基于保護性少耕作業(yè)耕整播一體機的輪式拖拉機牽引附著性能分析*

趙永來 ，牛文學 ，高 偉 ，馮瑞龍 ，樊 琦 ，崔文芳 ，劉 禎

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學職業(yè)技術學院，內(nèi)蒙古 包頭 014109）

0 引言

土壤碳固定是現(xiàn)階段有關陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與地球表層過程研究的重要領域[1]。保護性耕作可以提高土壤固碳效率，提高肥料利用率[2]，減少碳排放[3]，助力碳達峰、碳中和。1950年，我國開始進行免少耕播種[4]等相關技術的研究，目前我國是整個亞洲地區(qū)保護性耕作應用面積最大的國家，超過86萬hm2[5]。雖然實施保護性耕作面積逐年擴大，但保護性耕作面積占比仍然不高，機械化水平也較低，特別是目前耕地犁底層厚度差異較大，傳統(tǒng)深松尚未實現(xiàn)精準化和信息化，需要消耗大量的勞力與拖拉機動力，嚴重制約了保護性耕作的推廣和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。深松作業(yè)在不翻轉(zhuǎn)土壤、不打破原有土壤耕層結構的前提下，利用深松鏟疏松種床土壤、打破堅硬的犁底層，有利于蓄水保墑、加深耕作層，有助于根系深扎[6]，是保護性耕作的主推技術。合理的深松和肥料分層深施可以有效促進禾豆間作系統(tǒng)氮素吸收、提高氮素利用效率，改善土壤理化性質(zhì)，促進作物根系生長，增加作物產(chǎn)量[7-8]。

我國農(nóng)田經(jīng)過長期的種植以及機械性的壓迫形成了犁底層，且犁底層厚度差異較大，保護性免耕發(fā)展雖快，但由于犁底層的存在，免耕技術效率依然較低。目前，農(nóng)田采用的保護性深松設備仍存在功能單一、犁底層破壞不充分、深松鏟入土性能較差、勞動強度大、效率低等缺陷。綜合分析，機械化水平的落后仍然是限制保護性耕作發(fā)展的根本原因。因此，亟須對智能耕整播一體機的關鍵技術進行科技攻關，同時保護性少耕作業(yè)是更適合我國農(nóng)田發(fā)展的耕作方式，深松作為少耕作業(yè)的代表性技術將更有利于其推廣與應用[9]。智能耕整播一體機可以實現(xiàn)多機具高效復合式作業(yè)，有效減少機組對保護性耕作土壤的壓實破壞，動力消耗分配也更加合理，污染物的排放大幅降低，節(jié)約能源的同時提高了牽引效率與燃油經(jīng)濟性，實現(xiàn)增產(chǎn)與減排的雙贏，為今后推廣保護性少耕作業(yè)、研發(fā)環(huán)保集約型農(nóng)業(yè)裝備開辟了新的思路與途徑。

課題組針對保護性少耕作業(yè)的特征，緊密結合農(nóng)藝要求，圍繞集深松、整地、施肥、播種一體化技術裝備，以牽引裝置——輪式拖拉機為研究對象，通過對拖拉機牽引附著性能的分析，確定配套耕整播一體機下拖拉機各擋的掛鉤牽引力FT和牽引效率η，分析獲得最佳的田間作業(yè)參數(shù)，明確影響拖拉機牽引附著性能與牽引效率的主要因素并驗證整機動力學分析的合理性和可靠性，實現(xiàn)拖拉機牽引附著能力與耕整播一體機的有效配合，為拖拉機牽引綜合作業(yè)機具的應用提供支持。

1 保護性少耕作業(yè)耕整播一體機的設計

1.1 耕整播一體機整機設計方案

緊密結合農(nóng)藝要求確定整機的作業(yè)方式，提出耕整播一體機整機設計方案并確定一體機作業(yè)技術參數(shù)，根據(jù)選定參數(shù)進行一體機整體結構及傳動方式的設計。通過三維制圖軟件對深松鏟等關鍵工作部件進行參數(shù)化設計及模型搭建，在三維模型的基礎上對主要工作部件進行仿真模擬，測試部件在正常作業(yè)時的運動規(guī)律及零部件的強度和剛度。用離散元法進行一體機關鍵部件的優(yōu)化設計，探究其對拋土及碎土性能的影響規(guī)律。根據(jù)JB/T 8401.1—2017《旋耕聯(lián)合作業(yè)機械 第1部分：旋耕施肥播種機》評定標準對機具的耕深、碎土率、排種排肥量等指標進行現(xiàn)場測試與驗證，再對整機田間作業(yè)測試及作業(yè)質(zhì)量進行評定，設計思路如圖1所示。

圖1 保護性少耕作業(yè)耕整播一體機結構設計思路圖

1.2 耕整播一體機結構實現(xiàn)

為合理改善施肥質(zhì)量、優(yōu)化整地效果，實現(xiàn)種肥同施的耕整播一體機，通過整合深松、施肥、旋耕、播種等傳統(tǒng)工作模式，可以實現(xiàn)一次作業(yè)完成碎土整平、溝播分層施肥、開溝播種等功能。以智能化保護性少耕作業(yè)信息系統(tǒng)為依托，將土壤、環(huán)境等相關信息作為輸入信號，對其分析后將深松深度、施肥量等數(shù)據(jù)作為輸出信息，再利用深度學習等人工智能方法進行訓練，使深松深度更加精確，施肥量更加精準，實現(xiàn)精準作業(yè)、變量作業(yè)，使碳消耗量、化肥消耗量降到最低。

2 拖拉機牽引附著性能

拖拉機的牽引性能是指在一定的土壤條件下拖拉機的牽引工作能力，可以用拖拉機的工作速度、牽引效率、牽引力和牽引功率來衡量。拖拉機的牽引效率是評價拖拉機牽引性能的重要指標，牽引效率可以說明發(fā)動機有效功率的利用程度，牽引效率越高，牽引附著性能越好[10]。拖拉機、拖掛車等具有牽引功能的車輛，其牽引性能的好壞都具有一定的評價指標，但不同資料中對車輛牽引性能指標的稱謂有所不同[11-14]。隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展與生產(chǎn)運輸過程中機械化水平的提高，農(nóng)用拖拉機作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運輸?shù)闹匾ぞ咧唬湓谵r(nóng)田中的作用愈發(fā)明顯[15]。農(nóng)用拖拉機可以在多種工作環(huán)境中充當動力輸出裝置，為各類型作業(yè)機械提供配套動力，完成耕地、播種、施肥、田間管理、收獲等作業(yè)[16-18]。拖拉機與農(nóng)機具配套作業(yè)對拖拉機的牽引附著性能和保護性少耕作業(yè)有重要影響，正確合理的配套作業(yè)可以減少動力損失，提高生產(chǎn)效率，降低對耕作土壤的壓實率。同時，還需要考慮拖拉機、輪胎和農(nóng)機具的具體參數(shù)、土壤條件和耕作條件（作業(yè)速度、幅寬和深度等）對田間作業(yè)的影響。

拖拉機的附著性能反映了拖拉機在一定土壤條件下所發(fā)揮的附著能力，可以用拖拉機各擋的掛鉤牽引力FT、牽引功率PT和牽引效率η來衡量。耕整播一體機在田間作業(yè)時，可以由拖拉機獨立驅(qū)動，采用三點懸掛的方式進行，但是由于作業(yè)對象、田間作業(yè)環(huán)境以及作業(yè)種類等因素的變化，拖拉機動力難以得到最大程度的發(fā)揮。同時，拖拉機受耕整播一體機加載特性、土壤阻力等的限制，其性能與傳統(tǒng)拖拉機有明顯區(qū)別。因此，牽引機具的設計應綜合考慮拖拉機牽引一體機工作時的牽引附著性能，盡可能提高拖拉機作業(yè)效率，降低其燃油消耗。

2.1 拖拉機掛鉤牽引力

拖拉機掛鉤牽引力反映拖拉機牽引配套農(nóng)機具的能力。大馬力的拖拉機在作業(yè)中主要利用掛鉤工作，而掛鉤牽引力功率是由牽引力大小和牽引速度共同決定的。當拖拉機經(jīng)過驅(qū)動鏈傳給牽引力裝置時，大部分能量浪費在牽引裝置與土壤的相互作用上[19]。拖拉機與耕整播一體機配套作業(yè)時的受力分析如圖2所示。

圖2 拖拉機與耕整播一體機配套受力圖

圖中，G為拖拉機的重力，單位為N；Ff1、Ff2為從動輪、驅(qū)動輪的滾動阻力，單位為N；Fz1、Fz2為土壤對從動輪、驅(qū)動輪的垂直反力，單位為N；Gl為耕整播一體機的重力，單位為N；作用在一體機質(zhì)心的作用線與驅(qū)動輪幾何中心的垂直平面距離為al；Rl為土壤對一體機的總耕作阻力在垂直面內(nèi)的分力，單位為N。為了簡化分析，假定其作用線通過一體機的質(zhì)心。

根據(jù)拖拉機掛鉤牽引受力分析，得出：

式中，F(xiàn)T為拖拉機掛鉤牽引力，單位為N；Fq為拖拉機的切線驅(qū)動力，單位為N；Ff為拖拉機的滾動阻力，單位為N。

切線驅(qū)動力Fq可由發(fā)動機轉(zhuǎn)矩決定，計算得出：

式中，Tq為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；ie為傳動系工作擋的總傳動比；ηc為傳動系效率；rd為驅(qū)動輪的動力半徑（驅(qū)動輪圓心到地面距離）。

式中，f為滾動阻力系數(shù)；G為拖拉機的重力，單位為N；M為拖拉機使用時質(zhì)量，單位為kg；其中，g=9.8 m/s2。

田間作業(yè)時，切線驅(qū)動力Fq受到地面附著條件的限制，切線驅(qū)動力應不高于拖拉機的附著力，即Fq≤Fφ，F(xiàn)φ為附著力。

式中，φ為附著系數(shù)；Gφ為拖拉機附著重量，對于履帶和四輪驅(qū)動拖拉機，附著重量等于拖拉機使用重量（Gφ=G）。

2.2 拖拉機的功率利用率

輪式拖拉機帶牽引農(nóng)具或懸掛農(nóng)具在水平區(qū)段上穩(wěn)定工作時，發(fā)動機發(fā)揮的有效功率的利用和分配可由以下公式來表示：

式中，Pe為發(fā)動機的有效功率，單位為kW；PT為拖拉機的牽引功率，單位為kW；Pδ為行走機構的滑轉(zhuǎn)消耗功率，單位為kW；Pc為拖拉機傳動系統(tǒng)損失的功率，單位為kW；Pf為克服拖拉機滾動阻力而損失的功率，單位為kW；FT為拖拉機掛鉤牽引力，單位為kN；Fq為拖拉機切線驅(qū)動力，單位為kN；Ff為拖拉機的滾動阻力，單位為kN；v為拖拉機實際行駛速度，單位為km/h；v1為拖拉機理論行駛速度，單位為km/h。

2.3 拖拉機的牽引效率

輪式拖拉機的牽引效率是評定拖拉機牽引性能的一個重要指標，其表示拖拉機的綜合功率損失，通常用拖拉機的牽引功率PT和相應的發(fā)動機有效功率Pe的比值來表示。牽引功率為掛鉤牽引力和速度的乘積，其表征拖拉機潛在的生產(chǎn)能力。

式中，ηT為拖拉機的牽引效率；ηc為傳動系統(tǒng)效率；ηf為滾動效率；ηδ為滑轉(zhuǎn)效率；ηx為行走系效率；Pq為傳動系傳至驅(qū)動輪的功率，單位為kW；PTmax為最大牽引功率，單位為kW；P為發(fā)動機額定功率，單位為kW。

牽引效率的數(shù)值說明發(fā)動機有效功率以牽引作業(yè)方式輸出時其損失相對程度。由式（12）可知，滑轉(zhuǎn)率越大造成牽引功率的損失也就越大。通常，拖拉機在中等濕度和茬地工作時，輪式拖拉機的最大牽引效率可達55%，履帶拖拉機可達70%左右。

3 拖拉機牽引附著性能分析與計算

犁耕土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，耕整播一體機在田間作業(yè)時，與拖拉機采用三點懸掛的方式，由拖拉機后動力輸出軸向一體機傳送動力，通過調(diào)整電液懸掛裝置來完成田間作業(yè)的農(nóng)藝要求。拖拉機能夠發(fā)揮較大的牽引力并實現(xiàn)較高的牽引效率，以克服機具作用于土壤產(chǎn)生的耕作阻力，實現(xiàn)功率與牽引功率的高效轉(zhuǎn)換與節(jié)能減排，但是驅(qū)動力（牽引力）、滾動阻力、滑轉(zhuǎn)率、附著系數(shù)等參數(shù)對牽引附著性能會產(chǎn)生一定影響。

3.1 牽引效率的影響因素分析

在保護性少耕作業(yè)中，拖拉機的牽引效率是重要的參數(shù)，但其影響因素較多，如傳動效率、滾動效率、滑轉(zhuǎn)效率、土壤條件等。由式（9）可知，傳動系統(tǒng)效率、滾動效率和滑轉(zhuǎn)效率三者的乘積即為拖拉機的牽引效率。傳動效率為傳動系統(tǒng)機械效率和履帶驅(qū)動段機械效率兩項的乘積。其中，傳動系統(tǒng)效率受到設計與制造等因素的制約，若要對其進行提高比較困難，對于某一固定作業(yè)的拖拉機，傳動系統(tǒng)效率可以看作是一個固定值；滾動效率反映了驅(qū)動輪的驅(qū)動力轉(zhuǎn)換成掛鉤牽引力的效率，其取決于掛鉤牽引力和驅(qū)動力的比值，在不加大滾動阻力的情況下，滾動效率隨掛鉤牽引力的增大而提高，一般農(nóng)用拖拉機滾動效率取0.9左右；滑轉(zhuǎn)效率表明了牽引功率的損失情況，其隨掛鉤牽引力的增大而降低，其數(shù)值取決于滑轉(zhuǎn)率的大小，而影響滑轉(zhuǎn)率的主要因素有行走機構的型式、結構和尺寸、土壤的力學性質(zhì)、濕度以及拖拉機的掛鉤負荷等。其中，土壤表層的濕度對拖拉機的滑轉(zhuǎn)率影響極大。在土壤容積密度和土壤堅實度不同的條件下，拖拉機的最大牽引效率也不同。耕作地表疏松，土壤堅實度就較低，牽引效率也隨之降低。當最大牽引效率發(fā)生時，拖拉機所能提供的最大牽引力基本相同，但此時輪胎的滑轉(zhuǎn)率不同[20]。在同一種路面或耕作土壤的情況下，牽引效率先是隨著滑轉(zhuǎn)率的增大而快速提高，當滑轉(zhuǎn)率增加到某一數(shù)值時，牽引效率達到最大，但其后牽引效率隨滑轉(zhuǎn)率的增加呈下降趨勢，且隨著滑轉(zhuǎn)率的增加，牽引效率的下降幅度大于其增加幅度。

3.2 拖拉機附著性能的影響因素分析

在田間作業(yè)過程中，由于土壤環(huán)境復雜、負載波動較大等因素的影響，導致工作阻力變化范圍較大，極易產(chǎn)生過大的驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)[21]。分析路面附著系數(shù)對輪胎牽引力的影響可知，輪胎的牽引力隨著附著系數(shù)的變化而變化，當輪胎和地面接觸，輪胎接地印記上承受切向力時，輪胎就會出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)。一般情況下，輪胎初始的滑轉(zhuǎn)主要由輪胎的彈性形變引起，因而一開始車輪力矩與驅(qū)動力隨滑轉(zhuǎn)率呈線性關系增加；當車輪力矩和驅(qū)動力進一步增加而導致部分輪胎胎面在地面上滑轉(zhuǎn)時，驅(qū)動力和滑轉(zhuǎn)率變?yōu)榉蔷€性的關系。相關研究表明，將滑轉(zhuǎn)率控制在0.1~0.15之間時，輪式拖拉機會有較高的牽引效率[22]。若驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率超過0.2，則會損壞土體結構，加劇輪胎磨損，增加發(fā)動機能耗，降低拖拉機的牽引效率，進而嚴重破壞禾豆間作農(nóng)作物的生長環(huán)境。當滑轉(zhuǎn)率進一步增加時，還會導致輪胎的不穩(wěn)定工況，驅(qū)動力系數(shù)也會從峰值很快下降到純滑轉(zhuǎn)（即δ=100%時）。

3.3 拖拉機牽引性能的分析與測算

拖拉機與農(nóng)業(yè)機械進行配套設計時，需要檢驗拖拉機的牽引性能是否滿足牽引耕作的農(nóng)藝要求，通過理論計算出拖拉機各耕作速度下的掛鉤牽引力、傳動系統(tǒng)效率的大小，其是衡量拖拉機整機的重要指標，影響著拖拉機整機的生產(chǎn)率和經(jīng)濟性。根據(jù)耕整播一體機的牽引要求，試驗設計采用了約翰迪爾1204拖拉機進行牽引，其主要工作裝置包括動力輸出裝置、牽引裝置、液壓懸掛裝置及底盤等。耕整播一體機主要技術參數(shù)如表1所示，拖拉機主要技術參數(shù)如表2所示。測試并計算出拖拉機在給定速度下的牽引力、傳動系統(tǒng)效率等參數(shù)，并進行對比分析。

表1 耕整播一體機主要技術參數(shù)

表2 拖拉機主要技術參數(shù)

測試結果與分析如下：

本試驗的拖拉機主要用于作業(yè)環(huán)境比較穩(wěn)定且地面比較平整的試驗區(qū)，所以設計車速不大于10 km/h，確定拖拉機基本擋位理論作業(yè)速度為3 km/h~10 km/h。結合耕作土壤滑轉(zhuǎn)率因素測得拖拉機基本擋位實際耕作速度，根據(jù)表1中的已知參數(shù)，選擇試驗區(qū)已耕地、沙壤土地、膠紅沼泥地進行對比測算，根據(jù)測試結果由公式（6）~（15）計算出拖拉機掛鉤牽引力與傳動效率，測試數(shù)據(jù)以曲線形式表示，耕作速度與掛鉤牽引力、傳動系統(tǒng)效率的關系如圖3和圖4所示。

圖3 掛鉤牽引力與耕作速度的關系圖

圖4 傳動系統(tǒng)效率與耕作速度的關系圖

分析圖3可知，拖拉機掛鉤牽引力隨著耕作速度的加快呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，當實際耕作速度在2.64 km/h~8.80 km/h（分別為2.64 km/h、3.52 km/h、4.40 km/h、5.28 km/h、6.16 km/h、7.04 km/h、7.92 km/h、8.80 km/h）范圍內(nèi)變化時，拖拉機掛鉤牽引力降幅分別為25%、20%、16.67%、14.28%、12.5%、11.11%、10%，且隨著耕作速度的加快，其降幅比例逐漸降低。掛鉤牽引力隨耕作地表條件不同而差異明顯，當耕作速度為2.64 km/h和3.52 km/h時，在沼泥地、已耕地、沙壤土三種地表條件下拖拉機的掛鉤牽引力分別為66.15 kN、56.52 kN、48.11 kN和49.61 kN、42.39 kN、36.08 kN，已耕地和沙壤土較沼泥地條件下掛鉤牽引力分別降低14.57%和27.27%，同一拖拉機耕作速度下，掛鉤牽引力：沼泥地＞已耕地＞沙壤土。分析得出，拖拉機耕作速度介于2.64 km/h~4.40 km/h之間可以發(fā)揮較大的掛鉤牽引力，但因為土壤類型的不同，力學性質(zhì)出現(xiàn)了明顯差異，其土壤的附著性能也發(fā)生了顯著的變化，導致了土壤條件對拖拉機的牽引性能的影響顯著，拖拉機在堅實的土壤條件下牽引性能較好，在松軟的土壤條件下牽引力較低。

分析圖4可知，拖拉機驅(qū)動功率隨著耕作速度的加快呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，當實際耕作速度在2.64 km/h~8.80 km/h（分別為2.64 km/h、3.52 km/h、4.40 km/h、5.28 km/h、6.16 km/h、7.04 km/h、7.92 km/h、8.80 km/h）范圍內(nèi)變化時，沼泥地條件下拖拉機傳動系統(tǒng)效率增幅分別為5.09%、4.86%、4.64%、4.41%、4.25%、4.06%、3.92%，平均增幅為4.46%，已耕地條件下傳動系統(tǒng)效率平均增幅為4.02%，沙壤土條件下平均增幅為3.27%。隨著耕作地表逐漸疏松，其平均增幅呈下降趨勢，同一耕作速度下，傳動系統(tǒng)效率：沼泥地＞已耕地＞沙壤土。當拖拉機耕作速度為7.92 km/h和8.80 km/h時，在沼泥地、已耕地、沙壤土三種地表條件下拖拉機的傳動系統(tǒng)效率分別為86.73%、70.44%、55.17%和90.27%、73.05%、56.85%，表明耕作速度越快，傳動系統(tǒng)效率越高。

4 結論

1）結合農(nóng)藝要求確定整機的作業(yè)方式，提出耕整播一體機整機設計方案并確定一體機作業(yè)技術參數(shù)與配套實施方案。再依據(jù)一體機的作業(yè)要求，從結構上實現(xiàn)種肥同施的耕整播一體機作業(yè)效果，并闡述拖拉機的牽引附著性能，通過對拖拉機與耕整播一體機配套作業(yè)時的受力分析，得出掛鉤牽引力、傳動系統(tǒng)效率等理論公式。

2）分析影響牽引附著性能的因素，結合試驗區(qū)實際地表狀況與相關參數(shù)，測試并測算出拖拉機掛鉤牽引力、傳動系統(tǒng)效率與耕作速度的變化關系，拖拉機掛鉤牽引力隨著耕作速度的加快呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，當實際耕作速度在2.64 km/h~8.80 km/h（分別為2.64 km/h、3.52 km/h、4.40 km/h、5.28 km/h、6.16 km/h、7.04 km/h、7.92 km/h、8.80 km/h）范圍內(nèi)變化時，拖拉機掛鉤牽引力降幅分別為25%、20%、16.67%、14.28%、12.5%、11.11%、10%，拖拉機耕作速度介于2.64 km/h~4.40 km/h之間，可以發(fā)揮較大的掛鉤牽引力。拖拉機傳動系統(tǒng)效率隨著耕作速度的加快呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，當實際耕作速度在2.64 km/h~8.80 km/h（分別為2.64 km/h、3.52 km/h、4.40 km/h、5.28 km/h、6.16 km/h、7.04 km/h、7.92 km/h、8.80 km/h）范圍內(nèi)變化時，沼泥地、已耕地、沙壤土條件下拖拉機傳動系統(tǒng)效率平均增幅分別為4.46%、4.02%、3.27%。