摘要: 拖拉机是农业生产中的主要动力机械，对拖拉机进行垂向、横向以及纵向动力学分析是正确评估和改善其使用性能的关键。当前，对拖拉机振动、转向和支撑通过性能的研究在关键参数辨识、估测精度提高以及模型应用等方面有一定局限性。此外，拖拉机动力性... 展开 拖拉机是农业生产中的主要动力机械，对拖拉机进行垂向、横向以及纵向动力学分析是正确评估和改善其使用性能的关键。当前，对拖拉机振动、转向和支撑通过性能的研究在关键参数辨识、估测精度提高以及模型应用等方面有一定局限性。此外，拖拉机动力性和经济性主要决定于动力、传动系统的特性。液压机械无级变速器(HMCVT)是现阶段实现拖拉机无级变速传动的主要装置，但在我国拖拉机上鲜有实际应用，其效率特性分析与提高、优化设计、变速控制研究尚待进一步完善。 基于此，本文围绕与拖拉机使用性能相关的系统动力学展开研究，在振动、转向和支撑通过性能方面，重点进行了动力学模型建立、估测精度提高、关键参数辨识和模型应用研究;在动力和经济性能方面，重点进行了无级变速传动系统的特性分析、性能改进、优化设计和变速控制研究。同时，本文研究综合运用了改进的模拟退火(SA)算法、改进的粒子群(PSO)算法、改进的人工鱼群算法(AFSA)、改进的遗传算法(GA)、特征降维方法、偏最小二乘法(PLS)、逐步回归、径向基核函数神经网络(RBF-NN)、插值法、响应面法等方法。论文主要研究工作和成果如下: (1)进行了拖拉机垂向振动与路面不平度研究。采用拉格朗日第二方程分别建立了拖拉机2输入3自由度和3输入4自由度振动模型，并对比验证了模型精度。提出了一种拖拉机振动参数未知时模型建立与误差补偿方法。该方法结合部分工况的垂向动力学响应，采用改进SA算法辨识振动参数，并应用回归分析和RBF-NN分别补偿了模型误差。采用3自由度模型和虚拟样机模型分别进行了拖拉机在随机激励和脉冲激励作用下的垂向振动特性分析。结果表明，座椅系统的刚度和阻尼应在其可取范围内尽可能取小;拖拉机受脉冲激励后，驾驶员座椅处垂向振动频率范围集中于3～5Hz，最大振动值不应超过34.59m/s2;3自由度模型估测效果较优，建模时可忽略内部激励;参数辨识后振动模型仿真效果较好，误差补偿后进一步提高了模型的估测精度。对路面不平度的2种获取方法进行改进研究，提出了一种路面不平度压缩感知采集方法，采用改进SA-SP算法重构路面信号;提出了一种新型特性降维方法，结合抽样调查法和改进AFSA对路面不平度时域估测所需的垂向动力学响应特征进行降维选择。结果表明，路面不平度信号稀疏，改进的重构算法对观测信号数量和稀疏度依赖性低，验证精度均值为0.9837;选择4个指定的垂向动力学响应即以较高的精度完成对路面不平度的时域估测。该项研究为有效路面不平度的获取、拖拉机振动性能的估测和改善提供依据和参考。 (2)进行了拖拉机转向模型的建立与应用研究。提出了一种基于拖拉机横向动力学响应的整车相关参数测定方法，该方法结合部分工况的横向动力学响应，采用GA测定质心至前轴距离、横摆转动惯量和整车质量等参数，并与HYCF-20型拖拉机静侧翻稳定性试验台的测量结果进行对比。提出了一种多自由度非线性转向模型等效代替方法，结合试探法、改进SA算法和Hermite插值法建立了等效代替传递函数模型，并探讨了转向模型的应用。结果表明，拖拉机总质量、质心位置等参数能依据横摆角速度完成较高精度的估测，且参数估测后建立的模型可应用于对其它工况横向动力学响应的预测;分母2阶的传递函数与转向响应吻合，该传递函数能有效代替原复杂转向模型;应用转向模型能有效获取SBW系统的理想角传动比并计算转向时附加行驶阻力。 (3)进行了轮壤交互作用下支撑通过性研究。通过轮壤接触试验对支撑通过性参数进行测量与分析。结果表明，沉陷量随垂向载荷和滑转率的增大而增大，平均相对增加率分别为68.67％和15.20％，垂向载荷对沉陷量的影响更大。提出了2种MagicFormula轮胎纵向力模型参数辨识方法。前者结合插值法与GA，需9个数据点有效完成辨识;后者基于对MagicFormula的非线性分析，仅需4个数据点有效完成辨识，解决了该辨识中少测量值情况下出现的解不唯一问题。应用本文方法建立了轮壤接触纵向驱动力和拖拉机田间挂钩牵引力模型。结果表明，仅需4个测量数据即可有效地完成上述支撑通过性模型的建立;该研究用拖拉机应工作于13.00％～39.24％滑转率区间内或20.81％滑转率附近以提高其支撑通过性能。 (4)进行了拖拉机液压机械无级变速器效率特性研究。首先研究了无级调速系统的效率特性。结合3种变量泵效率理论模型和HPV-02型号变量泵效率试验数据进行影响因素分析，采用改进SA算法匹配3种效率模型的参数并对比各模型与试验数据的吻合度。基于此，通过试探法和相关系数法提出了一种改进的7参数变量泵半经验效率模型。结果表明，泵排量与泵效率总呈正相关，泵转速和压力的升高使得泵效率先增后减;3参数效率模型具有最高平均精度(校准95.39％，预测96.93％)，应用该模型描述泵效率变化特性准确且辨识难度低;泵压力、转速、压力的正弦变化值、压力与排量的乘积对3参数模型误差影响明显，改进后的7参数模型进一步提高了预测精度和实用性。其次研究了HMCVT总效率特性。采用啮合功率法和克列伊涅斯法建立单行星排工作和多行星排联合工作的HMCVT效率模型，并分析其影响因素。结果表明，适当减小泵转速和循环功率，并增大汇流前机械路转速和行星排特性参数能有效提高无级变速器效率。提出了一种结合少量试验数据的HMCVT效率模型建立方法，该方法对液压系统效率和齿轮效率进行基于改进SA算法的校准和基于最小二乘法的模型拟合，克服了经典方法中常将齿轮效率和液压系统效率设置为固定值的缺点，既降低了试验成本亦提高了模型精度(平均精度96.38％)。该项研究为HMCVT优化设计、无级变速控制和性能改进提供直接依据。 (5)进行了拖拉机液压机械无级变速器优化设计研究。研究了优化设计所需的3个关键内容（确定调速特性、对比传动方案、设计最小传动比）。提出了3种调速特性模型（纯理论模型、虚拟样机模型、基于Simscape的物理模型）建立方法，并与试验数据进行对比验证。提出了变速潜力指标，结合改进PSO算法建立了传动方案评价方法并对比分析了3种HMCVT。根据拖拉机于土地面纵向动力学特性，采用绘制“驱动力-阻力平衡图”来制定最小传动比设计值。结果表明，提出的虚拟样机和Simscape模型与试验数据吻合度高，能用以避免设计前期人工理论分析有误;选择传动方案应综合变速潜力、变速范围、设计变量数量和结构复杂度等因素;最小传动比取值应匹配行驶阻力和柴油机特性，解决了仅考虑发动机转速和车速需求时产生的无效最小传动比问题。研究了对关键机械部件（齿轮、行星排和湿式离合器）的优化设计。提出了2种传动参数优化设计方法，方法一以轻量化、效率最大化和传动连续为目标，并将参数分为二级再进行优化;方法二在第一级参数优化方法的基础上引入交接点位置合理化目标并匹配拖拉机工作速度。提出了一种湿式离合器结构优化设计方法，该方法结合中心组合设计法、PLS、逐步回归、RBF-NN、改进SA算法并基于81组ANSYS有限元试验结果来优化壳体结构。结果表明，传动参数优化后HMCVT体积缩小7.28％，平均效率提高5％，二级式优化易于实现，降低了计算复杂度;HMCVT各段位交接点位置的确定应匹配变速器效率和拖拉机车速需求，且优化算法对寻优效果有较大影响;离合器壳体最大外径和轴向宽度对轻量化影响显著，轴向宽度对最大应变影响显著;宜采用RBF-NN和逐步回归分别建立离合器轻量化和最大应变估测模型。该项研究为拖拉机用HMCVT提供系统性的优化设计方案。 (6)进行了拖拉机液压机械无级变速器变速控制研究。提出了2种变速控制策略制定方法。方法一结合Spline插值法并匹配柴油机调速特性和变速器效率来制定最优动力性控制策略，采用仿真获取的软土路面加速行驶动力性能和动力因数二重积分值进行验证。该方法克服了原有级式变速器采用二次方程求根法在精度上的不足，MAP图中应适当减小车速取值间隔，增大油门开度取值间隔。方法二结合软硬路面行驶动力性需求、转向时附加行驶阻力、牵引负载并分别采用图解法和改进SA算法制定一元五参数和二元四参数最优经济性控制策略。仿真试验表明协同发动机转速控制比一元控制具备更优的整车经济性，驾驶员经验决定一元控制效果。研究了无级变速控制（变量泵控定量马达）系统响应特性。采用动力学方程推导变速控制系统的传递函数，提出了一种仿人工整定PID参数方法并与2种经典方法进行仿真对比验证。再根据台架试验辨识实际无级变速控制系统，验证了理论推导模型，对比分析面积法和改进SA算法的辨识效果，并进行了PID控制试验。结果表明，无级变速控制系统传递函数的分母阶数为4;仿人工整定PID参数法耗时较长，但提高了系统响应速度和精度;面积法易于使用，但对采样时间和频率要求较严;改进SA算法具有更高辨识精度，且不依赖于采样时间和频率;建立的PID控制系统在负载波动的情况下能有效地实现输出转速的闭环调节。该研究为HMCVT控制器的开发设计奠定基础。 收起