基于OECD規(guī)則試驗(yàn)報(bào)告的輪式拖拉機(jī)牽引性能研究

關(guān)鍵詞：輪式拖拉機(jī)；牽引性能；牽引功率；動(dòng)力換擋；OECD規(guī)則

0 引言

“十四五”時(shí)期，“三農(nóng)”工作重心轉(zhuǎn)向全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興、加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化新階段，對(duì)農(nóng)機(jī)的需求，正由部分品種生產(chǎn)的局部需求，轉(zhuǎn)變?yōu)榉N養(yǎng)加全鏈條的需求，從非剛性需求轉(zhuǎn)變?yōu)殡x不開(kāi)、還要好的剛性需求[1]。拖拉機(jī)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)最主要?jiǎng)恿C(jī)械，在犁耕、深松、旋耕、播種和田間管理等工作過(guò)程中扮演著非常重要角色，其技術(shù)水平在很大程度上體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度和農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平[2-3]。

牽引性能是指在規(guī)定條件下拖拉機(jī)所發(fā)揮的牽引工作能力及其效率，它是拖拉機(jī)的重要性能之一，直接關(guān)系到拖拉機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，影響作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效果[4]。裝配相同功率的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，具有大的牽引力和牽引功率的拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)會(huì)更加輕便省力[5]。拖拉機(jī)牽引性能通常通過(guò)牽引功率試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)，本研究通過(guò)分析OECD拖拉機(jī)試驗(yàn)規(guī)則（以下簡(jiǎn)稱OECD規(guī)則）下檢驗(yàn)報(bào)告中牽引功率相關(guān)數(shù)據(jù)，研究拖拉機(jī)牽引性能特點(diǎn)，為我國(guó)輪式拖拉機(jī)研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用提供參考[6]。

1 OECD規(guī)則及試驗(yàn)方法

1.1 OECD規(guī)則

OECD規(guī)則是經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OrganizationforEconomicCo-operationandDevelopment）屬下的拖拉機(jī)官方試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則組織制訂的用于拖拉機(jī)試驗(yàn)的一系列標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際上最先進(jìn)、應(yīng)用最為廣泛的拖拉機(jī)試驗(yàn)規(guī)則，對(duì)推動(dòng)不同國(guó)家拖拉機(jī)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果互認(rèn)，促進(jìn)拖拉機(jī)國(guó)際貿(mào)易發(fā)揮重大作用[7-8]。目前，OECD拖拉機(jī)官方試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則組織共發(fā)布OECD規(guī)則10個(gè)，其中OECD規(guī)則2《農(nóng)業(yè)和林業(yè)拖拉機(jī) 性能試驗(yàn)》規(guī)定了輪式和履帶式拖拉機(jī)整機(jī)動(dòng)力輸出軸、液壓提升、牽引功率等試驗(yàn)的試驗(yàn)要求、程序和試驗(yàn)報(bào)告格式等內(nèi)容[9]。

1.2 牽引功率試驗(yàn)方法

OECD規(guī)則2規(guī)定：拖拉機(jī)為無(wú)配重狀態(tài)（帶配重試驗(yàn)為選做試驗(yàn)），在清潔、水平、干燥和接縫盡可能少的混泥土路面或?yàn)r青路面上進(jìn)行，輪胎的胎紋高度至少為全新輪胎的65％，環(huán)境溫度≤35°C，大氣壓力≥96.6kPa，牽引桿的高度應(yīng)使拖拉機(jī)發(fā)出最大牽引功率時(shí)不失去對(duì)拖拉機(jī)方向的控制，并且高度保持固定不變。試驗(yàn)要至少在比拖拉機(jī)能發(fā)出最大牽引功率的擋位高一個(gè)擋位到比能發(fā)揮最大牽引力的擋位低一個(gè)擋位之間的各擋位進(jìn)行，記錄拖拉機(jī)各擋位的最大牽引功率、牽引力、行駛速度、滑轉(zhuǎn)率、牽引比油耗及環(huán)境條件等數(shù)據(jù)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)速器應(yīng)置最大功率位置，輪式拖拉機(jī)輪胎平均滑轉(zhuǎn)率≤15％。對(duì)于無(wú)級(jí)變速輪式拖拉機(jī)，則在2.5～17.5km/h速度范圍內(nèi)選取至少7個(gè)速度大小間隔均勻的前進(jìn)速度（傳動(dòng)比）進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源

查閱了近年依據(jù)OECD規(guī)則2批準(zhǔn)的動(dòng)力輸出軸功率47.04kW以上、安裝安全駕駛室的四輪驅(qū)動(dòng)輪式拖拉機(jī)試驗(yàn)報(bào)告（以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)報(bào)告），共計(jì)74份。從試驗(yàn)報(bào)告中提取拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸標(biāo)定功率、無(wú)配重狀態(tài)下最大牽引力、最大牽引功率和最大牽引功率下?tīng)恳扔秃牡仍囼?yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)拖拉機(jī)換擋方式、無(wú)配重質(zhì)量（最小使用質(zhì)量）、發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率等技術(shù)規(guī)格參數(shù)[10]。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)報(bào)告中，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率有31份，動(dòng)力輸出軸標(biāo)定功率與發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率百分比均值86%。動(dòng)力輸出軸標(biāo)定功率是在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸對(duì)外輸出的最大功率。動(dòng)力輸出軸試驗(yàn)是將拖拉機(jī)通過(guò)動(dòng)力輸出軸與測(cè)功機(jī)相連，在發(fā)動(dòng)機(jī)充分預(yù)熱達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行的2h試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境和工況可控性高，檢測(cè)結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率相關(guān)性強(qiáng)，因此以86%為系數(shù)，推算出沒(méi)有明示發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率，結(jié)果保留2位小數(shù)[11-12]。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)描述性分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況如表1所示，試驗(yàn)拖拉機(jī)技術(shù)規(guī)格方面，最小使用質(zhì)量最大值24514.00kg、最小值2595.00kg，最大值是最小值的9.4倍；發(fā)動(dòng)機(jī)功率范圍從60～414kW，覆蓋范圍大。受技術(shù)規(guī)格影響，試驗(yàn)拖拉機(jī)牽引性能輸出也存在較大差異，動(dòng)力輸出軸標(biāo)定功率、最大牽引力、最大牽引功率最大值分別是最小值的7.0、9.1和9.6倍。最大牽引功率工況下?tīng)恳扔秃木?74.59g/（kW·h）。試驗(yàn)拖拉機(jī)中動(dòng)力換擋拖拉機(jī)31臺(tái)，無(wú)級(jí)變速拖拉機(jī)27臺(tái)，合計(jì)占比達(dá)到78.4%。

3 牽引性能分析

3.1 不同標(biāo)定功率下?tīng)恳阅?/p>

拖拉機(jī)上所有能量的本質(zhì)來(lái)源是發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，因此以發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率為基準(zhǔn)，研究每單位標(biāo)定功率下最大牽引力（最大牽引力比值）、每單位標(biāo)定功率下最大牽引功率（最大牽引功率百分比）和最大牽引功率比油耗情況[13]。

不同標(biāo)定功率試驗(yàn)拖拉機(jī)最大牽引力比值、最大牽引功率百分比和牽引比油耗如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，試驗(yàn)拖拉機(jī)最大牽引力比值最小值373.92N/kW，63個(gè)試驗(yàn)拖拉機(jī)最大牽引力比值gt;400N/kW，占比85.1%。64個(gè)試驗(yàn)拖拉機(jī)最大牽引功率百分比gt;75%，占比86.5%，其中最大牽引功率百分比在79%～84%之間的試驗(yàn)拖拉機(jī)數(shù)量37個(gè)，占比達(dá)到50%。在拖拉機(jī)標(biāo)定功率gt;140kW后，牽引比油耗趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定在250g/（kW·h）；拖拉機(jī)標(biāo)定功率gt;220kW時(shí)，牽引比油耗下降至235g/（kW·h）。除個(gè)別點(diǎn)外，拖拉機(jī)標(biāo)定功率gt;110kW時(shí)，隨著標(biāo)定功率增大，試驗(yàn)拖拉機(jī)最大牽引力比值、最牽引功率百分比、牽引比油耗趨于平穩(wěn)，當(dāng)標(biāo)定功率gt;180kW時(shí)，最大牽引力比值、最牽引功率百分比、牽引比油耗集中趨勢(shì)更加明顯，并且最大牽引力比值有下降趨勢(shì)。

按照拖拉機(jī)功率分類方法，將試驗(yàn)拖拉機(jī)分為中型、大型和重型3類，得到試驗(yàn)拖拉機(jī)牽引性能如表2所示[14]。由表2可知，重型拖拉機(jī)各項(xiàng)牽引性能指標(biāo)均優(yōu)于大型拖拉機(jī)；大型拖拉機(jī)與中型拖拉機(jī)相比，雖然最大牽引力比值均值比中型拖拉機(jī)小0.25%，但是最大牽引功率百分比均值較中型拖拉機(jī)提高2.17%，牽引比油耗均值較中型拖拉機(jī)降低5.81%，因此大型拖拉機(jī)綜合牽引性能優(yōu)于中型拖拉機(jī)。

3.2 不同使用比質(zhì)量下?tīng)恳阅?/p>

拖拉機(jī)使用質(zhì)量直接影響拖拉機(jī)附著力，進(jìn)而影響拖拉機(jī)牽引性能[15-16]。不同標(biāo)定功率拖拉機(jī)的最小使用比質(zhì)量如圖3所示，試驗(yàn)拖拉機(jī)最小使用比質(zhì)量平均值56.19kg/kW、最小值37.64kg/kW，70個(gè)試驗(yàn)拖拉機(jī)的最小使用比質(zhì)量均gt;44kg/kW，占比94.6%；拖拉機(jī)標(biāo)定功率gt;110kW，最小使用比質(zhì)量波動(dòng)收窄。綜合牽引性能隨功率變化情況可以得出，隨著拖拉機(jī)標(biāo)定功率增加，拖拉機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)更加科學(xué)合理，拖拉機(jī)綜合性能更好。

將最小使用比質(zhì)量聚類劃分后，牽引性能如表3所示。由表3可知，最大牽引力比值均值、牽引比油耗均值隨著最小使用比質(zhì)量增大而增大，最大牽引功率百分比均值先增大后減小。其中，牽引比油耗均值在最小使用比質(zhì)量≥60kg/kW時(shí)增大幅度較高。經(jīng)征求行業(yè)多位專家意見(jiàn)，最大牽引力比值、最大牽引功率比值和牽引比油耗比值指標(biāo)權(quán)重依次確定為0.3、0.4、0.3。將不同最小使用比質(zhì)量下的牽引性能指標(biāo)歸一化后，得到相應(yīng)的得分。從得分可以看出，50～55kg/kW是發(fā)揮最優(yōu)牽引性能的最小使用比質(zhì)量區(qū)間，其次可以選擇55～60kg/kW。

3.3 不同換擋方式下?tīng)恳阅?/p>

傳動(dòng)系由機(jī)械換擋向動(dòng)力換擋、無(wú)級(jí)變速轉(zhuǎn)變是實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自動(dòng)控制，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)、無(wú)人農(nóng)場(chǎng)的基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)[17]。

不同換擋方式試驗(yàn)拖拉機(jī)牽引性能如表4所示。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，機(jī)械換擋傳動(dòng)應(yīng)用于中、大型拖拉機(jī)，動(dòng)力換擋傳動(dòng)應(yīng)用于大、重型拖拉機(jī)，無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)應(yīng)用于更大功率拖拉機(jī)。無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)拖拉機(jī)與動(dòng)力換擋傳動(dòng)拖拉機(jī)相比，最大牽引力比值均值提高6.3%，牽引比油耗均值增加3.4%，最大牽引功率百分比均值基本無(wú)差異，因此動(dòng)力換擋和無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)拖拉機(jī)牽引性能各有優(yōu)勢(shì)，動(dòng)力換擋傳動(dòng)拖拉機(jī)有較低的燃油消耗量（即較好經(jīng)濟(jì)性），無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)拖拉機(jī)有很強(qiáng)的動(dòng)力性（即大負(fù)荷通過(guò)性）。動(dòng)力換擋、無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)拖拉機(jī)與機(jī)械式傳動(dòng)拖拉機(jī)相比，最大牽引力比值均值、最大牽引功率百分比均值分別提高15.5%、22.9%和5.1%、4.6%，牽引比油耗分別降低8.8%、5.7%，表明動(dòng)力換擋和無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)拖拉機(jī)較機(jī)械式傳動(dòng)拖拉機(jī)具有更好牽引性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究OECD規(guī)則試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)可以得出，無(wú)配重狀態(tài)下，四輪驅(qū)動(dòng)輪式拖拉機(jī)最大牽引力比值gt;400N/kW的試驗(yàn)拖拉機(jī)占比85.1%；最大牽引功率百分比gt;75%的試驗(yàn)拖拉機(jī)占比86.5%，試驗(yàn)拖拉機(jī)最大牽引功率工況下?tīng)恳扔秃淖钚≈?33.00g/（kW·h）、平均值274.59g/（kW·h）；隨著拖拉機(jī)標(biāo)定功率增大，最大牽引力比值、最大牽引功率百分比、牽引比油耗波動(dòng)范圍收窄；重型拖拉機(jī)牽引性能最好，大型拖拉機(jī)牽引性能次之。94.6%的試驗(yàn)拖拉機(jī)最小使用比質(zhì)量gt;44kg/kW，發(fā)揮最優(yōu)牽引性能的最小使用比質(zhì)量區(qū)間50～55kg/kW。動(dòng)力換擋、無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)拖拉機(jī)具有更好的牽引性能。

拖拉機(jī)是農(nóng)機(jī)工業(yè)核心，當(dāng)前，在加快建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)，補(bǔ)短板、強(qiáng)弱項(xiàng)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化高質(zhì)量發(fā)展背景下，研究OECD規(guī)則試驗(yàn)報(bào)告中拖拉機(jī)牽引性能，對(duì)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步具有重要借鑒意義。