基于前后懸掛機(jī)具的農(nóng)用拖拉機(jī)性能仿真分析

趙偉，謝煜喆，劉玉高，張玉棟，杲明川，胡彩旗

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266109；2. 山東康弘機(jī)械有限公司，山東青州 262500)

農(nóng)用拖拉機(jī)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械重要的一員，能在很多工作環(huán)境中充當(dāng)動力輸出裝置，為各種類型的作業(yè)機(jī)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)[1-3]。隨著農(nóng)村勞動力的日益短缺、農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的快速發(fā)展[4-6]，人們對拖拉機(jī)各方面性能的期望和要求越來越高，如何提高拖拉機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和使用率已經(jīng)成為當(dāng)今一項(xiàng)重要的研究課題。

農(nóng)業(yè)規(guī)?；⒓s化生產(chǎn)促使大型拖拉機(jī)快速發(fā)展。目前，國內(nèi)大型拖拉機(jī)仍以后懸掛方式為主，而高效、復(fù)式、聯(lián)合作業(yè)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，功能單一、無前懸掛限制了拖拉機(jī)使用率和使用效率的提高。增加前懸掛可增強(qiáng)拖拉機(jī)掛接不同農(nóng)業(yè)機(jī)具的功能，從而使拖拉機(jī)作業(yè)方式多樣化，以滿足不同農(nóng)作物的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)的需求，提高整車效率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用[7-8]。例如拖拉機(jī)前配置馬鈴薯殺秧機(jī)、后配置馬鈴薯收獲機(jī)，或者拖拉機(jī)前配置整地機(jī)、后配置播種機(jī)等。多機(jī)具的高效復(fù)式聯(lián)合作業(yè)，使一次性田間作業(yè)替代多次操作，極大地減少機(jī)組對土壤的壓實(shí)破壞，前后懸掛機(jī)具的配置減少了拖拉機(jī)配重的使用，使動力消耗分配合理，可大幅降低污染物的排放，節(jié)約能源，為環(huán)保友好型農(nóng)業(yè)裝備開辟新的作業(yè)途徑。

為分析拖拉機(jī)同時(shí)掛接前后作業(yè)機(jī)具的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，本文以一種大型輪式拖拉機(jī)為研究對象，前配置馬鈴薯殺秧機(jī)、后配置馬鈴薯收獲機(jī)，建立整車性能評價(jià)指標(biāo)，利用AVL-cruise軟件建立仿真模型，對農(nóng)田工況下拖拉機(jī)動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析，獲得影響拖拉機(jī)性能的主要因素及其影響規(guī)律，并根據(jù)仿真分析獲得的最佳工作參數(shù)進(jìn)行田間實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真模型的合理性和可靠性，為拖拉機(jī)同時(shí)掛接前后作業(yè)機(jī)具的應(yīng)用提供支持。

1 受力分析及性能評價(jià)指標(biāo)

由于作業(yè)對象、田間作業(yè)環(huán)境以及作業(yè)種類等因素不斷發(fā)生變化，拖拉機(jī)動力難以得到最大程度的發(fā)揮。因此，前后懸掛機(jī)具的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能提高拖拉機(jī)作業(yè)效率，降低其燃油消耗。

前后懸掛機(jī)具可以由拖拉機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，均采用三點(diǎn)懸掛的方式進(jìn)行田間作業(yè)。拖拉機(jī)受到農(nóng)機(jī)具的加載特性、土壤阻力等限制，其性能與傳統(tǒng)拖拉機(jī)有明顯區(qū)別，因此需要綜合考慮拖拉機(jī)前后懸掛機(jī)具同時(shí)工作時(shí)的特性來確定動力性評價(jià)指標(biāo)。

1.1 工作阻力

拖拉機(jī)前懸掛馬鈴薯殺秧機(jī)進(jìn)行工作，可視為采用帶限深輪的浮動控制方式的田間作業(yè)，工作阻力大小為[9]：

(1)

其中：FR1為拖拉機(jī)前懸掛馬鈴薯殺秧機(jī)的水平工作阻力，N；R為農(nóng)具重力與土壤阻力的合力，N；β為R與前懸掛馬鈴薯殺秧機(jī)限深輪反力的夾角；γ為R與FR1的夾角。

所討論的拖拉機(jī)帶有前后懸掛裝置及動力輸出裝置，拖拉機(jī)不僅需要克服前懸掛馬鈴薯殺秧機(jī)作業(yè)時(shí)的工作阻力，還需要克服后懸掛馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)時(shí)的工作阻力。后懸掛工作阻力可表示為：

FR2=F1×cosα+(F2+F3)×cosθ

(2)

式中：FR2為拖拉機(jī)后懸掛馬鈴薯收獲機(jī)所需的牽引阻力，N；F1為上懸掛點(diǎn)的受力，N；F2、F3為兩下懸掛點(diǎn)的受力，N；α為上拉桿與地面夾角；θ為下拉桿與地面夾角。

1.2 最大爬坡度

要確保拖拉機(jī)具有良好的動力性能，其爬坡性能尤為重要。最大爬坡度是指在滿載條件下，汽車在良好路面上的最大爬坡能力。拖拉機(jī)爬坡時(shí)的車輛行駛平衡方程式為[10]：

Fq=Ff+FR+F

(3)

其中：Fq為拖拉機(jī)在作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的驅(qū)動力，N；Ff為滾動阻力，N；F為空氣阻力，N，拖拉機(jī)在爬坡時(shí)行駛速度不大，空氣阻力可近似為零；FR為拖拉機(jī)前后懸掛機(jī)具的工作阻力之和。所以車輛行駛方程式可簡化為：

Fq=Ff+FR

(4)

根據(jù)車輛在坡道上的附著條件可知：

Gφcosα=Gsinα+Gfcosα

(5)

即

tanαmax=φ-f

(6)

根據(jù)tanαmax=imax，可得最大爬坡度為：

imax=φ-f

(7)

公式(5)(6)中：imax為拖拉機(jī)的最大爬坡度，%；G為拖拉機(jī)及農(nóng)機(jī)具的總重力，N；α為路面坡度角；f為滾動阻力系數(shù)；φ為輪胎與路面間的附著系數(shù)，拖拉機(jī)輪胎為越野輪胎，路面為干燥狀態(tài)土路，附著系數(shù)取0.50～0.60。

根據(jù)使用要求，選擇的四輪驅(qū)動大型輪式拖拉機(jī)具有良好的附著力，可避免拖拉機(jī)驅(qū)動輪打滑，有利于充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)動力性能，以確保拖拉機(jī)在前后懸掛機(jī)具情況下能夠正常作業(yè)。

1.3 起步加速時(shí)間

拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)一般為低速行駛，不存在超車加速情況，只需計(jì)算起步加速時(shí)間，即從靜止加速到一定車速所需時(shí)間。拖拉機(jī)起步加速時(shí)間越短，則其性能越好。拖拉機(jī)加速時(shí)主要克服加速阻力，總牽引平衡方程式為[11]：

Fq=Ff+Fm

(8)

其中Fm為加速阻力。則拖拉機(jī)起步加速時(shí)間為：

(9)

其中：m為拖拉機(jī)質(zhì)量，kg；ξ為質(zhì)量換算系數(shù)；v為行駛速度，km/h。

1.4 拖拉機(jī)系統(tǒng)仿真模型的建立

1.4.1 拖拉機(jī)整車數(shù)據(jù)的確定

為確保拖拉機(jī)前后懸掛機(jī)具能正常作業(yè)，對整車進(jìn)行農(nóng)田工況下動力性及燃油經(jīng)濟(jì)性能仿真。采用KH1804大型輪式拖拉機(jī)，發(fā)動機(jī)功率為132.3 kW。拖拉機(jī)整車結(jié)構(gòu)如圖1所示，參數(shù)如表1所示。

1.馬鈴薯收獲機(jī)；2. 后懸掛裝置；3. 拖拉機(jī)；4. 前懸掛裝置；5. 馬鈴薯殺秧機(jī)。圖1 拖拉機(jī)整車結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the tractor vehicle

表1 拖拉機(jī)整車參數(shù)Table 1 Parameters of the tractor vehicle

1.4.2 整車仿真模型的建立

在AVL-cruise軟件中設(shè)置整車模塊、發(fā)動機(jī)模塊、離合器模塊、變速器模塊、主減速器模塊、差速器模塊、前后懸掛機(jī)具等效模塊、車輪模塊等相關(guān)參數(shù)(表2)，通過機(jī)械連接、電子連接和信號連接完成整車模型的搭建。

表2 仿真模型參數(shù)

AVL-cruise軟件中沒有前后懸掛機(jī)具模塊，因此利用等效模塊進(jìn)行搭建，采用flange模塊代替，將前后懸掛機(jī)具作為發(fā)動機(jī)扭矩和功率的負(fù)載部件，使用General Map模塊、Function模塊完成前后懸掛機(jī)具工作過程設(shè)置，整車仿真模型和各模塊如圖2所示。

圖2 整車仿真模型Fig. 2 Simulation model of the tractor vehicle

根據(jù)拖拉機(jī)實(shí)際作業(yè)工況，設(shè)置馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟挖掘深度為固定值180 mm，在軟件中設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算任務(wù)后進(jìn)行仿真分析。

2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)仿真結(jié)果，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 388.87 r/min，最大爬坡度為31.05%，滿足田間作業(yè)要求。

由圖3可以看出，仿真計(jì)算拖拉機(jī)起步加速過程的行駛距離(加速距離)為8.3 m。前1 s內(nèi)的行駛距離為0，說明可適當(dāng)延長拖拉機(jī)起步加速時(shí)間，以適應(yīng)土壤黏著性等，從而避免拖拉機(jī)超速運(yùn)轉(zhuǎn)和長期超負(fù)荷工作，提高拖拉機(jī)的使用壽命。

圖3 仿真計(jì)算拖拉機(jī)加速距離曲線Fig. 3 Simulation calculation of tractor acceleration distance curve注：在田間作業(yè)工況下，仿真計(jì)算拖拉機(jī)前懸掛馬鈴薯殺秧機(jī)、后懸掛馬鈴薯收獲機(jī)，100%油門開度下，從靜止加速到6 km/h。

從圖4可以看出，拖拉機(jī)從靜止加速到 6 km/h需要8.1 s，前1.1 s為加速準(zhǔn)備時(shí)間，說明拖拉機(jī)的起步階段受到前后懸掛機(jī)具的加載及土壤阻力等因素的影響。加速準(zhǔn)備時(shí)間較短則說明拖拉機(jī)具有良好的動力性能。

圖4 仿真計(jì)算拖拉機(jī)起步速度曲線Fig. 4 Simulation calculation of tractor starting speed curve注：在田間作業(yè)工況下，仿真計(jì)算拖拉機(jī)前懸掛馬鈴薯殺秧機(jī)、后懸掛馬鈴薯收獲機(jī)，100%油門開度下，從靜止加速到6 km/h。

根據(jù)搭建的AVL-cruise整車模型，在6 km/h勻速行駛工況下，設(shè)置后懸掛馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟挖掘深度為180 mm，計(jì)算拖拉機(jī)的燃油消耗率。從圖5可以看出，燃油消耗率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的上升不斷升高，說明拖拉機(jī)燃油消耗率在低速時(shí)較小，高速時(shí)較大。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，燃油消耗率為16.7 kg/h。

圖5 仿真計(jì)算拖拉機(jī)燃油消耗率Fig. 5 Simulation calculation of tractor fuel consumption rate

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

在農(nóng)田工況下，拖拉機(jī)前后懸掛機(jī)具進(jìn)行作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，配有GPS測速裝置、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速儀、計(jì)時(shí)器、流量計(jì)、米尺等設(shè)備。環(huán)境氣溫13 ℃，氣壓101 kPa，土壤為壤土，馬鈴薯種植模式為寬壟雙行，馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟挖掘深度為180 mm。每組試驗(yàn)進(jìn)行5次重復(fù)，取平均并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

田間試驗(yàn)與仿真結(jié)果如表3所示，拖拉機(jī)前后懸掛機(jī)具在田間作業(yè)時(shí)，其動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的相對誤差(仿真結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差)均較小(<4%)，說明利用AVL-cruise軟件進(jìn)行拖拉機(jī)性能仿真分析具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，拖拉機(jī)在農(nóng)田作業(yè)工況下具有良好的動力性及經(jīng)濟(jì)性，滿足拖拉機(jī)前后懸掛機(jī)具的工作性能要求。

表3 田間試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文以大型輪式拖拉機(jī)為研究對象，前懸掛馬鈴薯殺秧機(jī)、后懸掛馬鈴薯收獲機(jī)，定義農(nóng)田工況下整車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性能評價(jià)指標(biāo)，利用AVL-cruise軟件對拖拉機(jī)進(jìn)行整車建模并進(jìn)行仿真分析。結(jié)果顯示：仿真整車從靜止加速到6 km/h的起步加速時(shí)間為8.1 s，加速距離為8.3 m，勻速(6 km/h)工作時(shí)燃油消耗率為16.7 kg/h；田間試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的相對誤差小于4%。該機(jī)組具有良好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，能夠滿足實(shí)際作業(yè)性能要求。