基于保护性少耕作业耕整播一体机的轮式拖拉机牵引附着性能分析*

赵永来 ，牛文学 ，高 伟 ，冯瑞龙 ，樊 琦 ，崔文芳 ，刘 祯

（内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古 包头 014109）

0 引言

土壤碳固定是现阶段有关陆地生态系统碳循环与地球表层过程研究的重要领域[1]。保护性耕作可以提高土壤固碳效率，提高肥料利用率[2]，减少碳排放[3]，助力碳达峰、碳中和。1950年，我国开始进行免少耕播种[4]等相关技术的研究，目前我国是整个亚洲地区保护性耕作应用面积最大的国家，超过86万hm2[5]。虽然实施保护性耕作面积逐年扩大，但保护性耕作面积占比仍然不高，机械化水平也较低，特别是目前耕地犁底层厚度差异较大，传统深松尚未实现精准化和信息化，需要消耗大量的劳力与拖拉机动力，严重制约了保护性耕作的推广和农业产业的健康发展。深松作业在不翻转土壤、不打破原有土壤耕层结构的前提下，利用深松铲疏松种床土壤、打破坚硬的犁底层，有利于蓄水保墒、加深耕作层，有助于根系深扎[6]，是保护性耕作的主推技术。合理的深松和肥料分层深施可以有效促进禾豆间作系统氮素吸收、提高氮素利用效率，改善土壤理化性质，促进作物根系生长，增加作物产量[7-8]。

我国农田经过长期的种植以及机械性的压迫形成了犁底层，且犁底层厚度差异较大，保护性免耕发展虽快，但由于犁底层的存在，免耕技术效率依然较低。目前，农田采用的保护性深松设备仍存在功能单一、犁底层破坏不充分、深松铲入土性能较差、劳动强度大、效率低等缺陷。综合分析，机械化水平的落后仍然是限制保护性耕作发展的根本原因。因此，亟须对智能耕整播一体机的关键技术进行科技攻关，同时保护性少耕作业是更适合我国农田发展的耕作方式，深松作为少耕作业的代表性技术将更有利于其推广与应用[9]。智能耕整播一体机可以实现多机具高效复合式作业，有效减少机组对保护性耕作土壤的压实破坏，动力消耗分配也更加合理，污染物的排放大幅降低，节约能源的同时提高了牵引效率与燃油经济性，实现增产与减排的双赢，为今后推广保护性少耕作业、研发环保集约型农业装备开辟了新的思路与途径。

课题组针对保护性少耕作业的特征，紧密结合农艺要求，围绕集深松、整地、施肥、播种一体化技术装备，以牵引装置——轮式拖拉机为研究对象，通过对拖拉机牵引附着性能的分析，确定配套耕整播一体机下拖拉机各挡的挂钩牵引力FT和牵引效率η，分析获得最佳的田间作业参数，明确影响拖拉机牵引附着性能与牵引效率的主要因素并验证整机动力学分析的合理性和可靠性，实现拖拉机牵引附着能力与耕整播一体机的有效配合，为拖拉机牵引综合作业机具的应用提供支持。

1 保护性少耕作业耕整播一体机的设计

1.1 耕整播一体机整机设计方案

紧密结合农艺要求确定整机的作业方式，提出耕整播一体机整机设计方案并确定一体机作业技术参数，根据选定参数进行一体机整体结构及传动方式的设计。通过三维制图软件对深松铲等关键工作部件进行参数化设计及模型搭建，在三维模型的基础上对主要工作部件进行仿真模拟，测试部件在正常作业时的运动规律及零部件的强度和刚度。用离散元法进行一体机关键部件的优化设计，探究其对抛土及碎土性能的影响规律。根据JB/T 8401.1—2017《旋耕联合作业机械 第1部分：旋耕施肥播种机》评定标准对机具的耕深、碎土率、排种排肥量等指标进行现场测试与验证，再对整机田间作业测试及作业质量进行评定，设计思路如图1所示。

图1 保护性少耕作业耕整播一体机结构设计思路图

1.2 耕整播一体机结构实现

为合理改善施肥质量、优化整地效果，实现种肥同施的耕整播一体机，通过整合深松、施肥、旋耕、播种等传统工作模式，可以实现一次作业完成碎土整平、沟播分层施肥、开沟播种等功能。以智能化保护性少耕作业信息系统为依托，将土壤、环境等相关信息作为输入信号，对其分析后将深松深度、施肥量等数据作为输出信息，再利用深度学习等人工智能方法进行训练，使深松深度更加精确，施肥量更加精准，实现精准作业、变量作业，使碳消耗量、化肥消耗量降到最低。

2 拖拉机牵引附着性能

拖拉机的牵引性能是指在一定的土壤条件下拖拉机的牵引工作能力，可以用拖拉机的工作速度、牵引效率、牵引力和牵引功率来衡量。拖拉机的牵引效率是评价拖拉机牵引性能的重要指标，牵引效率可以说明发动机有效功率的利用程度，牵引效率越高，牵引附着性能越好[10]。拖拉机、拖挂车等具有牵引功能的车辆，其牵引性能的好坏都具有一定的评价指标，但不同资料中对车辆牵引性能指标的称谓有所不同[11-14]。随着农业经济的发展与生产运输过程中机械化水平的提高，农用拖拉机作为农业生产运输的重要工具之一，其在农田中的作用愈发明显[15]。农用拖拉机可以在多种工作环境中充当动力输出装置，为各类型作业机械提供配套动力，完成耕地、播种、施肥、田间管理、收获等作业[16-18]。拖拉机与农机具配套作业对拖拉机的牵引附着性能和保护性少耕作业有重要影响，正确合理的配套作业可以减少动力损失，提高生产效率，降低对耕作土壤的压实率。同时，还需要考虑拖拉机、轮胎和农机具的具体参数、土壤条件和耕作条件（作业速度、幅宽和深度等）对田间作业的影响。

拖拉机的附着性能反映了拖拉机在一定土壤条件下所发挥的附着能力，可以用拖拉机各挡的挂钩牵引力FT、牵引功率PT和牵引效率η来衡量。耕整播一体机在田间作业时，可以由拖拉机独立驱动，采用三点悬挂的方式进行，但是由于作业对象、田间作业环境以及作业种类等因素的变化，拖拉机动力难以得到最大程度的发挥。同时，拖拉机受耕整播一体机加载特性、土壤阻力等的限制，其性能与传统拖拉机有明显区别。因此，牵引机具的设计应综合考虑拖拉机牵引一体机工作时的牵引附着性能，尽可能提高拖拉机作业效率，降低其燃油消耗。

2.1 拖拉机挂钩牵引力

拖拉机挂钩牵引力反映拖拉机牵引配套农机具的能力。大马力的拖拉机在作业中主要利用挂钩工作，而挂钩牵引力功率是由牵引力大小和牵引速度共同决定的。当拖拉机经过驱动链传给牵引力装置时，大部分能量浪费在牵引装置与土壤的相互作用上[19]。拖拉机与耕整播一体机配套作业时的受力分析如图2所示。

图2 拖拉机与耕整播一体机配套受力图

图中，G为拖拉机的重力，单位为N；Ff1、Ff2为从动轮、驱动轮的滚动阻力，单位为N；Fz1、Fz2为土壤对从动轮、驱动轮的垂直反力，单位为N；Gl为耕整播一体机的重力，单位为N；作用在一体机质心的作用线与驱动轮几何中心的垂直平面距离为al；Rl为土壤对一体机的总耕作阻力在垂直面内的分力，单位为N。为了简化分析，假定其作用线通过一体机的质心。

根据拖拉机挂钩牵引受力分析，得出：

式中，FT为拖拉机挂钩牵引力，单位为N；Fq为拖拉机的切线驱动力，单位为N；Ff为拖拉机的滚动阻力，单位为N。

切线驱动力Fq可由发动机转矩决定，计算得出：

式中，Tq为发动机转矩，单位为N·m；ie为传动系工作挡的总传动比；ηc为传动系效率；rd为驱动轮的动力半径（驱动轮圆心到地面距离）。

式中，f为滚动阻力系数；G为拖拉机的重力，单位为N；M为拖拉机使用时质量，单位为kg；其中，g=9.8 m/s2。

田间作业时，切线驱动力Fq受到地面附着条件的限制，切线驱动力应不高于拖拉机的附着力，即Fq≤Fφ，Fφ为附着力。

式中，φ为附着系数；Gφ为拖拉机附着重量，对于履带和四轮驱动拖拉机，附着重量等于拖拉机使用重量（Gφ=G）。

2.2 拖拉机的功率利用率

轮式拖拉机带牵引农具或悬挂农具在水平区段上稳定工作时，发动机发挥的有效功率的利用和分配可由以下公式来表示：

式中，Pe为发动机的有效功率，单位为kW；PT为拖拉机的牵引功率，单位为kW；Pδ为行走机构的滑转消耗功率，单位为kW；Pc为拖拉机传动系统损失的功率，单位为kW；Pf为克服拖拉机滚动阻力而损失的功率，单位为kW；FT为拖拉机挂钩牵引力，单位为kN；Fq为拖拉机切线驱动力，单位为kN；Ff为拖拉机的滚动阻力，单位为kN；v为拖拉机实际行驶速度，单位为km/h；v1为拖拉机理论行驶速度，单位为km/h。

2.3 拖拉机的牵引效率

轮式拖拉机的牵引效率是评定拖拉机牵引性能的一个重要指标，其表示拖拉机的综合功率损失，通常用拖拉机的牵引功率PT和相应的发动机有效功率Pe的比值来表示。牵引功率为挂钩牵引力和速度的乘积，其表征拖拉机潜在的生产能力。

式中，ηT为拖拉机的牵引效率；ηc为传动系统效率；ηf为滚动效率；ηδ为滑转效率；ηx为行走系效率；Pq为传动系传至驱动轮的功率，单位为kW；PTmax为最大牵引功率，单位为kW；P为发动机额定功率，单位为kW。

牵引效率的数值说明发动机有效功率以牵引作业方式输出时其损失相对程度。由式（12）可知，滑转率越大造成牵引功率的损失也就越大。通常，拖拉机在中等湿度和茬地工作时，轮式拖拉机的最大牵引效率可达55%，履带拖拉机可达70%左右。

3 拖拉机牵引附着性能分析与计算

犁耕土壤是农业生产中的重要环节，耕整播一体机在田间作业时，与拖拉机采用三点悬挂的方式，由拖拉机后动力输出轴向一体机传送动力，通过调整电液悬挂装置来完成田间作业的农艺要求。拖拉机能够发挥较大的牵引力并实现较高的牵引效率，以克服机具作用于土壤产生的耕作阻力，实现功率与牵引功率的高效转换与节能减排，但是驱动力（牵引力）、滚动阻力、滑转率、附着系数等参数对牵引附着性能会产生一定影响。

3.1 牵引效率的影响因素分析

在保护性少耕作业中，拖拉机的牵引效率是重要的参数，但其影响因素较多，如传动效率、滚动效率、滑转效率、土壤条件等。由式（9）可知，传动系统效率、滚动效率和滑转效率三者的乘积即为拖拉机的牵引效率。传动效率为传动系统机械效率和履带驱动段机械效率两项的乘积。其中，传动系统效率受到设计与制造等因素的制约，若要对其进行提高比较困难，对于某一固定作业的拖拉机，传动系统效率可以看作是一个固定值；滚动效率反映了驱动轮的驱动力转换成挂钩牵引力的效率，其取决于挂钩牵引力和驱动力的比值，在不加大滚动阻力的情况下，滚动效率随挂钩牵引力的增大而提高，一般农用拖拉机滚动效率取0.9左右；滑转效率表明了牵引功率的损失情况，其随挂钩牵引力的增大而降低，其数值取决于滑转率的大小，而影响滑转率的主要因素有行走机构的型式、结构和尺寸、土壤的力学性质、湿度以及拖拉机的挂钩负荷等。其中，土壤表层的湿度对拖拉机的滑转率影响极大。在土壤容积密度和土壤坚实度不同的条件下，拖拉机的最大牵引效率也不同。耕作地表疏松，土壤坚实度就较低，牵引效率也随之降低。当最大牵引效率发生时，拖拉机所能提供的最大牵引力基本相同，但此时轮胎的滑转率不同[20]。在同一种路面或耕作土壤的情况下，牵引效率先是随着滑转率的增大而快速提高，当滑转率增加到某一数值时，牵引效率达到最大，但其后牵引效率随滑转率的增加呈下降趋势，且随着滑转率的增加，牵引效率的下降幅度大于其增加幅度。

3.2 拖拉机附着性能的影响因素分析

在田间作业过程中，由于土壤环境复杂、负载波动较大等因素的影响，导致工作阻力变化范围较大，极易产生过大的驱动轮滑转[21]。分析路面附着系数对轮胎牵引力的影响可知，轮胎的牵引力随着附着系数的变化而变化，当轮胎和地面接触，轮胎接地印记上承受切向力时，轮胎就会出现滑转。一般情况下，轮胎初始的滑转主要由轮胎的弹性形变引起，因而一开始车轮力矩与驱动力随滑转率呈线性关系增加；当车轮力矩和驱动力进一步增加而导致部分轮胎胎面在地面上滑转时，驱动力和滑转率变为非线性的关系。相关研究表明，将滑转率控制在0.1~0.15之间时，轮式拖拉机会有较高的牵引效率[22]。若驱动轮滑转率超过0.2，则会损坏土体结构，加剧轮胎磨损，增加发动机能耗，降低拖拉机的牵引效率，进而严重破坏禾豆间作农作物的生长环境。当滑转率进一步增加时，还会导致轮胎的不稳定工况，驱动力系数也会从峰值很快下降到纯滑转（即δ=100%时）。

3.3 拖拉机牵引性能的分析与测算

拖拉机与农业机械进行配套设计时，需要检验拖拉机的牵引性能是否满足牵引耕作的农艺要求，通过理论计算出拖拉机各耕作速度下的挂钩牵引力、传动系统效率的大小，其是衡量拖拉机整机的重要指标，影响着拖拉机整机的生产率和经济性。根据耕整播一体机的牵引要求，试验设计采用了约翰迪尔1204拖拉机进行牵引，其主要工作装置包括动力输出装置、牵引装置、液压悬挂装置及底盘等。耕整播一体机主要技术参数如表1所示，拖拉机主要技术参数如表2所示。测试并计算出拖拉机在给定速度下的牵引力、传动系统效率等参数，并进行对比分析。

表1 耕整播一体机主要技术参数

表2 拖拉机主要技术参数

测试结果与分析如下：

本试验的拖拉机主要用于作业环境比较稳定且地面比较平整的试验区，所以设计车速不大于10 km/h，确定拖拉机基本挡位理论作业速度为3 km/h~10 km/h。结合耕作土壤滑转率因素测得拖拉机基本挡位实际耕作速度，根据表1中的已知参数，选择试验区已耕地、沙壤土地、胶红沼泥地进行对比测算，根据测试结果由公式（6）~（15）计算出拖拉机挂钩牵引力与传动效率，测试数据以曲线形式表示，耕作速度与挂钩牵引力、传动系统效率的关系如图3和图4所示。

图3 挂钩牵引力与耕作速度的关系图

图4 传动系统效率与耕作速度的关系图

分析图3可知，拖拉机挂钩牵引力随着耕作速度的加快呈现逐渐减小的趋势，当实际耕作速度在2.64 km/h~8.80 km/h（分别为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）范围内变化时，拖拉机挂钩牵引力降幅分别为25%、20%、16.67%、14.28%、12.5%、11.11%、10%，且随着耕作速度的加快，其降幅比例逐渐降低。挂钩牵引力随耕作地表条件不同而差异明显，当耕作速度为2.64 km/h和3.52 km/h时，在沼泥地、已耕地、沙壤土三种地表条件下拖拉机的挂钩牵引力分别为66.15 kN、56.52 kN、48.11 kN和49.61 kN、42.39 kN、36.08 kN，已耕地和沙壤土较沼泥地条件下挂钩牵引力分别降低14.57%和27.27%，同一拖拉机耕作速度下，挂钩牵引力：沼泥地＞已耕地＞沙壤土。分析得出，拖拉机耕作速度介于2.64 km/h~4.40 km/h之间可以发挥较大的挂钩牵引力，但因为土壤类型的不同，力学性质出现了明显差异，其土壤的附着性能也发生了显著的变化，导致了土壤条件对拖拉机的牵引性能的影响显著，拖拉机在坚实的土壤条件下牵引性能较好，在松软的土壤条件下牵引力较低。

分析图4可知，拖拉机驱动功率随着耕作速度的加快呈现逐渐增大的趋势，当实际耕作速度在2.64 km/h~8.80 km/h（分别为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）范围内变化时，沼泥地条件下拖拉机传动系统效率增幅分别为5.09%、4.86%、4.64%、4.41%、4.25%、4.06%、3.92%，平均增幅为4.46%，已耕地条件下传动系统效率平均增幅为4.02%，沙壤土条件下平均增幅为3.27%。随着耕作地表逐渐疏松，其平均增幅呈下降趋势，同一耕作速度下，传动系统效率：沼泥地＞已耕地＞沙壤土。当拖拉机耕作速度为7.92 km/h和8.80 km/h时，在沼泥地、已耕地、沙壤土三种地表条件下拖拉机的传动系统效率分别为86.73%、70.44%、55.17%和90.27%、73.05%、56.85%，表明耕作速度越快，传动系统效率越高。

4 结论

1）结合农艺要求确定整机的作业方式，提出耕整播一体机整机设计方案并确定一体机作业技术参数与配套实施方案。再依据一体机的作业要求，从结构上实现种肥同施的耕整播一体机作业效果，并阐述拖拉机的牵引附着性能，通过对拖拉机与耕整播一体机配套作业时的受力分析，得出挂钩牵引力、传动系统效率等理论公式。

2）分析影响牵引附着性能的因素，结合试验区实际地表状况与相关参数，测试并测算出拖拉机挂钩牵引力、传动系统效率与耕作速度的变化关系，拖拉机挂钩牵引力随着耕作速度的加快呈现逐渐减小的趋势，当实际耕作速度在2.64 km/h~8.80 km/h（分别为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）范围内变化时，拖拉机挂钩牵引力降幅分别为25%、20%、16.67%、14.28%、12.5%、11.11%、10%，拖拉机耕作速度介于2.64 km/h~4.40 km/h之间，可以发挥较大的挂钩牵引力。拖拉机传动系统效率随着耕作速度的加快呈现逐渐增大的趋势，当实际耕作速度在2.64 km/h~8.80 km/h（分别为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）范围内变化时，沼泥地、已耕地、沙壤土条件下拖拉机传动系统效率平均增幅分别为4.46%、4.02%、3.27%。