水田拖拉機專用發動機設計探討

吳慶存，李兵楠，單志公

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

1 水田拖拉機的整車設計要求

水田拖拉機是在水稻田作業的一般用途拖拉機，主要用于整田作業。其主要特點如下：裝有水田行走裝置（履帶水田鐵輪或高花紋輪胎等），在水田土壤上能發揮足夠的牽引性能，具有較好的防陷越埂、通過性、轉向操縱性和防泥水密封性能。水田作業拖拉機的設計關鍵點為減輕質量（嚴格控制整機的結構比質量）、轉彎機動靈活、通過性強、整機各處的密封性好[1]。

基于上述水田拖拉機的整車要求，對發動機的設計理念提出了要求，要區別于普通旱田用拖拉機的一貫設計思路。水田用發動機主要設計理念如下：減輕發動機質量，以降低拖拉機的整車重量，降低泥腳深度；縮小發動機體積，以縮短整車的軸距，同時也降低整車質量，減小整車轉彎半徑，提高通過性；發動機密封設計，發動機零部件要提高防水、防泥等，提高密封性，適應發動機涉水作業需求。基于上訴發動機結構的特性，在開發發動機性能時要遵循小體積、大排量、提高升功率的發動機性能開發理念。以最小的體積和重量來達到最大的功率，滿足整車的各項要求。

2 水田拖拉機專用發動機性能設計開發

2.1 發動機性能開發——基于整車工作路譜的發動機性能開發

根據目前市場上水田拖拉機的作業情況，通過收集大量路譜，文章對路譜中的發動機常用工作區、工況進行分析，確定最適合水田拖拉機用的發動機性能開發理論曲線。針對國內某90 馬力水田拖拉機路譜（帶打漿機作業）的分析結果如圖1 所示。從發動機的轉速分布可見，工作時發動機轉速集中在1 800r/min ～1 900r/min，負荷集中在70%左右；從路譜分析可見，水田拖拉機整車車作業負荷不大，扭矩需求相對旱地作業拖拉機低。

基于上述路譜可以指導發動機的性能開發。滿足額定功率的前提下，發動機扭矩儲備可低于旱田用拖拉機，發動機經濟區需向中高速區移動，以提高水田拖拉機的整車經濟性。

2.2 發動機性能開發——高額定轉速設計

發動機轉速的提高有利于功率的提升，可用較小排量的發動機通過提高轉速來提高功率，既滿足水田拖拉機對動力的需求，又能減輕發動機的重量，從而達到降低整車重量、降低整車的接地比壓的目的。以日本久保田的水田拖拉機動力系統設計為例，其設計的發動機轉速一般在2 600r/min ～2 700r/min；與傳統的發動機相比，其采用較小的缸徑和行程，通過提高發動機的轉速獲得了同樣的發動機功率，同時使得整車的尺寸減小、重量降低。最終表現為整機有較小的接地比壓、更好的通過性。文章設計的水田作業輪式拖拉機的結構比質量能控制得很低，基本在50kg/kW 左右。這一設計理念能很好地適應水田作業拖拉機，大大提高整機的適應性。

圖1 某水田拖拉機作業路譜

3 水田拖拉機專用發動機設結構設計開發

3.1 密封性、防水、防泥要求高

水田拖拉機作業環境多水、多泥。一般情況下，水田拖拉機的涉水深度可達到整車前輪中心，發動機油底殼以及部分電器件會處于短期涉水狀態。水田拖拉機作業環境如圖2 所示。另外，水田拖拉機作業時，輪胎會將泥漿甩向發動機以及整車其他部件，導致發動機大部分區域被泥漿覆蓋，因此設計時對發動機零部件尤其電器件的防水要求極高。水田拖拉機作業時，發動機零部件被泥漿覆蓋情況如圖3 所示。

圖2 水田拖拉機作業環境

圖3 泥漿覆蓋發動機

3.1.1 發動機結構件的密封性設計

油底殼等底部涉水部件可通過更改密封面結構來實現，在密封面上增加整圈儲膠槽；將平面密封改為交叉網紋面，以提高表面粗糙度[2]。對于飛輪殼，需使用全密封飛輪殼，保證飛輪殼與機體、變速箱殼體、起動機等結合面處能夠完全防水。設計裝配完成后，可進行氣密性試驗，保證密封性能，使其不會因進水而內部結構失效。

3.1.2 發動機電器元件防水、防泥設計

在設計部分發動機時，啟動機、發電機、空調壓縮機等電器零部件在發動機上的布置位置較低，水田作業時存在直接涉水的情況，同時飛濺的泥水很容易堆積在上述電器件表面，如果防護不夠，很容易造成電器元件的失效。電器件設計需按下述方案進行。

首先，電器元件防護等級提高。目前，絕大部分旱田用發動機電器元件的防護等級最高為標準IP56 級要求，但部分旱地拖拉機用電器件防護等級甚至低于IP56。在設計水田拖拉機時，因零部件有短期浸水風險，又有飛濺泥土堆積，會導致整機清洗頻率提高。在設計電器件時，其防護等級需提升到IP67 級（即無灰塵進入，浸入規定壓力的水在經過規定時間后，外殼進水量不至達有害程度），從而滿足整車使用工況的要求[3]。

其次，在電器零部件及位置較低的旋轉零部件（如曲軸皮帶輪）周圍增加防護板（擋泥板），避免飛濺的泥漿落在相關零部件上，從而達到防水防泥的效果，延長零部件的使用壽命，如圖4、圖5 所示。

圖4 起動機防護蓋設計

圖5 曲軸皮帶輪防護罩設計

3.2 發動機減小體積設計

受水稻對農藝要求和地理環境的影響，水田田塊面積較小，一般為0.13hm2～0.33hm2，甚至小至幾分，形狀不規則，地塊之間的高低差較大。這對水田拖拉機的通過性提出了較高的要求。因此，水田專用發動機在設計時應盡量縮小體積。體積小，拖拉機的軸距可縮短，實現較小的轉彎半徑，從而更滿足水田拖拉機的通過性要求。發動機在設計時應盡可能采用小排量的發動機，使發動機機體長度壓縮到最短。同時，外圍件如飛輪殼、油底殼等與整車結構相連的部件盡量縮短。發動機前端輪系的伸出長度盡量縮短，既能縮短發動機長度，又能滿足拖拉機發動機承重結構的可靠性要求，減小轉彎半徑，滿足水田拖拉機的通過性要求。轉彎半徑減小，對通過行的影響如圖6 所示。

3.3 發動機輕量化設計

為了盡可能避免輪式拖拉機在水田作業時對硬底層的破壞，以及對承壓力低的爛泥田有更好的適應性，就必須盡量減輕拖拉機的結構質量，降低接地比壓。發動機作為水田拖拉機中的主要重量組成部分，同時起著支撐拖拉機底盤結構的作用。因此，這對水田拖拉機用發動機的設計又提出了兩個要求：既要盡可做到輕量化，以達到降低整車重量的目的，又要保證基本的高強度，不能影響整車底盤強度的可靠性。

圖6 轉彎半徑對通過性影響示意

發動機輕量化設計是在保證發動機各系統結構可靠性和動力性不受影響的情況下，最大限度地減輕各類零部件的質量，從而降低發動機整體重量，提高動力性，降低燃油消耗。發動機輕量化的技術途徑主要有以下兩個方面。

3.3.1 結構優化

結構優化設計是輕量化技術最基本的手段之一，主要利用模擬仿真軟件進行CAE 計算分析，從發動機零部件初始結構設計、產品制造工藝設計等方面進行結構輕量化。在滿足使用性能的前提下，采用優化設計去除零部件的冗余部分、減少零件搭接、改變零件結構，以減少零件數量或減輕質量，實現輕量化目標。

3.3.2 新材料、新工藝應用

新材料分為兩大類：一類是高強度材料，如高強度鑄鐵（蠕墨鑄鐵、等溫處理球鐵）、粉末冶金材料等；另一類是低密度輕質材料，如鋁合金、鎂合金、塑料和復合材料等。采用新材料生產發動機零部件需要特殊的加工技術，主要包括先進的材料連接技術、表面處理技術等。

目前，發動機零部件材料輕量化技術的主要研究領域有燃燒室系統以及排氣系統零部件適應更高爆壓用耐熱、耐腐蝕材料的開發；氣缸體、氣缸蓋用高強度、輕量化材料及工藝開發；曲軸、連桿、飛輪等運動件高性能輕量化材料開發[4]。

4 結束語

綜上所述，為滿足水田拖拉機的整車指標要求，發動機在設計時要做到輕量化、高轉速、大功率、密封性好、防水防泥等。既滿足整車對功率的需求，又能提高發動機水田作業的可靠性，為水田作業的機械化發展提供更好的作業條件。