履帶式聯合收割機變速箱總成疲勞試驗臺的研制

竹瑞珩 李耀明 唐 忠 徐立章 馬 征

（江蘇大學 農業工程學院， 江蘇 鎮江 212013）

0 引言

履帶式聯合收割機以水稻、小麥等為主要收獲作物，比較適用于南方地區含水率較大的農田。相比于輪式底盤，履帶行走底盤增大了整車與濕田的接觸面積，具有更高的整機通過性[1-2]。其中，差逆變速箱作為傳動系統的核心部件，與傳統機械式變速箱不同，其引入電控、液控元件代替常規的機械制動形式，可實現自由半徑轉向、單邊制動轉向以及差逆轉向等模式。但是，在正常使用過程中，變速箱受田間復雜的交變載荷沖擊作用，其高速齒輪副容易出現脫嚙、打齒、點蝕、疲勞斷裂等故障，嚴重影響整機的可靠性和無故障工作時長[3-7]。

為了解決田間作業時差逆變速箱內部齒輪副故障率較高等問題，提高履帶式聯合收割機行走底盤的可靠性，本文中以研發的單液壓無級變速器（Hydro static transmission，HST）液壓機械式差逆變速箱為試驗對象，設計并搭建了一種模擬聯合收割機田間作業、道路行走等工況的變速箱總成疲勞試驗臺，并開展了相關試驗。

1 差逆變速箱的結構簡圖及原理概述

差逆變速箱的結構簡圖如圖1所示，輸入動力為65～75 kW，與48 mL/r 液壓無級變速箱（HST）相匹配。駕駛員只需借助操縱手柄來改變HST 內部柱塞泵的斜盤傾角，即可實現輸入軸轉速與方向的無級控制。其傳動原理圖如圖2所示。

圖1 差逆變速箱的結構簡圖Fig.1 Structure diagram of differential steering gearboxs

圖2 逆差變速箱傳動原理圖Fig.2 Transmission schematic diagram of differential steering gearboxs

工作時，發動機將動力通過皮帶輸出到HST 上，借助花鍵聯接將動力傳遞給第一級齒輪傳動（輸入主動齒輪1、從動齒輪2）。二軸上的換擋變速齒輪3 可分別與各擋位從動齒輪（4、5、6）嚙合，組成差逆變速箱的直線換擋機構，借助換擋撥叉即可實現1 擋、2 擋、3 擋的切換。之后，動力經傳動齒輪7 傳輸至離合主動齒輪8、從動齒輪9，該對齒輪以牙嵌形式聯接，通過控制換向撥叉的旋轉角度，實現牙嵌結構的接合與分離。正常接合情況下，動力將經過最后一級齒輪傳動（雙聯齒輪12、主減齒輪13）傳遞至左右輸出半軸，此時，兩側動力同向且等值，實現行走底盤的前進/后退功能。

當某側的牙嵌結構分離時，若執行單邊制動轉向模式，離合從動齒輪會在單邊制動齒輪抱死的作用下切斷該側的動力傳遞，另一側動力正常輸出，此時，行走底盤的轉向半徑約為履帶中心距的一半；若執行差逆制動轉向模式，離合器10 的中央齒圈會在差逆轉向制動齒輪11 抱死的作用下停止轉動，同時，借助內部行星齒輪的嚙合將另一側的動力反向等值傳遞到該側的離合從動齒輪上；最終，動力經雙聯齒輪、主減齒輪傳遞到輸出半軸，此時，行走底盤的轉向半徑理論上等于0。

2 變速箱總成疲勞試驗臺的設計

2.1 技術需求

為了能夠最大程度模擬聯合收割機實際使用過程中的各種工況載荷，變速箱總成疲勞試驗臺不僅需要有充足的動力源儲備，還要求加載裝置具有加載轉矩大、調節范圍廣、轉矩不受轉速影響等特性[8-12]。同時，由于差逆變速箱需要利用液壓力來實現單邊制動轉向與原地轉向等模式，試驗臺還需要安裝液壓站以滿足疲勞試驗的需求。

此外，試驗臺兩端轉矩的加載需要具備人工控制或程序控制兩種形式，保證控制單元能夠分別獨立調節。為了對轉矩、轉速、油溫等試驗參數進行實時監測，需要選用適合的傳感器測量并實時顯示在儀表上，以便進行試驗記錄。

2.2 驅動裝置選型

聯合收割機上常用的動力源是柴油機，但其存在噪聲污染大、柴油成本高的缺陷，較少應用于疲勞試驗臺。采用了一臺型號為YP2-280S-4的寬頻三相異步電動機（見圖3）作為試驗臺架的驅動裝置，通過一條5槽B型皮帶將動力傳遞到差逆變速箱的輸入端。該驅動裝置具有動力儲備足、噪聲小、無污染、成本低等優點。其主要參數如表1所示。

圖3 寬頻三相異步驅動電機Fig.3 Broadband three-phase asynchronous drive motor

表1 驅動電機的主要參數Tab.1 Main parameters of drive motor

2.3 加載裝置選型

常見的轉矩加載裝置包括水力測功機、電渦流測功機、電力測功機、磁滯測功機及磁粉制動器等。其中，磁粉制動器是根據電磁感應原理通過磁粉傳遞與傳動軸轉動方向相反的制動轉矩，具有在滑差功率允許范圍內激磁電流與制動轉矩基本呈線性關系的特性，是一種便于程序控制、加載穩定且響應速度較快的自動控制元件[13]。

選用CZ-200 型磁粉制動器與ZDY200-5-1/2 型減速箱組合的形式（見圖4）作為疲勞試驗臺的加載裝置。與僅使用磁粉制動器相比，選用較小的磁粉制動器實現疲勞試驗所需要的負載轉矩，可極大地節約設備成本。磁粉制動器的性能參數如表2所示。

圖4 加載裝置Fig.4 Loading device

表2 磁粉制動器的性能參數Tab.2 Performance parameters of magnetic particle brake

2.4 溫度傳感器選型

溫度傳感器按測量方式一般分為接觸式和非接觸式兩類。根據材料選用、測溫要求以及電子元件特性又可分為熱電阻和熱電偶感應傳感器?？紤]到差逆變速箱的實際安裝需要，選用型號為PT100 的小貼片表面溫度傳感器（見圖5）。其規格及性能參數如表3所示。

圖5 溫度傳感器Fig.5 Temperature sensor

表3 溫度傳感器規格及性能參數Tab.3 Specifications and performance parameters of temperature sensors

2.5 轉矩轉速傳感器選型

由于疲勞試驗周期長且試驗過程中存在各種干擾因素，選用的傳感器應滿足高轉速、長時間運行以及較強抗干擾能力的要求。選用型號為CYB-803S的轉矩轉速傳感器（見圖6），可以將采集到的轉矩轉速信號通過7芯航空線纜傳輸到控制單元中。傳感器性能參數如表4所示。

圖6 轉矩轉速傳感器Fig.6 Torque speed sensors

表4 轉矩轉速傳感器的性能參數Tab. 4 Performance parameters of torque speed sensors

3 變速箱總成疲勞試驗臺的搭建

3.1 試驗臺整體布置及結構框圖

差逆變速箱總成疲勞試驗臺的整體布置和結構框圖分別如圖7、圖8 所示。試驗臺由寬頻三相異步電動機、5 槽B 型皮帶及皮帶輪、被測物（變速箱）、萬向聯軸器、滑動軸承、轉矩轉速及溫度傳感器、減速箱、磁粉制動器、各部件間的聯軸器、液壓站、主電源柜、中央控制柜、底座及墊塊等組成。同時，底座上設有T 形槽，除中央控制柜、主電源柜、動態信號分析儀外，其余各部件通過固定支座安裝在底座上，可以方便地進行位置調整。

圖7 變速箱總成疲勞試驗臺架Fig.7 Fatigue test bench for gearbox assembly

圖8 整體結構框圖Fig.8 Overall structure block diagram

臺架整體呈“T”字形布置，結構簡單、安裝方便，左右兩側磁粉制動器配有專門的供水冷卻管路，冷卻效果良好。

試驗時，主電源柜供電啟動驅動電機，通過B型帶及皮帶輪將動力傳遞給變速箱輸入端，帶動箱體運轉。以程序控制為例，中央控制柜上的PCI-1710HGU 板卡在Labview 軟件控制下輸出0～5 V 的?？仉妷?，經控制器及傳輸線路傳輸至加載裝置，產生負載轉矩；再經減速箱放大、轉矩轉速傳感器、滑動軸承、萬向聯軸器后，施加在變速箱兩端的輸出軸上。

3.2 主電源柜

主電源柜如圖9所示，主要用于控制驅動裝置的啟動、急停以及小型液壓站的啟停。該電源柜保證了試驗過程中的動力供給以及發生故障時及時的動力切斷。

圖9 主電源柜Fig.9 Main power cabinet

主電源柜與驅動電機間的電氣原理圖如圖10所示。通常情況下，鼠籠型驅動電機的驅動電流為其額定電流的5～7 倍。大電流帶來了較大的電壓降，當電壓降達到一定值時會影響同一電網下的其他電氣設備。為了不形成對公共電網電壓的過大沖擊，需要采用降壓啟動的方式，即通過降低電機定子的啟動電壓來限制其過大的啟動電流。采用星形啟動換接三角形啟動的方式來達到試驗臺降壓啟動的目的。

圖10 電控原理圖Fig.10 Electrical schematic diagram

3.3 中央控制柜

中央控制柜（見圖11）作為變速箱總成疲勞試驗臺架的控制核心，可實現控制加載裝置施加負載、執行3種液控轉向模式以及實時顯示被測物測點溫度和輸出端轉矩轉速信息等功能。

圖11 中央控制柜操作界面Fig.11 Operation interface of central control cabinet

其中，紅色矩形框①為臺架左右兩端磁粉制動器的控制器，可以選擇采用手動或電腦程序控制，兩端加載相互獨立且互不影響；黃色矩形框②、綠色矩形框③分別為左右輸出端轉速、轉矩的顯示儀表；紫色矩形框④為差逆變速箱上3個測點的實時溫度顯示儀表；左下角的藍色矩形框⑤為小型液壓站的控制旋鈕，用于實現差逆變速箱的自由半徑轉向、單邊制動轉向及差逆轉向。

3.4 液壓站

液壓站如圖12 所示。主要用于控制差逆變速箱的左右換向油缸以及制動轉向、原地轉向的制動油缸。其液控油路圖如圖13所示。

圖12 液壓站Fig.12 Hydraulic station

圖13 液控油路圖Fig.13 Hydraulic control oil circuit diagram

3.5 程序控制系統

中央控制柜上的加載裝置程序控制系統（見圖14）采用虛擬儀器軟件Labview 編制而成，操作簡單，加載靈敏[14]。在界面上可以完成載荷大小、頻率以及加載形式的編制。同時，軟件通過脈沖采集器可實時采集轉速轉矩數據并以EXCEL 表格形式保存到提前設定的文件中。此外，軟件還可設定加載時間、采集時間，從而提高試驗臺的自動化程度。

圖14 程序控制界面Fig.14 Program control interface

4 疲勞試驗及結論

4.1 疲勞試驗

在搭建的變速箱總成疲勞試驗臺架上開展了模擬田間作業的差逆變速箱總成耐久性疲勞試驗。結合聯合收割機底盤行進速度0～1.5 m/s、質量3.64 t、喂入量5 kg/s等性能參數，對載荷數據（見表5）進行強化處理后得到試驗用載荷譜（見表6）。其中，試驗工況包括小負荷正轉、滿負荷正轉以及左右差逆轉向，負載由恒定轉矩、交變轉矩、波動量組成。試驗過程中，結合動態信號分析儀采集的振動信號進行變速箱的實時故障診斷分析，以便在故障始發時及時終止試驗。

表5 原載荷數據及對應強化系數Tab.5 Original load data and corresponding enhancement coefficients

表6 試驗加載載荷Tab.6 Torque loads for experiment

4.2 試驗結果

疲勞試驗以50 h 為間隔進行定期停機拆箱檢查，觀察并記錄齒輪、軸承、摩擦片等零件的磨損情況。每次檢查后及時更換出現損傷的零件。

運行100 h 后，變速箱無法正常進行換擋操作。經檢查發現，是深溝球軸承6007RZ 出現了嚴重破壞（見圖15），使得輸入齒輪的嚙合位置發生軸向竄動，動力無法向下一級傳遞導致。此外還發現，圓柱滾子軸承NJ205E 出現保持架變形（見圖16）、換向撥叉上的滑塊斷裂磨損（見圖17）等現象。

圖15 深溝球軸承6007RZ損傷圖Fig.15 Damage diagram of deep groove ball bearing 6007RZ

圖16 圓柱滾子軸承NJ205E損傷圖Fig.16 Damage diagram of cylindrical roller bearing NJ205E

圖17 換向撥叉及滑塊損傷圖Fig.17 Damage diagram of reversing fork and sliding block

運行150 h 后，變速箱內部發出了較為刺耳的異響，整體振動加劇。經檢查發現，各擋位主從動齒輪的齒面上均出現了不同程度的損傷（見圖18、圖19），其中，2 擋、3 擋齒輪的損傷較為嚴重。此外，傳動齒輪與圓柱滾子軸承NJ205E 以及箱體壁面發生了嚴重磨損（見圖20）。

圖18 各擋位的主動齒輪損傷圖Fig.18 Damage diagram of driving gears of each gear

圖19 2擋、3擋從動齒輪損傷圖Fig.19 Damage diagram of driven gears of the second and third gear

圖20 傳動齒輪及NJ205E軸承、壁面損傷圖Fig.20 Damage diagram of transmission gear，NJ205E bearing and wall

運行250 h 后，箱體的振動加劇并伴有一定程度的噪聲。經檢查發現，雙聯齒輪內襯套出現了劇烈的磨損與斷裂（見圖21），導致該齒輪與軸的配合間隙加大，嚴重影響了正常齒輪的嚙合傳動。同時，在左右側的主減齒輪齒面上出現了輕微的點蝕現象（見圖22）。

圖21 雙聯齒輪損傷圖Fig.21 Damage diagram of double gears

圖22 主減齒輪損傷圖Fig.22 Damage diagram of the main reducer gear

5 結論

研制了以寬頻三相異步電動機為動力，采用磁粉制動器搭配減速箱的形式來模擬履帶式聯合收獲機多種工況載荷的變速箱總成疲勞試驗臺，并配有專門的液壓站以滿足液壓轉向的需求；同時開展了相關試驗。試驗期間溫度、轉矩、轉速等信號可以通過傳輸線纜顯示并儲存在中央控制柜中。

試驗結果表明，該試驗臺可以很好地檢驗差逆變速箱的綜合工作性能與耐久性，具有結構簡單、安裝方便、投入成本低、測量精度高、適用性廣等優點。這對于今后研究差逆變速箱的疲勞損傷規律、優化改進變速箱的機械結構、降低其內部零部件的故障率具有重要意義。