JP75型卷盘喷灌机传动效率分析与试验

13． 钢丝绳 14． 底座支架 15． 定滑轮 1 16． 重物 17． 定滑轮 2 图 3 JP75 型卷盘式喷灌机传动系统传动效率试验台其结构简图
为测量不同 负 载、不 同 转 速、不 同 挡 位 下 的 传 动 效率，采用了如下测试方法： 将圆柱齿轮减速器挂在 某挡位，把质量为 1 000kg 的铁块作为负载连接在钢 丝绳 的 一 端，钢 丝 绳 的 另 一 端 连 接 卷 筒，通 过 电 机 驱 动钢丝绳不断缠绕 在 卷 盘 上 ，模 拟 卷 盘 喷 灌 机 的 软 管 回收运动； 调节电机的转速，并在扭矩仪中读出不同 转速下的扭矩值，从而计算得到传动系统的效率； 以 同样的方法测试 800、600、400、200kg 负载下的传动效 率。 2． 2 测试结果分析
（ a） 圆柱齿轮箱挂在Ⅰ挡时的计算传动效率
（ b） 圆柱齿轮箱挂在Ⅱ挡时的计算传动效率 图 2 不同挡位下传动效率与负载和转速的关系曲线（ 试验）
2 传动系统传动效率试验及结果分析
2． 1 试验设备及测试方法 JP75 型卷盘式喷灌机传动系统传动效率试验台
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2015 年 9 月
农机化研究
第9 期
过 定 滑 轮 和 钢 丝 绳 悬 挂 不 同 质 量 的 配 重 来 模 拟 卷 盘 喷 灌 机 在 田 间 工 作 时 的 阻 力 。 结 果 表 明 ： 在 同 一 挡 位 时 ，传
动系 统 效 率 随 负 载 的 增 加 逐 渐 提 高 。在 相 同 负 载 时 ，输 入 转 速 的 增 加 导 致 传 动 系 统 效 率 下 降 。 在 常 用 输 入 转 速
和 输 入 扭 矩 的 范 围 内 ，使 用 理 论 公 式 计 算 得 出 的 传 动 效 率 值 与 试 验 值 相 对 误 差 不 大 于 7 % 。 该 理 论 计 算 公 式 为
卷盘喷灌机传动系统的设计与优化提供了依据。
关键词： 卷盘式喷灌机； 传动； 效率
中图分类号： S277． 9 + 4 DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.09.008
其结构简图如图 3 所示。该试验台主要由永磁直流无 刷电动机提供动力 源 ，扭 矩 仪 对 输 入 的 扭 矩 转 速 进 行 测量，数 据 采 集 系 统 对 扭 矩 仪 进 行 数 据 采 集 、采 用 钢 丝绳以及定滑轮组提升重物来模拟卷盘回收时的负 载。试验 台 采 用 的 永 磁 直 流 无 刷 电 机 额 定 功 率 为 500W，额 定 转 速 1 500r / min，扭 矩 仪 额 定 转 速 0 ～ 1 000r / min，测量扭矩范围（ 0 ± 50 ） N·m。
6） ； 江苏省农业科技支撑计划项目（ BE2012385） ； 江苏高校 优势学科建设工程项目（ 1000003301） 作者简介： 张晨骏（ 1990 － ） ，男，河南洛阳人，硕士研究生，（ E － mail） 82245834@ qq． com。 通讯作者： 汤 跃（ 1959 － ） ，男，江苏镇江人，研究员，硕士生导师，（ E － mail） tomt@ ujs． edu． cn。
JP75 型卷盘式喷灌机传动系统示意图如图 1 所
于我国东北、西北和华北北部的小麦、玉米、大豆等大 示。传动系统主要部件包括宝塔轮和圆柱齿 轮 减 速
田作物的灌溉，具有较大的发展前景［1 － 2］。卷盘式喷 器、大牙盘式链传动。驱动装置水涡轮输出的扭矩及
灌机主要由喷洒小车、卷盘支架、PE 管、水涡轮和卷盘 转速通过宝塔轮带传动传递到多级圆柱齿轮减速器
2015 年 9 月
农机化研究
第9 期
JP 7 5 型 卷 盘 喷 灌 机 传 动 效 率 分 析 与 试 验
张晨骏，汤 跃，汤玲迪，顾 哲，陈 超
（ 江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013）
摘 要： 为 验 证 理 论 计 算 公 式 在 卷 盘 喷 灌 机 传 动 效 率 上 的 适 应 性 ，通 过 对 卷 盘 喷 灌 机 传 动 效 率 影 响 因 素 的 分 析 ，
表 1 传动效率计算值与试验值之间的相对误差%
Ⅰ挡
Ⅱ挡
负载 / kg
转速 / r·min － 1
200
400
700
200
400
700
200 5． 46 6． 91 2． 75 3． 75 3． 21 4． 95
400 5． 57 6． 64 5． 30 5． 36 3． 77 5． 56
600 5． 11 5． 75 4． 21 6． 06 4． 55 3． 97
可靠性有着影响［3］。为此，以国产 JP75 型卷盘喷灌机
传动系统为研究对 象 ，通 过 理 论 分 析 卷 盘 喷 灌 机 传 动
系统效率的影响因 素 ，采 用 传 动 系 统 效 率 的 理 论 计 算
公式，设 计 了 一 套 传 动 系 统 测 试 试 验 台 ，并 对 该 机 型
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收稿日期： 2014 － 09 － 01 基金项目： 国家高技术研究发展计划 （ 863 计划） 项目（ 2011AA10050
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农机化研究
第9 期
计算公式［5］为
Pv
=
v1 2
+ v2 EA
F2e
+
EAh2 v1 （ 1 + 24Ｒ21 i2
i2 ）
（ 1）
其中，v1 为 主 动 轮 速 度 （ m / s） ； v2 为 从 动 轮 速 度
（ m /s） ； E 为带的弹性模量； A 为带的横截面积单位
轴转速以及密封元件内径有很大的关系。油封功率
损失理论计算公式［8］为
Ps = 7． 69 × 10 －6 di n
（ 6）
其中，di 为密封元件内径（ m） ； n 为油封处轴的转
速（ r / min） 。
1． 5 传动系统总效率的计算
传动系统功率损失包括带与带轮之间的弹性滑动
摩擦损失 、圆柱齿轮 减 速 器 所 有 齿 轮 的 齿 轮 啮 合 的 功
验系数 ，因为传动系 统 功 率 的 损 失 是 由 许 多 复 杂 的 因 素造成的，所 以 理 论 计 算 想 得 到 精 确 的 数 值 比 较 困 难。②在切换不同挡位进行试验与计算时传动系统 效率的误差没有明显的变化。
（ a） 圆柱齿轮箱挂在Ⅰ挡时的试验传动效率
1． 永磁无刷直流电机 2． 联轴器 1 3． 扭矩仪 4． 联轴器 2 5． 轴承座 1 6． 轴承座 2 7． 宝塔轮 1 8． 大牙盘式链轮 9． 轴承座 3 10． 宝塔轮 2 11． 圆柱齿轮减速器 12． 卷盘
0 引言
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（ 2015） 09 － 0037 － 04
传动系统进行了试验测试。
1 传动系统功率损失分析及计算
卷盘喷灌机是一 种 自 走 式 移 动 灌 溉 装 备 ，其 自 动
化程度高 ，单位灌 溉 面 积 投 资 低 ，转 移 方 便 ，特 别 适 合
卷盘喷灌机传动系统是在卷盘和水涡轮之间传递动 性滑动损失、齿轮的啮合功率损失、轴承的摩擦功率
能的装置，具有空挡回收，加速、减速等功能，可以使 损失、油封的功率损失和链传动摩擦损失。
得卷盘喷灌机在各 种 工 作 条 件 下 安 全 运 行 ，是 卷 盘 喷
灌机的关键部件。传动效率的一个重要技术指标就
是功 率 损 失，它 对 整 个 喷 灌 机 的 传 动 效 率 、经 济 性 和
为
Pg = PH + PG =
3． 29
×
10 －7 fH Fn mn （ 1
+
z2 z1
）
Xc
+
9
×
10 －2
h vTb cosβ
（ 2）
其中，PH 为滑动摩擦损失（ kW） ； PG 为滚动摩擦损 失（ kW） ； Fn 为齿面法向载荷（ N） ； fH 为平均滑动摩擦 因素； mn为齿面法向模数； z1 为主动齿轮齿数； z2 为从 动齿轮齿数； Xc为重合度影响系数； h 为弹性动力油膜 厚度（ mm） ； vT 为平均滚动速度（ m / s） ； b 为有效齿宽 （ mm） ； β 为齿轮分度圆螺旋角。 1． 3 轴承的摩擦功率损失计算公式
（ 5）
其中，f0 为轴承结构与润滑方式的经验系数； f1 为 载荷的系数； υ 为润滑剂运动粘度 N / （ m2 ·s） ； Dm 为
轴承节圆的平均直径 （ m） ； n 为轴 承 转 速 （ r / min） ； P
为轴承动载荷（ N） 。
1． 4 油封的功率损失计算公式
油封功率损失产 生 于 轴 与 密 封 元 件 间 的 摩 擦 ，与
图 4 为卷盘喷灌机传动系统在不同负载、不同转 速、不同挡位下测试出的传动效率曲线。
由表 1 可知，传动系统效率的试验值与理论计算 值之间存在误差，最小的相对误差为 2． 75% ，最大的 相对误差值为 6． 91% 。误差可能存在以下两点原因： ①所使用的功率损失计算公式中许多参数均采用经
（ b） 圆柱齿轮箱挂在Ⅱ挡时的试验传动效率 图 4 不同挡位下传动效率与负载和转速的关系曲线
800 4． 37 5． 77 3． 19 5． 50 5． 61 4． 09
1 000 6． 53 6． 80 3． 83 4． 94 6． 33 4． 36
传动系统等组成。工作时，将卷盘喷灌机固定在靠近 中，再由多级圆柱齿轮减速器变速将扭矩及转速通过
水源的位置，再将喷洒小车牵引至喷洒位置，水流经 链条传递到大牙盘上，从而驱动卷盘进行回收。传动
PE 管输送至喷头实现喷洒； 同时，水流驱动水涡轮经 系统功率损失主要指的是配合副之间相对运动而引
过卷盘传 动 系 统 实 现 卷 盘 的 回 卷 和 喷 洒 车 的 回 收。 起的机械摩擦阻力损失［4］。其中，包括有带传动的弹
（ m2 ） ； Fe为有效拉力（ N） ； h 为带高（ m） ； Ｒ1 为主动轮
的半径（ m） ； i 为传动比。
1． 2 齿轮啮合的功率损失计算公式
齿轮啮合的功率损失主要是在齿轮啮合过程中， 摩擦力在齿面间所产生摩擦功率损失。齿轮啮合过
程中的接触位置对滑动摩擦的功率损失有直接的影 响 ，而油膜的厚度和 瞬 时 滚 动 速 度 对 滚 动 摩 擦 损 失 有 直接的影响。圆柱齿轮啮合的功率损失计 算 公 式［6］
计 算 出 卷 盘 喷 灌 机 的 传 动 效 率 ，同 时 设 计 了 一 套 卷 盘 喷 灌 机 传 动 系 统 测 试 试 验 台 。 该 试 验 台 采 用 永 磁 无 刷 直 流
电 动 机 代 替 原 有 机 型 的 水 涡 轮 实 现 卷 盘 的 驱 动 ，转 矩 转 速 传 感 器 用 来 测 试 电 动 机 的 输 出 转 速 和 转 矩 ，负 载 端 通
轴承的摩擦功率损失产生于承载轴承的摩擦力
矩，摩擦力矩分为与轴承载荷无关的力矩 M0 以及与载
荷有关的 力 矩 M1 两 个 部 分。轴 承 摩 擦 力 矩 计 算 公 式［7］为
M0
=
1
×
10 －7 f0
（
vn）
D 2 /3 3 m
（ 3）
M1 = f1 PDm
（ 4）
轴承的摩擦功率损失计算公式为
Pb = n（ M0 + M1 ）
率损 失、各 轴 端 油 封 的 功 率 损 失、传 动 系 统 中 所 有 滚
动轴承的摩擦损失以及链传动摩擦损失。开式链传 动效率［9］为 90% 。传动系统总的功率损失为
P1 = ΣPv + ΣPg + ΣPb + ΣPs
（ 7）
传动系统总效率为
η
=
Pin － P1 Pin
× 90%
（ 10）
JP75 型卷盘喷灌机传动系统的已知参数如下： 输
1． 大牙盘式链轮 2 ～ 7． 圆柱齿轮 8． 轴承座 9． 链轮 10 ～ 15． 圆柱齿轮 16． 宝塔轮 2 17． 宝塔轮 1 18． 水涡轮 1
图 1 JP75 型卷盘式喷灌机的传动系统示意图
1． 1 宝塔轮带传动的功率损失计算公式 带与带轮之间的弹性滑动摩擦损失和带的弯曲损
耗是带传动功率损 失 中 的 主 要 因 素 ，带 传 动 功 率 损 失
入扭矩 2 ～ 5． 9N·m，输入转速 200 ～ 700r / min。根据
传动系统各部分功 率 损 失 计 算 公 式 ，可 计 算 出 传 动 系
统在不同转速 、不 同 挡 位 、不 同 负 载 下 的 传 动 效 率 值 。
图 2 为卷盘喷灌机传动系统在不同负载、不同转速、
不同挡位下计算出的传动效率曲线。