350马力拖拉机电传动系统设计与研究

○中车大连电力牵引研发中心有限公司 王伟譞 矫德余 于炳海

一重集团（黑龙江）农业机械发展有限公司 崔驭萌 崔 健

2017年工信部六个方面推动农机装备转型升级，农业机械装备作为提高农业生产效率的重要手段，是实现资源有效利用、推动农业可持续发展的不可或缺工具 。拖拉机作为我国农机装备中的主要动力，为支撑农业现代化发展，提高土地产出率保证粮食安全作出了巨大贡献。

传动系统是拖拉机的重要组成部分，其功用是将发动机的扭矩扩大并传递到拖拉机、驱动轮和动力输出装置，实现拖拉机的前进、停车、后退、变速等功能，并驱动各种农业机械用于农业操作。传动装置的性能不但决定着农用拖拉机的使用性能，而且可以从传动装置与发动机的共同工作中，反映出它的耗油量。通常由于挡位因素，可以使燃油消耗量相差15%—20%，但这对于使用燃气轮机的农用拖拉机影响要小一些。另外，传动装置的体积和重量对提高农用拖拉机的总体性能也具有重要意义。本文介绍了拖拉机传统的传动方式，并分析其优缺点。通过分析电传动系统国内外研究现状，提出了一种适合大马力拖拉机的电传动系统，并对其系统组成、工作原理、软硬件设计等进行详细介绍，最后根据现场试验情况分析验证总结该系统的特点。

一、拖拉机传动的种类

目前，拖拉机的传动系统主要包括机械式传动、液压式传动和电传动。

1.机械式传动系统。机械式传动系统主要有手动变速传动、电控机械式自动变速传动、动力换挡变速传动、无级变速传动系统四种方式。

机械式传动系统主要有行星式机械和固定轴式两种传动方式。传动总效率在0.85—0.95。如果发动机扭矩储备系数较小，换挡频繁，操作难度大，机械式传动系统将逐渐被市场所淘汰。

2.液压式传动系统。液压传动是源于工程流体力学的帕斯卡原理， 根据液面平衡、压强相等原理，得出物体的质量。液压传动是由液压泵、液压油、液压缸、各种液压阀、液压马达、管道和蓄能器和液压油组成的液压系统。

液压式传动系统主要有分置式、半分置式、整体式三种。液压式传动系统相比其他传动系统有如下优点：

1）输出功率大，容易获得大力矩；

2）惯性小，启动、制动迅速，运动平稳；

3）能大范围内调节力与转矩，可达100到2000∶1；

4）简化机器结构，减少零件数目；

5）易于实现远距离操纵和自动控制。

其缺点：

1）由于油液具有可压缩性和泄漏等原因，不具有严格传动比；

2）不宜在很高或很低的温度的条件下工作；

3）液压效率低；

4）器件容易损坏，对器件要求较高。

3.电传动系统。电传动系统主要采用柴油机、牵引变流器、三相异步电动机、三相异步发电机组成。其中柴油机为动力源，牵引变流器由发电机侧变流器、电动机侧变流器和 DC/DC变流器组成。

电传动的拖拉机相比传统拖拉机的传动方式，结构简单，传动效率较高、油耗和排放较低，降低了传输过程中的能量损失，故障率非常低，更适合于集中耕作过程。

二、电传动拖拉机国内外现状

1.国外研究现状。19世纪80年代开始，西方国家开始对电传动拖拉机进行深入研究。1912年，美国西门子研制出一种乘坐式拖拉机。1941年瑞典研制出一款多用途电动拖拉机，该拖拉机可以更换耕具，方便农民使用。1949年，前苏联研制出37千瓦的电传动拖拉机。这期间的拖拉机主要依靠电网进行工作，工作效率低。

由于20 世纪70 年代的能源危机，各国争先研究电传动拖拉机。美国GE公司研制出Elec - Trak系列电传动拖拉机，其采用铅酸蓄电池和永磁无刷电机作为动力源。

2017年，法国约翰迪尔公司研发了世界首款纯电动拖拉机。可持续作业4h，结构简单，功率损失小。

2.国内研究现状。我国拖拉机研究起步较晚。1965年，中国农业化机械研究所采用静液压传动技术研制了拖拉机。长安大学姚怀新教授对工程车辆液压动力学和控制理论进行深入研究，为机械液压传动方面提供了理论依据。2007年，南京农业大学的高辉松研发出六档操作的电传动拖拉机。2010年江苏大学夏长高团队对静液压传动拖拉机的最佳经济性匹配和最佳动力性匹配等进行了研究。2017 年中国农业大学陈燕呢研究小型电传动拖拉机，开发以CAN总线通信网络结构设计的控制器。目前，我国电动拖拉机进入了领域智能化的研究阶段。

三、拖拉机电传动系统设计

1.工作原理及网络拓扑。首先，柴油机启动，DCDC（电源模块）升压为牵引变流器供电。然后，发电机变流器起动，为异步发电机励磁，使得其工作在制动模式。当母线电压稳定在DC910 V，DCDC变流器工作在降压模式，为控制系统供电，同时为拖拉机上蓄电池充电。

拖拉机电传动系统网络拓扑图如图2。柴油机和司机室驾驶室的显示屏通过CAN接口实现通信，通过以太网接口与数据记录仪实现通信。机械系统和柴油机控制器通过总线控制器实现内部通信。

图1 拖拉机电传动系统原理图

图2 拖拉机电传动系统网络拓扑图

2.硬件设计。拖拉机电传动控制系统可以实现发电机和电动机控制功能、柴油机转速，逻辑控制、建立电传动系统与拖拉机网络通信。

拖拉机传动控制单元主要由CPU板和信号板组成。CPU板负责算法和通信，信号板负责数据采集及处理功能。CPU板卡采用ARM+DSP+FPGA的运算控制架构。其中CPU板卡性能参数如表1。

表1 CPU板卡性能参数

ARM控制器负责实现整车网络通信、逻辑判断保护、柴油机控制和燃油效率优化策略。

FPGA完成数据预处理功能，其中包括发电机和电动机转速信号读取和计算、逆变器和发电机电动机过流、过压和过温硬件保护功能。

DSP控制器对电传动系统的数字信号进行处理，可实现发电机和电动机矢量控制算法。

在FPGA+DSP+ARM的高端架构处理平台上，通过并行总线通信，实现电传动系统的逻辑控制、网络通信等功能。

3.软件设计。为显示拖拉机的各方面性能参数，本文研发了专用拖拉机的显示屏软件。本软件采用Codesys为开发平台，该平台支持IL 、ST、 FBD 、LD、 CFC、 SFC 六种PLC编程语言，是一种功能强大的PLC软件编程工具，可对项目进行设计、调试、编译PLC程序。

拖拉机显示屏软件可显示拖拉机所有电气设备和柴油机的运行状态数据。根据需求开发了6个界面，其中包括主要参数显示界面、电动机数据参数界面、发电机数据参数界面、柴油机数据状态界面、柴油机故障诊断界面、用户系统参数设定界面。

目前开发的程序可以实现中英俄三国语言切换，方便用户使用。

本系统还为拖拉机配备了专用的数据记录装置，可对发电机、柴油机等性能参数进行记录，方便用户进行故障查询及追溯。

四、结束语

本文首先对拖拉机目前市场状态进行简要说明。然后提出了350马力拖拉机电传动系统，并对其设计结构进行了详细分析说明。主要针对其网络拓扑、硬件设计、软件设计三个方面。

本文设计的350马力拖拉机电传动系统，节省燃油、符合“十四五”节能减排目标，符合实现碳达峰、碳中和目标。该电传动系统提高了拖拉机行走和驱动农机具的灵活性，节约了生产成本，适用于大规模农田的耕作，提高了农民工作效率。