了换挡时间,减少了车速波动和发动机调速次数,提升了换挡效率。（5）设计了PST原理样机,并搭建了PST综合性能试验台。基于Matlab/Simulink和D2P控制平台开发了测试程序,基于ATI-VISION建立了数据采集和标定控制系统。对试验台有效性和可靠性进行了测试,并利用该平台对PST原理样机进行了初步的性能试验。测试结果表明所设计的试验台能够适应PST性能测试,且原理样机满足了设计和使用需求,为后续完整样机的开发和测试提供了支持和参考。
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