鏵式犁農(nóng)機(jī)田間作業(yè)過程機(jī)具功耗測(cè)評(píng)研究

摘要：為探究鏵式犁農(nóng)機(jī)具作業(yè)過程中功耗的變化規(guī)律，利用柴油機(jī)臺(tái)架數(shù)據(jù)和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controllerarea network，CAN）數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，測(cè)量鏵式犁農(nóng)機(jī)具作業(yè)過程中柴油機(jī)的有效功率。通過拉力傳感器和GPS儀測(cè)量鏵式犁的功率；然后，固定耕作深度為23 cm，開展耕地速度為5.7、7.1和8.9 km·h-1的田間試驗(yàn)；固定耕作速度為5.7 km·h-1，開展耕地深度為20、23和26 cm的田間試驗(yàn)。結(jié)果表明，鏵式犁農(nóng)機(jī)的實(shí)際耕地速度圍繞目標(biāo)耕地速度出現(xiàn)較大波動(dòng)，導(dǎo)致鏵式犁機(jī)具功率、鏵式犁機(jī)具功率占比、柴油機(jī)功率、整機(jī)油耗等參數(shù)均出現(xiàn)變動(dòng)，其中，柴油機(jī)功率變動(dòng)率達(dá)15.93%。隨耕地速度升高和耕地深度增大，農(nóng)機(jī)具和柴油機(jī)的功率均增大，鏵式犁機(jī)具功率占比相對(duì)穩(wěn)定；鏵式犁機(jī)具功率占柴油機(jī)功率的56.24%～67.30%。研究結(jié)果可以為農(nóng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)匹配、優(yōu)化和農(nóng)機(jī)具選型提供參考。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)；柴油機(jī)；鏵式犁；功率

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0251

中圖分類號(hào)：S222

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008?0864（2025）01?0129?09

土壤精準(zhǔn)耕整是提高水、肥、藥利用率，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量的重要途徑。耕整地農(nóng)機(jī)在精準(zhǔn)耕作過程中發(fā)揮著重要作用，其耕作過程既要拖動(dòng)農(nóng)機(jī)具，也要克服整車的行駛阻力。因此，開展農(nóng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)測(cè)評(píng)是整機(jī)動(dòng)力匹配和參數(shù)優(yōu)化的重要研究?jī)?nèi)容。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)用機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量方法進(jìn)行了研究，特別是對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)軸載荷進(jìn)行了大量測(cè)試分析。研究人員通過測(cè)量傳動(dòng)軸的載荷數(shù)據(jù)確定了傳動(dòng)軸載荷樣本長(zhǎng)度[1]，對(duì)載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理外推[2?3]，并且根據(jù)載荷譜數(shù)據(jù)以及傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率[4]。但是，由于傳動(dòng)系統(tǒng)存在功率損耗，不能準(zhǔn)確反映柴油機(jī)功率。因此，需要更加準(zhǔn)確的研究方法以獲取拖拉機(jī)耕作過程中柴油機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)。本團(tuán)隊(duì)前期利用燃燒分析儀精準(zhǔn)測(cè)量了拖拉機(jī)搭載鏵式犁作業(yè)過程中的柴油機(jī)功率，同時(shí)提出轉(zhuǎn)矩模型法，實(shí)現(xiàn)了功率的在線精準(zhǔn)測(cè)量[5]。拖拉機(jī)整地過程中柴油機(jī)扭矩百分比的合理范圍為78%～94%[6]，Rajabi-vandechall等[7]基于軟件和低成本傳感器提出拖拉機(jī)扭矩預(yù)測(cè)模型，對(duì)拖拉機(jī)的扭矩變化進(jìn)行了精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。劉洪利等[8]利用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）總線記錄拖拉機(jī)整地過程中柴油機(jī)的扭矩百分比，從而分析柴油機(jī)功率和鏵式犁機(jī)具功率匹配是否合理。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在測(cè)量農(nóng)機(jī)具與土壤的相互作用力、三點(diǎn)懸掛裝置載荷等方面也進(jìn)行了大量研究[9?10]，主要通過在土壤中或犁體上安裝壓力傳感器測(cè)量土壤和犁體的相互作用力，從而獲取鏵式犁載荷。由于測(cè)量農(nóng)機(jī)具與土壤的相互作用力不能準(zhǔn)確計(jì)算農(nóng)機(jī)具的牽引力，因此需測(cè)量三點(diǎn)懸掛裝置載荷，用于計(jì)算農(nóng)機(jī)具的牽引力。在三點(diǎn)懸掛裝置載荷測(cè)量方面，目前多采用應(yīng)變片或拉力傳感器對(duì)載荷進(jìn)行測(cè)量[11-13]。受時(shí)間和試驗(yàn)成本限制，試驗(yàn)過程中難以獲取農(nóng)機(jī)具全生命周期的載荷數(shù)據(jù)[14]，因此，已有研究提出了多種載荷譜編制方法，如參數(shù)外推法[2]、混合分布法[15]、最優(yōu)分布擬合法[16]等。在理論分析方面，研究人員通過理論模型和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)三點(diǎn)懸掛裝置載荷進(jìn)行了研究，提出了多種三點(diǎn)懸掛裝置載荷計(jì)算理論模型，如Cerovi?等[17?18]提出的二維解析模型、Porte? 等[19?20]提出的數(shù)學(xué)計(jì)算模型以及Jeon等[21]提出的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型等。

綜上所述，對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)軸載荷、拖拉機(jī)柴油機(jī)功率、農(nóng)機(jī)具與土壤相互作用力以及三點(diǎn)懸掛裝置載荷進(jìn)行測(cè)量和分析已有大量研究，但是缺乏對(duì)農(nóng)機(jī)具功耗的影響因素以及鏵式犁機(jī)具功率占發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的比例情況的研究。為了評(píng)估農(nóng)機(jī)的耕作效率以及農(nóng)機(jī)具的功耗占比規(guī)律，本研究開展了拖拉機(jī)搭載鏵式犁的耕作試驗(yàn)，通過測(cè)量柴油機(jī)功率、鏵式犁機(jī)具功率分析鏵式犁在不同耕作工況下的功率占比規(guī)律，以期為柴油機(jī)與鏵式犁的功率匹配以及整機(jī)參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 鏵式犁農(nóng)機(jī)

本研究所用鏵式犁農(nóng)機(jī)由雷沃歐豹M1204-D 拖拉機(jī)和五鏵犁組成，主要參數(shù)如表1 所示。其中，柴油機(jī)是由廣西玉柴機(jī)器集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的新產(chǎn)品，替代了原機(jī)88.2 kW 的柴油機(jī)。

1.2 測(cè)量設(shè)備

為了對(duì)五鏵犁的功耗進(jìn)行測(cè)評(píng)，需要測(cè)量其消耗的功率和柴油機(jī)的輸出功率，進(jìn)而分析機(jī)具所消耗功率的規(guī)律。本研究利用聯(lián)軸式拉力傳感器測(cè)量三點(diǎn)懸掛的受力，采用GPS儀測(cè)量整機(jī)耕地的速度，利用CAN總線得到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩比，從而計(jì)算得到柴油機(jī)的輸出功率。主要的測(cè)試設(shè)備如表2所示。

1.3 測(cè)量方法

在鏵式犁與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛上安裝3個(gè)拉力傳感器，該傳感器可以測(cè)量水平和垂直2個(gè)方向的拉力值。拉力測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

左右兩根拉桿與拖拉機(jī)水平中心線（Y 軸）夾角分別為α 和β（圖1A），上拉桿與拖拉機(jī)水平中心線夾角為γ。忽略耕作過程拉桿位置變化對(duì)機(jī)具受力的影響，則耕作過程鏵式犁受到的總拉力如公式（1）所示。鏵式犁所受總拉力與行駛速度的乘積即為其所消耗的功率，如公式（2）所示。

F = Fa2cosα + Fa3cosβ + Fa1cosγ + Fd1sinγ（1）

Pl = Fv （2）

式中，F(xiàn) 為鏵式犁總拉力，N；Fa2為2#下拉桿沿桿件中心線的拉力，N；Fa3為3#下拉桿沿桿件中心線的拉力，N；Fa1為1#上拉桿沿桿件中心線的拉力，N；Fd1為1#上拉桿沿桿件徑向方向的拉力，N；v 為耕地速度，m·s-1；Pl為鏵式犁機(jī)具功率，W。

通過CAN總線可以讀取柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩比。柴油機(jī)當(dāng)前扭矩通過該工況前后2個(gè)外特性試驗(yàn)工況點(diǎn)插值計(jì)算得到。該柴油機(jī)臺(tái)架測(cè)試的外特性扭矩值如圖2所示，根據(jù)公式（3）和（4）計(jì)算柴油機(jī)的輸出功率。

式中，Te為柴油機(jī)扭矩，N·m；Tf 為CAN總線扭矩比，%；n 為CAN總線柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；n1為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；n2 為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；T1 為轉(zhuǎn)速n1 對(duì)應(yīng)的外特性扭矩，N·m；T2 為轉(zhuǎn)速n2對(duì)應(yīng)的外特性扭矩，N·m；Pe 為柴油機(jī)輸出功率，kW；柴油機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速n 必需在n1和n2 之間。

得到鏵式犁機(jī)具功率和柴油機(jī)的輸出功率后，本研究重點(diǎn)分析不同耕地工況下農(nóng)機(jī)具的功率占柴油機(jī)輸出功率的百分比（β）規(guī)律，計(jì)算公式如式（5）所示。

β =（ Pl／Pe） × 100% （5）

1.4 測(cè)量工況

試驗(yàn)在山東省濱州市鄒平縣孫鎮(zhèn)全泉農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社2.67 hm2（40畝）旱地里進(jìn)行。土壤類型為壤土，深度為10 cm的土壤含水率為21.26%，土壤堅(jiān)實(shí)度為240.2 N[22]。試驗(yàn)前該地塊種植小麥，有約15 cm長(zhǎng)的麥茬。選用的輪式拖拉機(jī)變速器檔位為16+8 R，“前進(jìn)擋”由高低手柄、副變速桿和主變速桿共同決定，不同的目標(biāo)車速對(duì)應(yīng)不同的檔位組合。選取5.7、7.1 和8.9 km·h-1的目標(biāo)車速，選擇20、23 和26 cm 共3 種耕地深度進(jìn)行試驗(yàn)，方案如表3所示。固定五鏵犁的耕地深度調(diào)節(jié)刻度為23 cm，啟動(dòng)鏵式犁農(nóng)機(jī)和參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，掛擋、加速運(yùn)行至目標(biāo)速度（5.7、7.1、8.9km·h-1），然后固定手油門位置，以目標(biāo)速度耕地，完成試驗(yàn)后手油門回位，各檔位至空擋，最后停機(jī)。每組試驗(yàn)至少進(jìn)行2次，根據(jù)是否實(shí)現(xiàn)目標(biāo)速度、耕地深度，數(shù)據(jù)采集是否完整等因素確定1組數(shù)據(jù)為試驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行分析。

固定鏵式犁農(nóng)機(jī)的耕地目標(biāo)速度為5.7 km·h-1，調(diào)節(jié)五鏵犁的耕地深度調(diào)節(jié)刻度為20、23 和26 cm，其中第2個(gè)工況在上個(gè)試驗(yàn)中已經(jīng)完成。啟動(dòng)鏵式犁農(nóng)機(jī)和參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，調(diào)節(jié)檔位，固定手油門位置，進(jìn)行耕地試驗(yàn)，完成試驗(yàn)后手油門回位，各檔位至空擋，最后停機(jī)。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

1.5.1 均值分析

本研究開展了5種不同狀態(tài)的田間作業(yè)測(cè)試，通過均值來分析耕地速度和耕地深度對(duì)鏵式犁農(nóng)機(jī)耕地特性的影響。編號(hào)1、2和3是固定耕深，3種不同目標(biāo)速度的試驗(yàn)結(jié)果；編號(hào)1、4和5是固定目標(biāo)速度，3種不同耕深的試驗(yàn)結(jié)果。

1.5.2 偏差分析

鏵式犁農(nóng)機(jī)以目標(biāo)速度耕地過程，駕駛員除了操作方向盤，未干預(yù)整機(jī)控制參數(shù)，但是鏵式犁和柴油機(jī)功率等參數(shù)出現(xiàn)顯著變動(dòng)，本研究利用變動(dòng)率對(duì)這一偏差進(jìn)行了分析。變動(dòng)率常用來評(píng)估試驗(yàn)段內(nèi)某參數(shù)任意值相對(duì)于平均值的變化率。計(jì)算過程如公式（6）～（8）所示。

式中，xi為任意點(diǎn)的參數(shù)值；xˉ為試驗(yàn)段內(nèi)參數(shù)的平均值；δx 為標(biāo)準(zhǔn)偏差；Ccov 為變動(dòng)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 鏵式犁農(nóng)機(jī)不同耕地速度的測(cè)試結(jié)果分析

圖3A 是鏵式犁農(nóng)機(jī)耕地速度的對(duì)比結(jié)果。手油門拉到固定位置后，耕地速度迅速升高，但略低于目標(biāo)值，巡航耕地過程耕地速度有一定范圍的變動(dòng)，一方面是鏵式犁農(nóng)機(jī)在田間作業(yè)時(shí)車輪有一定的滑移，另一方面是土壤特性和麥茬分布有差異。此外，測(cè)試誤差也是引起變動(dòng)的原因之一。由鏵式犁農(nóng)機(jī)耕地過程中五鏵犁消耗的功率可知（圖3B），隨著耕地速度升高，五鏵犁消耗的功率增加，機(jī)具消耗的功率與耕地速度成正比。

由鏵式犁農(nóng)機(jī)耕地過程柴油機(jī)的輸出功率（圖3C）可知，隨著耕地速度升高，柴油機(jī)的輸出功率也在增加。在手油門固定的階段，駕駛員未對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行加油和制動(dòng)等人為干預(yù)，但是柴油機(jī)輸出功率變動(dòng)很大，可見鏵式犁農(nóng)機(jī)在耕地過程中，柴油機(jī)總是處于瞬變狀態(tài)，并且隨著耕地速度增加，變動(dòng)越明顯。

由鏵式犁農(nóng)機(jī)耕地過程柴油機(jī)的輸出功率（圖3C）可知，隨著耕地速度升高，柴油機(jī)的輸出功率也在增加。在手油門固定的階段，駕駛員未對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行加油和制動(dòng)等人為干預(yù)，但是柴油機(jī)輸出功率變動(dòng)很大，可見鏵式犁農(nóng)機(jī)在耕地過程中，柴油機(jī)總是處于瞬變狀態(tài)，并且隨著耕地速度增加，變動(dòng)越明顯。

由圖3E鏵式犁農(nóng)機(jī)耕地過程中的燃油流量可知，隨著耕地速度升高，整機(jī)的燃油流量增加。燃油流量的變化是引起整機(jī)性能參數(shù)變化的根本原因。

2.2 鏵式犁農(nóng)機(jī)不同耕地深度的測(cè)試結(jié)果分析

由圖4A可知，鏵式犁農(nóng)機(jī)的耕地速度略低于目標(biāo)速度運(yùn)行，總體來講滿足試驗(yàn)要求。耕深為26 cm的工況出現(xiàn)了2次速度降低的現(xiàn)象，可能是此時(shí)土壤阻力增大、麥茬纏繞或土壤堆積在犁體上。

由鏵式犁農(nóng)機(jī)耕地過程中五鏵犁消耗的功率（圖4B）可知，隨著耕地深度的增加，五鏵犁消耗的功率增加。與圖3B進(jìn)行比較，五鏵犁消耗的功率明顯小一些，可見耕地速度對(duì)機(jī)具功耗的影響十分明顯；五鏵犁消耗的功率隨耕地深度增加的變化率明顯要小于隨耕地速度增加的變化率。可見，耕地速度變化對(duì)機(jī)具功耗的影響相對(duì)耕地深度變化對(duì)機(jī)具功耗的影響更加顯著。

圖4C為鏵式犁農(nóng)機(jī)耕地過程柴油機(jī)的輸出功率， 隨著耕地深度增加，柴油機(jī)的輸出功率也在增加。與圖3對(duì)比可知，柴油機(jī)功率同樣出現(xiàn)顯著變動(dòng)，再一次證明耕地過程柴油機(jī)處于瞬變狀態(tài)。

圖4D為鏵式犁農(nóng)機(jī)耕地過程中五鏵犁功率占柴油機(jī)功率的百分比，隨著耕地深度的增加，這一百分比有顯著變動(dòng)，但是變化較小，這一規(guī)律和圖3D是一致的。

由鏵式犁農(nóng)機(jī)耕地過程燃油流量（4E）可知，隨著耕地深度增加，農(nóng)機(jī)的燃油流量增加。

2.3 鏵式犁農(nóng)機(jī)田間作業(yè)過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2.3.1 均值分析

對(duì)耕地過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，結(jié)果如表4所示。編號(hào)1、4和5固定目標(biāo)速度的3種工況，實(shí)際的耕地速度也不完全一樣，隨著耕深的增加，實(shí)際速度略有降低。編號(hào)1、2和3耕地深度不變時(shí)，鏵式犁機(jī)具功率百分比變化較小；耕地目標(biāo)速度不變時(shí)，鏵式犁機(jī)具功率百分比變化略明顯。

2.3.2 偏差分析

選擇以目標(biāo)速度巡航的耕地過程，對(duì)鏵式犁消耗的功率和柴油機(jī)輸出功率進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。由表5可知，在鏵式犁農(nóng)機(jī)以目標(biāo)速度耕地過程中，鏵式犁的功率和柴油機(jī)的功率發(fā)生較大的變動(dòng)，本研究5種試驗(yàn)鏵式犁的功率循環(huán)變動(dòng)率的平均值為9.75%，柴油機(jī)的功率循環(huán)變動(dòng)率的平均值為15.93%；固定耕地深度時(shí)，不同耕地速度時(shí)鏵式犁的功率變動(dòng)差異不明顯；固定耕地速度時(shí)，不同耕地深度時(shí)柴油機(jī)的功率變動(dòng)差異不明顯。本質(zhì)上是耕地環(huán)境參數(shù)使機(jī)具的功率發(fā)生變動(dòng)，進(jìn)而促使柴油機(jī)的功率變化，而柴油機(jī)放大了這一變化范圍。

3 討 論

本研究提出了整機(jī)狀態(tài)柴油機(jī)功率測(cè)量的新方法，并且對(duì)五鏵犁農(nóng)機(jī)耕地過程進(jìn)行了測(cè)量，得到了耕地速度、鏵式犁機(jī)具功率、柴油機(jī)功率、整機(jī)油耗等性能參數(shù)。研究結(jié)果表明，農(nóng)機(jī)耕地過程目標(biāo)速度不變，整機(jī)實(shí)際的運(yùn)行速度不能保持恒定，各性能參數(shù)波動(dòng)明顯。鏵式犁機(jī)具功率隨耕地速度升高而增大，隨耕地深度增大而增大，在以固定目標(biāo)速度耕地過程中功率會(huì)有變動(dòng)，循環(huán)變動(dòng)率的平均值為9.75%。柴油機(jī)輸出功率隨耕地速度升高而增大，隨耕地深度增大而增大，在巡航耕地過程中功率會(huì)有較大變動(dòng)，變動(dòng)率的平均值為15.93%。鏵式犁機(jī)具功率占柴油機(jī)功率的百分比為56.24%～67.30%，說明柴油機(jī)大部分的輸出功率用于機(jī)具做功。

劉明勇等[23]采用離散元法仿真對(duì)鏵式犁的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，本研究采用試驗(yàn)方法對(duì)鏵式犁耕地過程的研究更加具體，可以為農(nóng)機(jī)的作業(yè)優(yōu)化提供更為有效和直觀的參考。張啟森等[24]研究了不同驅(qū)動(dòng)方式對(duì)拖拉機(jī)性能和油耗的影響，本研究開展了農(nóng)機(jī)具功耗的影響因素研究，以及鏵式犁機(jī)具功率與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率間關(guān)系的研究，能夠?yàn)檗r(nóng)機(jī)具優(yōu)化提供實(shí)際作業(yè)的技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。本研究還發(fā)現(xiàn)鏵式犁農(nóng)機(jī)耕地過程中各部件常處于瞬變狀態(tài)，其主要原因是土壤特性有差異，耕地載荷時(shí)刻發(fā)生變化。因此，在農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、零部件選型及性能優(yōu)化等過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮瞬變工況。

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基金項(xiàng)目：湖南省十大技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目（S2021GXSDJS0003）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2022M711988）；重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（CSTB2022NSCQ-MSX1144）。