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附錄：
對傳輸動力輸出和負載農(nóng)用拖拉機齒輪選擇在旋耕的作用
摘要：
為了讓拖拉機在現(xiàn)場作業(yè)中獲得更好的性能和耐久性，為這項操作選擇合適的齒輪設(shè)置是必要的。本研究的目的是分析在20cm深的旋耕時一個75kW的負載農(nóng)用拖拉機的傳輸動力輸出和齒輪選擇的作用。為了測量作用在變速器和動力輸出輸入軸的負載，負載測量系統(tǒng)被安裝在拖拉機上。該系統(tǒng)由測量轉(zhuǎn)矩的傳遞和動力輸出的輸入軸的應(yīng)變儀傳感器，獲取傳感器信號的一個無線電遙測I / O接口和采集數(shù)據(jù)嵌入式軟件構(gòu)成。旋耕在相同的土壤條件的旱田網(wǎng)站以三個地面速度和三個動力輸出轉(zhuǎn)速進行。用雨流計數(shù)和SWT （史密斯沃森濤培）方程將負載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為載荷譜。對于每個齒輪的選擇負載損壞的總和利用的是改性Miner規(guī)則來計算，然后負載嚴重性的計算和損壞總和的計算同樣重要。當(dāng)PTO轉(zhuǎn)速不變時，變速器輸入軸的平均扭矩的地面速度顯著地從L1（ 1.87km/h）到L3（ 3.77km/h）。另外，當(dāng)對地速度不變時，PTO轉(zhuǎn)速上升的同時動力輸出輸入軸的平均轉(zhuǎn)矩增加。旋耕施加在動力輸出輸入軸上的載重顯著比變速器輸入軸大。變速器和PTO軸負載的嚴重性增加，同時作為地面和動力輸出旋轉(zhuǎn)速度增加，表明可能降低疲勞壽命。這個研究的結(jié)果可能會為齒輪和旋耕的選擇提供有用的信息，不僅考慮耕地效率，還考慮傳輸和動力輸出輸入軸負載的重要性。
1、 簡介
農(nóng)用拖拉機作為動力源通過驅(qū)動橋，取力器（PTO）設(shè)備，以及液壓管路應(yīng)用于各種野外作業(yè)，如耕作，播種，化學(xué)應(yīng)用，收割，運輸。在世界上的很多國家農(nóng)用拖拉機的數(shù)量正在不斷增加。例如，在韓國拖拉機的利用率已經(jīng)在春季和秋季增加到2010年的農(nóng)業(yè)工作日內(nèi)71.8％（Park等人，2010年a，b）。拖拉機具有不同程度的駕駛和動力輸出齒輪設(shè)置，并且所述齒輪設(shè)置的不同組合可用于提供適用于操作類型和耕地條件所需的功率。
因為載重作用在拖拉機上，部分的耐用性和工作性能是由齒輪設(shè)置（ Park等人， 2010年c ）確定的，所以最佳齒輪設(shè)置為操作類型是重要的。拖拉機零部件的耐用性是需要重要考慮的（Rotz 和Bowers, 1991）之一。西門子和鮑爾斯（ 1999）報道，由于過高的運行速度，美國農(nóng)民花了大約40 ％的總維修費用來修復(fù)拖拉機和30％左右修復(fù)的磨損的動力總成零部件。此外，工作性能影響拖拉機的燃油消耗。在韓國，由拖拉機每年的燃料消耗量為345毫升/年的情況下，約占農(nóng)業(yè)機械（ KAMICO和KSAM ， 2010）的年度總油耗48.5 ％。因此，分析齒輪選擇過程中野外作業(yè)的拖拉機負荷的影響將是有意義的。
基希勒等（2011）分析了變速器檔位選擇對拖拉機性能的影響，并報道當(dāng)該齒輪設(shè)置在從3.0變公里/小時8.3公里/小時的犁耕時燃料消耗率增加了105％，實施草案增加了28％，并且需要的功率增加了255％，一些研究分析了在野外作業(yè)的拖拉機負荷用于拖拉機的高效和優(yōu)化設(shè)計（格拉赫，1966;Han等，1999）范等人，2009）。因為它彌補了約30％的拖拉機的總成本，大多數(shù)研究上的負載分析都集中在傳輸（如金，1998年）。用于傳輸負載的分析，研究人員分析轉(zhuǎn)矩負載作用在變速器輸入軸和拖拉機的字段中的操作，例如犁耕作的驅(qū)動車軸（Kim等人，2001; Nahmgung，2001）。在大多數(shù)領(lǐng)域的條件下，對變速器輸入軸的負載和驅(qū)動車軸用犁耕速度增加。
一些研究中認為在旋耕和壓捆操作時負載在動力輸出軸上。Kim等人（ 2011b ）進行分析在壓捆機運轉(zhuǎn)時發(fā)動機額定功率為75千瓦的拖拉機的功率消耗，并報告了功耗發(fā)動機功率消耗的比率分別為所有動力輸出齒輪水平的50-75％ 。此外， Kim等人（ 2011a）分析了一個30千瓦的農(nóng)用拖拉機主要部件（驅(qū)動橋，動力輸出軸和液壓泵）在犁耕，旋耕，和裝載機操作時的功率要求。旋耕所需的最大功率和在過程中動力輸出軸在各組成部分之間的所占功率的最大數(shù)量。綜合以上調(diào)查結(jié)果，旋耕期間在動力輸出軸上應(yīng)用合理的載重數(shù)量。然而，關(guān)于傳輸（即，運算速度）的影響和在現(xiàn)場作業(yè)的拖拉機載重動力輸出齒輪的選擇的研究尚未見報道。
這項研究主要是為了最佳的齒輪設(shè)置提供導(dǎo)向做出的努力，既考慮了耕地效率又考慮了主要功率傳輸部件的載重嚴重性。這項研究的目的就是分析傳輸?shù)妮d重行為的齒輪選擇以及在旋耕過程中75kW的農(nóng)用拖拉機的動力輸入輸出軸的影響。
2、 材料和方法
2.1測量系統(tǒng)
這項研究用到的是一個75kW的農(nóng)用拖拉機(L7040, LS Mtron Ltd., Korea) 。這個拖拉機的總質(zhì)量為3260千克，體積為4077mm×2000mm×2640mm（長×寬×高）。在引擎轉(zhuǎn)速2300轉(zhuǎn)時，額定發(fā)動機功率和拖拉機的動力輸出功率分別為75千瓦和65千瓦。拖拉機是配備一個同步-網(wǎng)格類型的由兩個方向齒輪、四個主齒輪、四個副齒輪組成的手動變速箱。拖拉機的16個向前和16向后地面速度由齒輪設(shè)置組合決定。相應(yīng)的，拖拉機動力輸出的旋轉(zhuǎn)速度在P1,P2,P3設(shè)置中分別為540 rpm,750rpm,1000rpm。圖一顯示在傳輸裝置上設(shè)置了轉(zhuǎn)矩遙感器和無線遙測系統(tǒng)和載重措施的動力輸入軸。傳輸裝置和動力輸入軸是直接與發(fā)動機曲軸聯(lián)系起來的；因此，發(fā)動機曲軸和輸入軸的速度比率為1:1。載重測量系統(tǒng)被安裝在離合器殼里面。載重測量系統(tǒng)由應(yīng)變儀傳感器(CEA-06-250US-350,MicroMeasurement Co., USA)構(gòu)成去測量轉(zhuǎn)矩，無線電遙測I/O接口去獲得傳感器的信號和一個內(nèi)置的系統(tǒng)去分析載重。對于傳輸?shù)妮d重測量，一個帶有天線的應(yīng)變儀被安裝在變速器輸入軸中，轉(zhuǎn)子和定子天線安裝在軸的情況。相應(yīng)的，為了實現(xiàn)動力載重測量，一個應(yīng)變儀安裝在飛輪套筒上，而一個轉(zhuǎn)子天線和一個定子天線被安裝在飛輪和引擎的情況下。這個內(nèi)置的系統(tǒng)有一個最大的24位的分辨率。校準(zhǔn)扭矩傳感器的應(yīng)變儀的負載信號已經(jīng)在24位分辨率下的19.2 khz的采樣率被數(shù)字化了而被存儲在嵌入式系統(tǒng)中(MGC,HMB,德國)。一個用來測量負載信號的程序是基于實驗室查看軟件(美國國家儀器2009年版本)被開發(fā)的。
2.2 實驗方法
在田間操作中作用于拖拉機的荷載取決于許多因素如：土壤條件和駕駛技能。因為把所有這些因素都考慮進去是不實際的(Nahm-gung,2001),所以在這項研究中將這些因素的影響最小化而專注于地面速度和通過齒輪選擇負載上的動力輸出轉(zhuǎn)速的影響。
旋耕是由三個地面速度和三個動力輸出旋轉(zhuǎn)速度在旱地位置位于北緯35o59'23"和35o59'26"和東經(jīng)127o12'56"和127o13'3"。土壤類型是沙土，平均水分含量為22.3%,和平均圓錐指數(shù)為1236 kPa,在0 - 250毫米的深度。
耕地深度設(shè)置為20厘米。相應(yīng)的，變速器的齒輪設(shè)置為L1，L2和L3齒輪與動力輸出齒輪P1，P2，和P3相匹配。齒輪設(shè)置基于一項由Kim等人(2011a)報道的為年度拖拉機使用比例的調(diào)查的結(jié)果進行選擇。拖拉機的地面速度在L1,L2,L3的情況下分別1.87公里/小時,2.64公里/小時,和3.77 公里/小時，它的動力輸出旋轉(zhuǎn)速度在P1,P2,P3的情況下分別為540 rpm,750 rpm,和1000 rpm。旋耕工具是一個重型旋耕機(WJ220E、WOONGJIN、韓國)和所需的額定功率,總質(zhì)量，耕地寬度和體積分別為75千瓦，750公斤，2220毫米和1050毫米×2390毫米×1380毫米（長度×寬度×高度）。
2.3載荷分析
根據(jù)不同的目的，分析拖拉機負荷的程序就會不同。許多研究人員為了表示載荷已經(jīng)使用簡單統(tǒng)計如：平均、最大、最小值等。該方法提取代表值用來顯示幅值的差別,但是因為田野負載是不規(guī)則的，所以這種簡化禁止描述整個加載配置文件。齒輪設(shè)置對變速器和動力輸出負載設(shè)置,單向方差分析和最小顯著差測試(LSD)的影響是由SAS(版本9.1,SAS研究所卡里,美國)傳導(dǎo)的。同時,因為負載導(dǎo)致拖拉機的損害,拖拉機零件的疲勞也需要調(diào)查，所以要表示負載對拖拉機的影響是很難的。拖拉機的疲勞程度被定義為重復(fù)載荷的損失總和(Lampman,1997）。
純樸,Kim等人(1998、2000)提出的另一種表示負載的方法，這種方法被定義為每個操作損失總和與所有操作最小損失總和之比。純樸與疲勞壽命成反比。當(dāng)負載嚴重越大時,疲勞壽命會越短。Kim等人.(1998)測量了作用在傳動輸入軸上的負載和分析了在耕作,旋耕和運輸操作時的負載嚴重性。他們發(fā)現(xiàn)運輸操作的負載嚴重性與耕作時的負載嚴重性類似。但旋耕時的負載嚴重性約為運輸操作時的63倍。之后，Kim等人（2000）分析了在旋耕期間變速器輸入軸的嚴重性，旋耕是右四個拖拉機的速度組合地面速度(2.9公里/小時和4.1 km / h)和動力輸出旋轉(zhuǎn)速度(588和704 rpm)并且使用了一個發(fā)動機額定功率為30千瓦的拖拉機。當(dāng)動力輸出速度增加到與地面速度相同時，負載嚴重增加了2.3 -2.6倍；而當(dāng)?shù)孛嫠俣仍黾又僚c動力輸出速度相同時，嚴重性下降了0.2-0.3倍。
圖2是一個解釋嚴重性計算過程的框圖。因為轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)不規(guī)則(熊和Shenoi,2005)，所以使用雨流循環(huán)計數(shù)法將測量轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)從時域轉(zhuǎn)換到頻域。雨流循環(huán)計數(shù)技術(shù)通常被認為是一個好的預(yù)測疲勞壽命的循環(huán)計數(shù)法（Hong,1991)。它將一個變幅加載歷史它分解成一系列簡單的事件相當(dāng)于個人恒定負載周期振幅(Glinka和Kam,1987)。此外,Smith-Waston-Topper單軸方法用于計算譜級用方程（1）來去除平均轉(zhuǎn)矩的影響(道林,1972)。
方程中Te相當(dāng)于轉(zhuǎn)矩（Nm），ta是扭矩振幅（Nm），tm是平均轉(zhuǎn)矩（Nm）。
因為測量的負載數(shù)據(jù)的記錄時間相對較短(180 - 200s),所以拓展拖拉機的旋耕的總的使用時間的周期數(shù)是非常必要的。為了在負載的大小上計算周期的總數(shù),測試拖拉機的整個壽命被假設(shè)進來。負載周期的總數(shù)由方程（2）進行計算：
N7=3600NLh （2）
方程中N7負載周期的總數(shù)目（圈數(shù)），N是測量負載的計算周期數(shù)目（圈數(shù)），L是已用的拖拉機的整個壽命（年），h為拖拉機操作的年使用次數(shù)（小時/年）。
在韓國，拖拉機被用來旋耕的年度使用時間是204個小時(李,2011)。使用的拖拉機的整個壽命被認為是10年,這是在韓國農(nóng)業(yè)的條件下的正常的數(shù)據(jù)。對于拖拉機的整個壽命的載荷譜用于旋耕時在不同的齒輪設(shè)置下由測量負載與額定發(fā)動機扭矩負載之比來表示,為275海里。兩項之比大于1表明不利的負載級別大于額定發(fā)動機扭矩負載。
使用測量負載去計算損失總量和用S-N(彎曲應(yīng)力與循環(huán)的數(shù)量)曲線估計數(shù)量的周期加載損耗(法特米和陽,1998)。由于損傷是由轉(zhuǎn)矩信號引起的，S-N曲線轉(zhuǎn)換為扭矩-周期曲線(Graham 等,1962;阮等,2011)。為了輸入軸的材料得到S-N曲線,SCM 420 h,在方程（3）中使用ASTM標(biāo)準(zhǔn)(2004)。ASTM標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)廣泛的用于材料的疲勞分析(Wannenburg 等, 2009;Mao, 2010).
方程中的N表示周期數(shù)，S表示切削硬度（兆帕）。
為了計算損害總和，負載譜的等效扭矩被轉(zhuǎn)換成壓力(Rahama 和Chancellor,1994; Petracconi 等, 2010). 變速器和 PTO輸入軸的直徑分別是 28 毫米和 26.5 毫米。
(4)
其中，S 是應(yīng)力 (MPa)，T 為等效扭矩 (Nm)，d (mm) 軸的直徑。
損傷總和是基于式（5）Miner定律（Miner,1945）計算的。Miner定律是用來估算荷載到空載的轉(zhuǎn)數(shù)的(Miner，1945 年; Robson，1964 年;Renius，1977年）。循環(huán)的次數(shù)(n)來自載荷譜的等效扭矩。派生疲勞壽命轉(zhuǎn)(N)是從S-N 的 SCM 420 H。損壞(D)由轉(zhuǎn)數(shù)除以疲勞壽命轉(zhuǎn)數(shù)計算得出的。
(5)
Dt是損壞總量，ni轉(zhuǎn)數(shù)，Ni是疲勞壽命（轉(zhuǎn)數(shù)）。
3. 結(jié)果和討論
3.1. 檔位選擇的變速器和 PTO 載荷
圖 3 顯示的示例為在對地速度 L1時變速器和PTO輸入軸扭矩載荷和旋耕操作期間PTO 轉(zhuǎn)速為P2時的載荷。旋耕操作包括準(zhǔn)備期，下降 3 點懸掛、 運行期，耕地和完成期間上升 3 點懸掛。測量扭矩在變速器和 PTO 輸入軸在準(zhǔn)備階段陡增，在完成期間下降，扭矩在運行期間不規(guī)則波動模式出現(xiàn)在這些組件上。在運行期間，PTO輸入軸上的測量扭矩程度和范圍大于變速器輸入軸。
表 1 顯示的扭矩水平上變速器和由PTO輸入的軸速度對地速度(L1、 L2、 L3) 和PTO旋轉(zhuǎn)速度 （P1、 P2、 P3） 的合。平均扭矩只對運行期間數(shù)據(jù)進行了計算，不包括準(zhǔn)備和完成期。旋耕期間，PTO輸入軸的平均的扭矩水平大于那些變速器輸入軸齒輪各級。在旋耕期間主要組件所需力量最大的結(jié)果與Kim et al.(2011a)的結(jié)果相似。
在相同的動力輸出轉(zhuǎn)速下，對地速度從L1增至L3時，變速器輸入軸上的平均扭矩大大增加。犁耕提速時，變速器和傳動軸上負載增加也由 Kim et al.（2011a，b）和Nahmgung（2001 年）發(fā)現(xiàn)。此外，當(dāng)PTO旋轉(zhuǎn)的速度增加時，變速器輸入軸上的平均負載增加，而在L1P2 和 L1P3 之間負載值均無顯著差異。對地速度和PTO旋轉(zhuǎn)的速度增加時，PTO輸入軸上的平均扭矩增加。這些增量對PTO旋轉(zhuǎn)的統(tǒng)計學(xué)速度有意義，但對對地速度沒有顯著意義。
3.2. 受損度評估
圖4 和 5分別顯示旋耕期間變速器和PTO輸入軸由齒輪設(shè)置的載荷譜。載荷譜的建立考慮了拖拉機的整個壽命中的轉(zhuǎn)數(shù)，從 103 到107 的范圍內(nèi)。變速器輸入軸的最大扭矩比率的范圍是合速度為 0.7 -1.5，在 L3P1 被發(fā)現(xiàn)的最大扭矩比率，如圖 4 所示。
一般情況下，對地速度和PTO旋轉(zhuǎn)的速度增加時扭矩比率增加。旋耕時對地速度和動力輸出轉(zhuǎn)速越大，PTO輸入軸上的負荷越大。如圖 5 所示，PTO輸入軸的扭矩比例大于變速器輸入軸。PTO 輸入軸的最大扭矩比率范圍是0.8-2.5，且最大扭矩比率也在 L3P1被發(fā)現(xiàn)，變速器輸入軸也是如此。動力輸出轉(zhuǎn)速越大，PTO輸入軸上負載越大。
圖6 顯示了旋耕期間由齒輪設(shè)置受損度的評估。每個齒輪設(shè)置的受損度由合速度中損傷總和與最小的損傷總和的比代表。圖 6 (a) 顯示的輸入傳動軸受損度的比較。最小受損度在最低合速度即變速器被設(shè)置到L1， PTO齒輪被設(shè)置到P1時獲得。合速度增加則受損度增大，在對地速度增大時受損度增量變得更大。當(dāng)傳動齒輪在相同動力輸出轉(zhuǎn)速下從 L1轉(zhuǎn)換到 L3時，對地速度增加201%則受損度增加573-746%，。在恒定對地速度下，PTO齒輪從P1 轉(zhuǎn)換到P3時PTO轉(zhuǎn)速增加 185%，受損度增加187%-340%。從L1P2轉(zhuǎn)換到L1P3時，平均負載只增加了 11%(35.9-38.7 Nm)，這并沒有統(tǒng)計差別，但受損度增加了182%。
圖6（b）顯示的輸出輸入軸的振動頻率。得到的結(jié)果和變速器輸入軸的情況類似。l1p1速度的組合使得振動頻率最小，且復(fù)合速度增加時，振動頻率也增加。值得引起注意的是，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速增加185%時，振動頻率將增加1078–1655%。動力輸出齒輪從速度P1變化到速度P3時，當(dāng)?shù)孛嫠俣忍岣?01%，振動頻率增加139–213%。傳動齒輪從L1～L3的同樣的動力輸出軸轉(zhuǎn)速。同時，平均負荷與地面速度的增加在統(tǒng)計學(xué)上分析沒有差別。結(jié)果表明，在動力輸出輸入軸負載的影響更明顯的是PTO轉(zhuǎn)速而不是地面速度。
4.總結(jié)和結(jié)論
這項研究分析了齒輪荷載選擇對傳輸與一個75千瓦的農(nóng)業(yè)拖拉機動力輸入軸在旋轉(zhuǎn)耕作的影響。作用在傳動裝置和PTO輸入軸的外載荷是在旋耕時進行測量的。旋耕是在三的地面速度和三軸轉(zhuǎn)速坡高地網(wǎng)站在同一土壤條件下進行的。第二，傳動和動力輸入軸的載荷進行了評估。結(jié)果表明，變速器輸入軸的平均轉(zhuǎn)矩增加顯?明顯的地面速度從L1至L3在同一動力輸出軸轉(zhuǎn)速。同時，在動力輸入軸的平均轉(zhuǎn)矩增加，在相同的地面速度PTO的旋轉(zhuǎn)速度增加。
最后，負載嚴重的傳輸動力輸出和輸入軸進行了估算。地面速度和動力輸出軸轉(zhuǎn)速增加時，變速器的輸入軸和輸出軸的振動頻率也增加。當(dāng)?shù)孛嫠俣忍岣?01%，變速器輸入軸的振動頻率增加573–746%，此時傳動齒輪從L1～L3在同一動力輸出軸轉(zhuǎn)速。在相同的地面速度下，振動頻率增加了187–340%時，輸出轉(zhuǎn)速增加185%的動力輸出齒輪從P1到P3。變速器輸入軸的疲勞壽命下降時，聯(lián)合的速度增加，和地面速度的影響更為顯著斜面。的動力輸出軸的嚴重性增加顯著的1078–1655%時，輸出轉(zhuǎn)速增加185%的動力輸出齒輪從P1到P3在地面的速度常數(shù)。當(dāng)?shù)孛嫠俣忍岣?01%振動頻率增加139–213%，此時傳動齒輪從L1～L3在同一動力輸出軸轉(zhuǎn)速。在變速器輸入軸和動力輸出軸的疲勞壽命是相似的。
農(nóng)民往往以更大的行駛速度進行旋耕作業(yè)以獲得更大效率（即，更少的時間）和更大的動力輸出轉(zhuǎn)速旋耕。然而，更大的行駛和PTO速度，會造成更大的負載和較短的輸入軸疲勞壽命。此外，更高的速度，可能會導(dǎo)致耕作操作后不良的土壤條件。例如，不當(dāng)?shù)母咝旭偹俣瓤赡軙?dǎo)致較粗的土壤條件，而輸出轉(zhuǎn)速太快可能會導(dǎo)致好的的土壤狀況，作物比以前得到生長更好和更少的環(huán)境問題，如水土流失良好。農(nóng)民需要根據(jù)對作物和土壤條件的設(shè)定選擇最佳的齒輪，而不僅只考慮效率。
致謝
該研究項目得到了韓國食品部農(nóng)業(yè)--林漁業(yè)生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)項目的大力支持。