摘要：开展农业机械电动技术的研究应用，将从很大程度上缓解能源危机。特别对于作业空间封闭狭窄的温室大棚等场合，小型电动拖拉机等农业装备的需求变得日益迫切。
关键词：电动拖拉机;双电机驱动;设计方法;牵引特性；
针对传统拖拉机存在高油耗、高排放、变速器结构复杂等问题，提出了一种电动拖拉机驱动系统的设计方法，对牵引电动机、变速器以及动力电池组等驱动系统主要部件进行了设计选型。
一、电动拖拉机驱动原理和效率计算
1.驱动原理。在驱动转矩T q的作用下，驱动轮与地面的接触面与地面之间产生反作用力，反作用力的水平分力的作用方向与行驶方向相同，是推动拖拉机前进的驱动力。
（1）
式中rd———驱动轮半径，m F q———反作用力的水平分力，N忽略空气阻力和加速阻力，当驱动力F q足以克服拖拉机前后轮与土壤的反作用力F f c和F f q(滚动阻力)以及作用在拖拉机挂钩上的牵引力FT时，拖拉机能正常行驶。但驱动力受轮胎与地面间的附着力Fφ的限制，不能随电动机转矩Te的增加而增加。因此，拖拉机保持正常行驶的充分和必要条件是
（2）
式中Ff———滚动阻力，N f———滚动阻力系数G δ———附着重力，N
λ max———允许最大载荷分配系数，取0.8
Φ δ———允许滑转率时的附着系数，取0.6
2.牵引效率计算。（1）电动机效率。电动机效率用来衡量电机工作过程中输出的功率损耗。在直流无刷电动机工作过程中，电动机的效率会随着电机工作电流变化而发生变化，效率表示为
(3)
式中P e———电动机输出功率，kW
Pb———蓄电池输出功率，kW
T———电动机输出转矩，N•m
n———电动机输出转速，r/min
V———蓄电池电压，V
I———蓄电池电流，A
通过试验台试验测得选定直流无刷电机的效率如图1所示。
图1电动机效率曲线
(2)牵引效率。牵引效率用来衡量整个拖拉机的功率损失，其等于拖拉机的牵引功率和相应的电动机功率的比值，用η T表示为
（4）
式中η c———传动系效率η δ———滑转效率
Η f———滚动效率
3.作业性能。拖拉机配有相应的农具，可进行犁耕、旋耕、播种、开沟等田间作业。以犁耕作业为例，研究电动拖拉机的犁耕性能。（1）电动拖拉机作业时的力平衡式。电动拖拉机作业时其所受的力主要有:滚动阻力、坡度阻力、犁耕阻力、加速阻力、空气阻力以及电动机驱动力合力。一般情况路面坡度角较小，特别是对于园艺作业拖拉机，地面可视为水平，因此可认为c o s α≈1和s i n α ≈t a n α≈i。行驶速度小于20 km/h时，可忽略空气阻力，在匀速行驶时，加速阻力为零。故行驶阻力为
F=Ff+Fa=f m g co s α+m g s i n α≈mg(f+i)(5)
式中Fa———上坡阻力，N
α———路面坡度角，rad
i———地面坡度系数
F———行驶阻力，N
（2） 作业机组阻力。园艺电动拖拉机作业机组包括悬挂犁耕机组和悬挂旋耕机组两种，对于悬挂犁耕机组，其受力情况较为复杂，由于土壤机械特性复杂多变，目前没有很好的犁耕牵引阻力数学力学模型，一般用测量结果处理后的经验公式来描述。由于所设计的电动拖拉机作业速度较低，高略契金理论公式能较为准确地描述犁耕作业阻力，该式包含了综合摩擦项、静态阻力项和动态阻力项，简略表达式为
F x=f a m Lg+n k o h b+εzhbv2 (6)
式中F x———犁耕牵引阻力，N
fa———综合摩擦因数，取0.3～0.5
M L———犁体质量，kg
K o———静态阻力系数，取0.2～0.7
h———单犁体耕深，cm
b———单犁体耕宽，cm
z———犁体个数
ε———动态阻力系数，取250～400
v———机组速度，m/s
二、试验结果
1.牵引性能试验。拖拉机牵引性能决定牵引作业机具配套能力和生产率，是衡量拖拉机作业能力最重要的性能之一。由于试验台自身存在转动惯量，以及试验台同轴度调定存在的微小误差而产生的不同轴转矩，需要对电动拖拉机驱动试验台进行空载标定。试验结果表明，不带负载情况下，电动机转速随控制电压升高可连续迅速响应变化，电动机输出转矩有微小波动，该波动由信号干扰以及传感器自身信号波动造成，变化量基本稳定在1 N•m内。因此，当电动机不与减速机联接而空载时，可视为电动机转矩输出稳定。当拖拉机作业耕深发生变化时，拖拉机犁耕阻力大幅上升。根据式(6)，当拖拉机耕深为25 cm时，电动拖拉机作用至单边轮理想理论阻力矩为794 N•m，根据式(3)、(4)，总传动效率按60%计算，理论输出阻力矩1 323 N•m。电动拖拉机牵引性能试验步骤如下:空载运行，将电动机控制电压直接调定至3 V，电动机运行一段时间。然后逐级加卸载砝码，依次为0.75、2.75、
5.25、7.75、2.75、0.75 kg，每一级加卸载后均保持电机控制电压3 V不变，且电动机稳定运行一段时间。最后将电动机控制电压调定为0 V。
如图2所示，
图2牵引试验时车速和驱动转矩曲线
牵引性能试验中最大加载7.75 kg砝码时，根据式(7)可得施加阻力矩为1 500 N•m。由于加载装置由制动鼓充当，当制动鼓凸轮顶开摩擦片时，制动摩擦片与摩擦鼓为非圆接触，转矩传感器测出驱动轮实际输出转矩达1 800 N•m，大于理论阻力矩1 323 N•m，可满足更大耕深作业。此时，电动机最高转速为2 770 r/min左右，电动拖拉机作业速度约为5.2 km/h。牵引性能试验过程中，当砝码增加时，驱动电动机的输出功率不断增加，当加载砝码为2.75 kg即单边驱动轮输出转矩635.75 N•m时，驱动电动机工作在额定功率范围，当载荷增加驱动电动机可过载，试验过程中，电动机发热不明显，功率输出较稳定，驱动电动机过载能力较强。
2.带载启动试验。在拖拉机作业过程中，拖拉机带载荷启动非常常见。带载荷启动能力是检验电动拖拉机驱动性能最重要的指标之一，驱动电动机启动能力直接关系到驱动电动机能否有效工作。驱动电动机运行前系统加载5 kg砝码，计算可得阻力矩为1 025 N•m，此值即为拖拉机在作业时的启动转矩。调节驱动电动机的控制电压。调节驱动电动机控制电压，当控制电压较低时，驱动电动机输出转矩增加，但转速变化为0，当电动机控制电压升高至一定值时，驱动系统启动，电动机转速迅速上升至一定值并保持不变。启动后电动机转速无明显变化，此时驱动电动机转速2 900～3 100 r/min，电动拖拉机最高车速7 km/h。为驱动转矩从700 N•m至1 600 N•m的时间，车速由0增至7 km/h的时间约为1.1 s，此时启动阻力矩达到1 620 N•m。
3.运输工况试验。为了模拟电动拖拉机运输试验工况，试验加载砝码2 kg，通过转矩计算公式(7)可得，施加阻力矩为506 N•m，基于电动拖拉机阻力矩理论公式以及固定参考参数，可求得此阻力矩相当于电动拖拉机运输1 710 kg货物。试验时电动机控制电压为3 V，电动拖拉机行驶车速为6.5 km/h，驱动转矩达到1 000 N•m，满足更高的运输要求。
双轮驱动电动拖拉机的总体结构方案，搭建了传动试验台，并进行了传动性能试验，理论计算和试验结果表明电动拖拉机动力性能匹配合理。在牵引试验中，电动拖拉机作业速度约为5.2 km/h，驱动轮实际输出转矩1 800 N•m，可满足较大耕深作业。在运输工况试验中，施加约为1 710 kg货物的阻力时，电动拖拉机行驶速度可达6.5 km/h。
参考文献：
［1］张玉华，双轮驱动电动拖拉机传动性能研究.2016.
［1］高思洪．浅谈电动拖拉机传动系设计理论与方法研究.2017.
论文作者:彭佃锋
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
标签：拖拉机论文; 电动机论文; 阻力论文; 作业论文; 转矩论文; 效率论文; 性能论文; 《基层建设》2018年第30期论文;