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附录： 对传输动力输出和负载农用拖拉机齿轮选择在旋耕的作用 摘要： 为了让拖拉机在现场作业中获得更好的性能和耐久性，为这项操作选择合适的齿轮设置是必要的。本研究的目的是分析在 20cm深的旋耕时一个 75kW 的负载农用拖拉机的传输动力输出和齿轮选择的作用。为了测量作用在变速器和动力输出输入轴的负载，负载测量系统被安装在拖拉机上。该系统由测量转矩的传递和动力输出的输入轴的应变仪传感器，获取传感器信号的一个无线电遥测 I / O接口和采集数据嵌入式软件构成。旋耕在相同的土壤条件的旱田网站以三个地面速度和三个动 力输出转速进行。用雨流计数和 SWT （史密斯沃森涛培）方程将负载数据转换为载荷谱。对于每个齿轮的选择负载损坏的总和利用的是改性Miner 规则来计算，然后负载严重性的计算和损坏总和的计算同样重要。当 PTO转速不变时，变速器输入轴的平均扭矩的地面速度显著地从 L1（ 1.87km/h）到L3（ 3.77km/h）。另外，当对地速度不变时， PTO 转速上升的同时动力输出输入轴的平均转矩增加。旋耕施加在动力输出输入轴上的载重显著比变速器输入轴大。变速器和 PTO 轴负载的严重性增加，同时作为地面和动力输出旋转速度增加，表明 可能降低疲劳寿命。这个研究的结果可能会为齿轮和旋耕的选择提供有用的信息，不仅考虑耕地效率，还考虑传输和动力输出输入轴负载的重要性。 1、 简介 农用拖拉机作为动力源通过驱动桥，取力器（ PTO）设备，以及液压管路应用于各种野外作业，如耕作，播种，化学应用，收割，运输。在世界上的很多国家农用拖拉机的数量正在不断增加。例如，在韩国拖拉机的利用率已经在春季和秋季增加到 2010 年的农业工作日内 71.8（ Park 等人， 2010 年 a， b）。拖拉机具有不同程度的驾驶和动力输出齿轮设置，并且所述齿轮设置的不同组合可用于提 供适用于操作类型和耕地条件所需的功率。 因为载重作用在拖拉机上，部分的耐用性和工作性能是由齿轮设置（ Park 等人， 2010 年 c ）确定的，所以最佳齿轮设置为操作类型是重要的。拖拉机零部件的耐用性是需要重要考虑的（ Rotz 和 Bowers, 1991）之一。西门子和鲍尔斯（ 1999）报道，由于过高的运行速度，美国农民花了大约 40 的总维修费用来修复拖拉机和 30左右修复的磨损的动力总成零部件。此外，工作性能影响拖拉机的燃油消耗。在韩国，由拖拉机每年的燃料消耗量为 345 毫升 /年的情况下，约占农业机械（ KAMICO 和 KSAM ， 2010）的年度总油耗 48.5 。因此，分析齿轮选择过程中野外作业的拖拉机负荷的影响将是有意义的。 基希勒等（ 2011）分析了变速器档位选择对拖拉机性能的影响，并报道当该齿轮设置在从 3.0 变公里 /小时 8.3 公里 /小时的犁耕时燃料消耗率增加了 105，实施草案增加了 28，并且需要的功率增加了 255，一些研究分析了在野外作业的拖拉机负荷用于拖拉机的高效和优化设计（格拉赫， 1966；Han 等， 1999）范等人， 2009）。因为它弥补了约 30的拖拉机的总成本，大多数研究上 的负载分析都集中在传输（如金， 1998 年）。用于传输负载的分析，研究人员分析转矩负载作用在变速器输入轴和拖拉机的字段中的操作，例如犁耕作的驱动车轴（ Kim等人， 2001； Nahmgung， 2001）。在大多数领域的条件下，对变速器输入轴的负载和驱动车轴用犁耕速度增加。 一些研究中认为在旋耕和压捆操作时负载在动力输出轴上。 Kim 等人（ 2011b ）进行分析在压捆机运转时发动机额定功率为 75 千瓦的拖拉机的功率消耗，并报告了功耗发动机功率消耗的比率分别为所有动力输出齿轮水平的50-75 。此外， Kim 等人（ 2011a）分析了一个 30 千瓦的农用拖拉机主要部件（驱动桥，动力输出轴和液压泵）在犁耕，旋耕，和装载机操作时的功率要求。旋耕所需的最大功率和在过程中动力输出轴在各组成部分之间的所占功率的最大数量。综合以上调查结果，旋耕期间在动力输出轴上应用合理的载重数量。然而，关于传输（即，运算速度）的影响和在现场作业的拖拉机载重动力输出齿轮的选择的研究尚未见报道。 这项研究主要是为了最佳的齿轮设置提供导向做出的努力，既考虑了耕地效率又考虑了主要功率传输部件的载重严重性。这项研究的目的就是分析传输的载重 行为的齿轮选择以及在旋耕过程中 75kW 的农用拖拉机的动力输入输出轴的影响。 2、 材料和方法 2.1 测量系统 这项研究用到的是一个 75kW 的农用拖拉机 (L7040, LS Mtron Ltd., Korea) 。这个拖拉机的总质量为 3260 千克，体积为 4077mm2000mm2640mm（长 宽 高）。在引擎转速 2300 转时，额定发动机功率和拖拉机的动力输出功率分别为75 千瓦和 65 千瓦。拖拉机是配备一个同步 -网格类型的由两个方向齿轮、四个主齿轮、四个副齿轮组成的手动变速箱。拖拉机的 16 个向前和 16 向后 地面速度由齿轮设置组合决定。相应的，拖拉机动力输出的旋转速度在 P1,P2,P3 设置中分别为 540 rpm,750rpm,1000rpm。图一显示在传输装置上设置了转矩遥感器和无线遥测系统和载重措施的动力输入轴。传输装置和动力输入轴是直接与发动机曲轴联系起来的；因此，发动机曲轴和输入轴的速度比率为 1:1。载重测量系统被安装 在 离 合 器 壳 里 面 。 载 重 测 量 系 统 由 应 变 仪 传 感 器(CEA-06-250US-350,MicroMeasurement Co., USA)构成去测量转矩，无线电遥测I/O 接口去获得传感器的信号和一个 内置的系统去分析载重。对于传输的载重测量，一个带有天线的应变仪被安装在变速器输入轴中，转子和定子天线安装在轴的情况。相应的，为了实现动力载重测量，一个应变仪安装在飞轮套筒上，而一个转子天线和一个定子天线被安装在飞轮和引擎的情况下。这个内置的系统有一个最大的 24 位的分辨率。校准扭矩传感器的应变仪的负载信号已经在 24 位分辨率下的 19.2 khz 的采样率被数字化了而被存储在嵌入式系统中 (MGC,HMB,德国 )。一个用来测量负载信号的程序是基于实验室查看软件 (美国国家仪器 2009年版本 )被开发的。 2.2 实验方法 在田间操作中作用于拖拉机的荷载取决于许多因素如：土壤条件和驾驶技能。因为把所有这些因素都考虑进去是不实际的 (Nahm-gung,2001),所以在这项研究中将这些因素的影响最小化而专注于地面速度和通过齿轮选择负载上的动力输出转速的影响。 旋耕是由三个地面速度和三个动力输出旋转速度在旱地位置位于北纬 355923和 355926和东经 1271256和 127133。土壤类型是沙土，平均水分含量为22.3%,和平均圆锥指数为 1236 kPa,在 0 - 250 毫米的深度。 耕地深度设置 为 20 厘米。相应的，变速器的齿轮设置为 L1， L2 和 L3 齿轮与动力输出齿轮 P1， P2，和 P3 相匹配。齿轮设置基于一项由 Kim 等人 (2011a)报道的为年度拖拉机使用比例的调查的结果进行选择。拖拉机的地面速度在 L1,L2,L3的情况下分别 1.87 公里 /小时 ,2.64 公里 /小时 ,和 3.77 公里 /小时，它的动力输出旋转速度在 P1,P2,P3 的情况下分别为 540 rpm,750 rpm,和 1000 rpm。旋耕工具是一个重型旋耕机 (WJ220E、 WOONGJIN、韩国 )和所需的额定功率 ,总质量，耕地宽度和体积分别为 75 千瓦， 750 公斤， 2220 毫米和 1050 毫米 2390 毫米 1380 毫米（长度 宽度 高度）。 2.3 载荷分析 根据不同的目的，分析拖拉机负荷的程序就会不同。许多研究人员为了表示载荷已经使用简单统计如：平均、最大、最小值等。该方法提取代表值用来显示幅值的差别 ,但是因为田野负载是不规则的，所以这种简化禁止描述整个加载配置文件。齿轮设置对变速器和动力输出负载设置 ,单向方差分析和最小显著差测试 (LSD)的影响是由 SAS(版本 9.1,SAS 研究所卡里 ,美国 )传导的。同时 ,因为负载导致拖拉机的损害 ,拖拉机 零件的疲劳也需要调查，所以要表示负载对拖拉机的影响是很难的。拖拉机的疲劳程度被定义为重复载荷的损失总和(Lampman,1997）。 纯朴 ,Kim 等人 (1998、 2000)提出的另一种表示负载的方法，这种方法被定义为每个操作损失总和与所有操作最小损失总和之比。纯朴与疲劳寿命成反比。当负载严重越大时 ,疲劳寿命会越短。 Kim 等人 .(1998)测量了作用在传动输入轴上的负载和分析了在耕作 ,旋耕和运输操作时的负载严重性。他们发现运输操作的负载严重性与耕作时的负载严重性类似。但旋耕时的负载严重性约为运输操作时的 63 倍。之后， Kim 等人（ 2000）分析了在旋耕期间变速器输入轴的严重性，旋耕是右四个拖拉机的速度组合地面速度 (2.9 公里 /小时和 4.1 km / h)和动力输出旋转速度 (588 和 704 rpm)并且使用了一个发动机额定功率为 30 千瓦的拖拉机。当动力输出速度增加到与地面速度相同时，负载严重增加了 2.3 -2.6 倍；而当地面速度增加至与动力输出速度相同时，严重性下降了 0.2-0.3 倍。 图 2 是一个解释严重性计算过程的框图。因为转矩的数据不规则 (熊和Shenoi,2005)，所以使用雨流循环计数法将测量转 矩的数据从时域转换到频域。雨流循环计数技术通常被认为是一个好的预测疲劳寿命的循环计数法（ Hong,1991)。它将一个变幅加载历史它分解成一系列简单的事件相当于个人恒定负载周期振幅 (Glinka 和 Kam,1987)。此外 ,Smith-Waston-Topper 单轴方法用于计算谱级用方程（ 1）来去除平均转矩的影响 (道林 ,1972)。 方程中 Te 相当于转矩（ Nm）， ta 是扭矩振幅（ Nm）， tm 是平均转矩（ Nm）。 因为测量的负载数据的记录时间相对较短 (180 - 200s),所以拓展 拖拉机的旋耕的总的使用时间的周期数是非常必要的。为了在负载的大小上计算周期的总数 ,测试拖拉机的整个寿命被假设进来。负载周期的总数由方程（ 2）进行计算： N7=3600NLh （ 2） 方程中 N7 负载周期的总数目（圈数）， N 是测量负载的计算周期数目（圈数）， L是已用的拖拉机的整个寿命（年）， h 为拖拉机操作的年使用次数（小时 /年）。 在韩国，拖拉机被用来旋耕的年度使用时间是 204 个小时 (李 ,2011)。使用的拖拉机的整个寿命被认为 是 10 年 ,这是在韩国农业的条件下的正常的数据。对于拖拉机的整个寿命的载荷谱用于旋耕时在不同的齿轮设置下由测量负载与额定发动机扭矩负载之比来表示 ,为 275 海里。两项之比大于 1 表明不利的负载级别大于额定发动机扭矩负载。 使用测量负载去计算损失总量和用 S-N(弯曲应力与循环的数量 )曲线估计数量的周期加载损耗 (法特米和阳 ,1998)。由于损伤是由转矩信号引起的， S-N 曲线转换为扭矩 -周期曲线 (Graham 等 ,1962；阮等 ,2011)。为了输入轴的材料得到 S-N 曲线 ,SCM 420 h,在方程（ 3）中使用 ASTM 标准 (2004)。 ASTM 标准已经广泛的用于材料的疲劳分析 (Wannenburg 等 , 2009；Mao, 2010). 方程中的 N 表示周期数， S 表示切削硬度（兆帕）。 为了计算损害总和，负载谱的等效扭矩被转换成压力 (Rahama 和 Chancellor,1994； Petracconi 等 , 2010). 变速器和 PTO 输入轴的直径分别是 28 毫米和 26.5 毫米。 (4) 其中， S 是应力 (MPa)， T 为等效扭矩 (Nm)， d (mm) 轴的直径。 损伤总和是基于式（ 5） Miner 定律 （ Miner,1945）计算的。 Miner 定律是用来估算荷载到空载的转数的 (Miner， 1945 年 ； Robson， 1964 年 ；Renius， 1977 年）。循环的次数 (n)来自载荷谱的等效扭矩。派生疲劳寿命转 (N)是从 S-N 的 SCM 420 H。损坏 (D)由转数除以疲劳寿命转数计算得出的。 (5) Dt 是损坏总量， ni 转数， Ni 是疲劳寿命（转数）。 3. 结果和讨论 3.1. 档位选择的变速器和 PTO 载荷 图 3 显示的示例为在对地速度 L1 时变速器和 PTO 输入轴扭矩载荷和旋耕操作期间 PTO 转速为 P2 时的载荷。旋耕操作包括准备期，下降 3 点悬挂、 运行期，耕地和完成期间上升 3 点悬挂。测量扭矩在变速器和 PTO 输入轴在准备阶段陡增，在完成期间下降，扭矩在运行期间不规则波动模式出现在这些组件上。在运行期间， PTO 输入轴上的测量扭矩程度和范围大于变速器输入轴。 表 1 显示的扭矩水平上变速器和由 PTO 输入的轴速度对地速度 (L1、 L2、 L3) 和 PTO 旋转速度 （ P1、 P2、 P3） 的合。平均扭矩只对运行期间数据进行了计算，不包括准备和完成期。旋耕期间， PTO 输入轴的平均的扭矩水平大于那些变速器输入轴齿轮各级。在旋耕期间主要组件所需力量最大的结果与 Kim et al.(2011a)的结果相似。 在相同的动力输出转速下，对地速度从 L1 增至 L3 时，变速器输入轴上的平均扭矩大大增加。犁耕提速时，变速器和传动轴上负载增加也由 Kim et al.（ 2011a， b）和 Nahmgung（ 2001 年）发 现。此外，当 PTO 旋转的速度增加时，变速器输入轴上的平均负载增加，而在 L1P2 和 L1P3 之间负载值均无显著差异。对地速度和 PTO 旋转的速度增加时， PTO 输入轴上的平均扭矩增加。这些增量对 PTO 旋转的统计学速度有意义，但对对地速度没有显著意义。 3.2. 受损度评估 图 4 和 5 分别显示旋耕期间变速器和 PTO 输入轴由齿轮设置的载荷谱。载荷谱的建立考虑了拖拉机的整个寿命中的转数，从 103 到 107 的范围内。变速器输入轴的最大扭矩比率的范围是合速度为 0.7 -1.5，在 L3P1 被发现的最 大扭矩比率，如图 4 所示。 一般情况下，对地速度和 PTO 旋转的速度增加时扭矩比率增加。旋耕时对地速度和动力输出转速越大， PTO 输入轴上的负荷越大。如图 5 所示， PTO 输入轴的扭矩比例大于变速器输入轴。 PTO 输入轴的最大扭矩比率范围是 0.8-2.5，且最大扭矩比率也在 L3P1 被发现，变速器输入轴也是如此。动力输出转速越大，PTO 输入轴上负载越大。 图 6 显示了旋耕期间由齿轮设置受损度的评估。每个齿轮设置的受损度由合速度中损伤总和与最小的损伤总和的比代表。图 6 (a) 显示的输入传动轴受损度的比较 。最小受损度在最低合速度即变速器被设置到 L1， PTO 齿轮被设置到P1 时获得。合速度增加则受损度增大，在对地速度增大时受损度增量变得更大。当传动齿轮在相同动力输出转速下从 L1 转换到 L3 时，对地速度增加 201%则受损度增加 573-746%，。在恒定对地速度下， PTO 齿轮从 P1 转换到 P3 时 PTO转速增加 185%，受损度增加 187%-340%。从 L1P2 转换到 L1P3 时，平均负载只增加了 11%(35.9-38.7 Nm)，这并没有统计差别，但受损度增加了 182%。 图 6（ b）显示的输出输入轴的振动 频率。得到的结果和变速器输入轴的情况类似。 l1p1 速度的组合使得振动频率最小，且复合速度增加时，振动频率也增加。值得引起注意的是，当输出转速增加 185%时，振动频率将增加 10781655%。动力输出齿轮从速度 P1 变化到速度 P3 时，当地面速度提高 201%，振动频率增加 139 213%。传动齿轮从 L1 L3 的同样的动力输出轴转速。同时，平均负荷与地面速度的增加在统计学上分析没有差别。结果表明，在动力输出输入轴负载的影响更 明显的是 PTO 转速而不是地面速度。 4.总结和结论 这项研究分析了齿轮荷载选择对 传输与一个 75 千瓦的农业拖拉机动力输入轴在旋转耕作的影响。作用在传动装置和 PTO 输入轴的外载荷是