拖拉机旋耕机组系统动力消耗机理及动态协调匹配优化算法研究

Reasonable power matching of tractor and rotary tillage is the premise to ensure the tillage stability of the tractor-implement system, and also the key to improve the power performance and fuel economy of the tractor-implement system. Subject to the engine torsional vibration excitation and the external excitation of the soil effects, the tractor-rotary tillage system forms a multi-input and multi-output dynamic system. Existing research on power matching of tractor and implement lacks of systematic theory of the power consumption. Taking the tractor-rotary tillage system as research subject, this project conducts the basic scientific research on the power consumption mechanism and the dynamic matching optimization algorithm. At first, theoretically studying the input characteristics and the nonlinear dynamic factors of the tractor-rotary tillage system, the nonlinear dynamical model of the tractor-rotary tillage system under the complex excitation is established. Secondly, analyzing the dynamic response of the nonlinear dynamic system under the complex excitation, the system power consumption model is built. Finally, investigating the impact mechanism of the working parameters and structural parameters on the power consumption of the tractor-tillage system, the optimal algorithm for harmoniously matching the power input and the power consumption is established. This project aims at the model establishment, theoretical solutions and parameters matching for the nonlinear dynamic system, which lays theoretical and technical foundations for improving the tractor power utilization and tillage quality and achieving the power intelligent control of the tractor-implement system.

拖拉机与旋耕机动力的合理匹配，是保证机组稳定性耕作的前提，是提高机组动力性与经济性的关键。拖拉机旋耕机组受到发动机扭转振动激励以及土壤外部激励的综合作用，构成多输入多输出的动力学系统。现有的机组匹配研究中缺乏系统的功耗分析理论。本项目以拖拉机旋耕机组系统为研究对象，对其动力消耗机理及动力动态匹配优化算法进行理论研究。具体研究内容：理论分析拖拉机旋耕机组的输入特性及机组非线性动力学因素，建立复杂激励下的机组非线性动力学模型；求解复杂激励非线性动力学系统动态响应，建立系统功耗模型；分析机组工作参数、结构参数对系统功耗的影响机理，建立机组动力输入与动力消耗的协调匹配算法。本项目旨在解决拖拉机旋耕机组复杂激励非线性动力学系统的建模、理论计算和参数匹配问题，为提高拖拉机动力利用率和机组作业质量及实现拖拉机机组动力智能调控提供理论和技术基础。

为研究拖拉机旋耕机组功率消耗机理，构建机组功率消耗理论模型，本研究主要完成了以下研究工作：构建拖拉机动力传动系统扭振动力学当量化模型，包括前端阻尼器、四缸四冲程发动机、输出端扭振减振器、离合器、变速箱、半轴、差速器、轮毂及PTO，分别研究怠速、行驶工况下的动力学模型及特性；对发动机输出端扭振减振器的传递扭矩特性进行分析，构建考虑迟滞摩擦特性下的扭振减振器传递扭矩模型，分析其摩擦耗能特性，并对其刚度、阻尼特性对整机的动力学特性影响进行分析；分析了湿式离合器在接合过程中的摩擦特性，分析影响其摩擦系数的关键因素，并对其影响机制进行分析；对湿式离合器在接合过程中的压力迟滞特性进行分析，并提出了开环前馈加闭环控制的精确压力控制方法，该方法可提高湿式离合器的接合效率及变速箱的换挡平顺性，从而减少整机能耗；设计并制作了旋转耕作部件性能测试试验台，并对其结构、测控系统进行了详细研究；试验研究了通用旋耕刀辊、组合旋耕刀辊功耗特性，分析通用旋耕刀辊功耗与前进速度、工作转速、耕作深度三因素之间的关系；分析通用旋耕刀辊刀片排布与功耗之间的关系；分析组合旋耕刀辊功耗与螺旋横刀的安装角及刀宽之间的关系；以旋耕机作为发动机负载，对旋耕机工作过程中的负荷特性进行了研究，提出了基于土槽试验的旋耕刀辊三维力测试方法；基于离散元素法，对旋耕刀的三维负荷特性进行了仿真研究。