拖拉机驱动系统对其性能和油耗的影响及试验研究

张启森

(江苏联合职业技术学院 无锡汽车工程分院,江苏 无锡 214153)

0 引言

拖拉机是农业生产的重要组成部分,由于燃料价格的不断上涨和燃料污染物对环境的影响,优化拖拉机油耗系统对于提高作业效率、减少生态环境污染具有重要意义[1-3]。拖拉机发动机的动力是通过拖拉机驱动轮与土壤的相互作用转化为牵引力的,通过提高拖拉机的牵引性能,增加拖拉机的牵引力,进行耕作等作业。大量研究表明:通过轮胎和土壤表面的相互作用,20%～55%的拖拉机动力由于车轮打滑、滚动阻力以及轮胎和土壤变形而损失[4-5]。因此,拖拉机的牵引性能主要受车辆设计参数、附件和土壤条件的影响。通过正确管理拖拉机相关技术参数(如轮胎充气压力、轮载、驱动轮数和驱动系统类型),对于优化拖拉机的牵引性能、降低燃料消耗、提高田间生产率具有重要意义[6-8]。

提高牵引机的工作宽度,以产生最大的牵引力,是充分利用牵引机动力的方法之一[9-10]。但是,在大多数情况下,过大的拉力会导致拖拉机的车轮滑动超过允许的极限,此时会发生强烈的土壤压实,使得作物产量下降。防止土体压实的允许滑移限为10%～15%,使用重型拖拉机可以实现最大牵引力滑移小于10%,而超重携带会导致燃料消耗增加和土壤压实[11]。

影响轮土相互作用的参数分为3大类:①轮胎设计参数,如直径、宽度、高度、充气压力、柔性;②土壤性质参数,如土壤类型、土壤水分、圆锥指数;③系统参数,如轮载、轮速。相关研究表明:滚动阻力与轴向载荷直接相关,与充气压力成反比关系[12-15]。降低轮胎的充气压力或增加轮胎的轴向载荷,会导致轮胎与底面接触面积增大。相关研究表明,减少滑动和滚动阻力的方法之一是增加轮胎与土壤的接触。研究人员采用人工神经网络预测方法,以轮胎与土的接触程度作为输入函数,以滚动阻力作为输出函数,研究结果表明,轮胎滚动阻力和轮胎与土壤接触面积密切相关,降低充气压力可以减少滑移和油耗,提高牵引效率,但是会缩短轮胎的寿命[16-17]。在拖拉机上增加压载质量可以减少滑移,同时也会增加燃料消耗和土壤压实度。

近期研究得到了3种土壤力学条件下的滚动阻力和土壤锥指数,在此基础上确定了滚动阻力、地压参数与轮胎下沉的关系[18-19]。结果表明:尽管四轮驱动(4WD)拖拉机在所有土壤条件下具有较高的质量,但滚动阻力较小,牵引性能更好。根据表土的结果,与轴重较高的四轮驱动拖拉机相比,轴重较低的后轮驱动(RWD)拖拉机产生的土壤压实度更高,但在底土中4WD拖拉机比RWD拖拉机更容易压实土壤。

本研究选取两轮驱动(2WD)和四轮驱动(4WD)拖拉机为研究对象,分析了轮胎充气压力和压载质量对拖拉机打滑和油耗的影响。结果表明:在所有测试中,4WD系统发生的滑移最小,但是2WD系统得到了最小和最大油耗,说明2WD系统对轮胎压力和压载质量更敏感,可以降低油耗。通过建立计算拖拉机前轮和后轮充气压力组合的数学方法,为拖拉机的前轮驱动车轮提供适当的引线。为此,试验研究了2、4、6km/h等3个水平的前进速度和10、20、30cm等3个水平的耕作深度对能量指标的影响,研究结果可为优化拖拉机的牵引性能、降低燃料消耗提供技术参考与理论依据,对于提高田间生产率具有重要意义。

1 材料与方法

为了比较拖拉机在不同模式下的牵引性能,在进行试验之前用串联式圆盘耙在10cm深的地方犁地,土壤质地为壤土粘质,在整个试验点中随机选择30个点,分别在0～25和25～50cm深度测量水分和其他土壤性质,如表1所示。

表1 试验区域土壤的物理特性Table1 Physical properties of soil in test area

本研究以牵引车驱动系统类型(四轮驱动、RWD、FWD)、轮胎充气压力(170、200、230kPa)、载重(0、60、120kg)和牵引力(2、6、10kN)为研究对象,探讨牵引车牵引性能的影响。测量指标包括驱动轮滑移、拖拉机滚动阻力和油耗,利用滑移阻力和滚动阻力值计算了拖拉机的牵引效率。

试验材料为一辆四轮驱动的Goldoni 240拖拉机,相关技术参数如表2所示。在转弯相关实验中,将拖拉机前后差速器禁用,使拖拉机可以作为RWD或FWD运行。拖拉机的理论前进速度为3.9km/h。

表2 拖拉机的技术参数Table 2 Technical parameters of tractor

方向盘拖拉机的速度是衡量一个电感式接近传感器,如图1所示。

数字式显示装置(MP5W-44由autonics公司生产):脉冲计附有磁传感器,可显示齿轮齿数。这个数字除以34,确定动态滚动半径,在计算后轮周长时考虑了动态滚动半径[20],即

(1)

其中,va为实际速度(m/s);vt为理论速度(m/s)。

在四轮驱动模式下,前后轮滑移都必须计算。前后轮滑移关系计算为

(2)

其中,Sfront为前轮打滑;Srear为后轮打滑;Ks为前后轮的理论速比。在四轮驱动汽车中,Ks表示前后轮角速度比的常数。由于被试拖拉机前后轮尺寸相同,两轴的角速度和滑移量是相等的。

采用三点悬挂测力仪测量拉力,每个传感器都有8个电阻-应变计来测量每个臂上的水平力,结果如图2所示[21]。

图2 带五齿凿的三点悬挂测功机Fig.2 Three-point hitch dynamometer with five-tooth chisel

为了在与驱动系统类型相对应的试验中获得拖拉机运行时的最佳轴重,因此在驱动桥上分配安装所需的镇流器质量。在四轮驱动模式下,镇流器质量平均安装在前轮和后轮上;在前驱模式下,镇流砝码安装在前轮上;在RWD模式下,镇流砝码安装在后轮上。各轴在不同试验条件下的静、动载荷如表3所示。所有数据以500Hz的频率通过LabviewTM软件程序进行记录。

表3 不同的运动系统与牵引力下施加在拖拉机前后轴上的动、静态质量Table 3 Dynamic and static weights applied to the front and rear axles of the tractor under different motion systems and traction forces

2 结果与分析

为了确定在不同张力下拖拉机在四驱车、二驱车和三驱车运动系统中的最佳牵引性能及试验因素对拖拉机牵引性能的影响,对滑移率、牵引效率、油耗、比油耗等多项评价指标以及拖拉机的滚动阻力进行了测量,计算了每次试验的牵引效率。通过评估运动系统、拉力、轮胎充气压力和压载质量等变量得出的方差分析(ANOVA)结果,如表4所示。

表4 方差分析的结果Table 4 Results of ANOVA

2.1 驱动系统、充气压力和压载质量对拖拉机滚动阻力的影响

驱动系统、充气压力和压载质量对拖拉机滚动阻力的交互影响如图3所示。由于4WD系统的滚动阻力小于其他系统,因此通过降低充气压力和压载质量来降低滚动阻力。相比其他因素,4WD系统对滚动阻力的影响更大。4WD系统在最临界状态(即充气压力为230kPa,压载质量为180kg)时,产生的滚动阻力小于其他系统的最佳状态(即充气压力为170kPa,压载质量为60kg)。根据回归方程,4WD系统对增加膨胀压力和压载质量敏感性较差,且随着上述因素水平的增加滚动阻力的变化较小。使用4WD系统代替2WD系统,驱动轮与土壤接触面积增加了1倍,与前期研究结果相符,故增加驱动轮与土壤的接触面积是降低滚动阻力的有效途径。

图3 驱动系统、充气压力和压载质量对拖拉机滚动阻力的交互影响Fig.3 Interaction of drive system, charge pressure and ballast weight on tractor rolling resistance

通过减小充气压力来减小滚动阻力的原因是:随着充气压力的减小,车轮与土壤的接触面积增大,则施加在土壤上的压力减小,导致车轮在土壤中的下沉量减少。增加膨胀压力和压载质量,会增加施加在土壤上的压力。已有研究表明,施加在土体上的压力值和轮胎在土体中的下沉引起的能量耗散是滚动阻力增大的主要原因。

2.2 驱动系统、充气压力和驱动轮滑移拉力相互作用

驱动系统、充气压力和牵引力对驱动轮滑移的三重相互作用结果如图4所示。驱动轮滑移是通过提高拉力而增加的,由于车轮与土壤接触面积的增加而降低了膨胀压力,导致滑移减少。图4中曲线的分析表明,驱动系统的类型是减少驱动轮打滑的最重要因素。在使用4WD系统时,在所有拉力水平上产生最小的打滑,在10kN拉力和4WD系统下,车轮打滑量明显小于6kN;使用4WD系统可以在不超过允许滑移的情况下获得更高的拉力;相比之下,FWD和RWD系统超出了6～10kN牵引力的允许滑移。此外,由曲线可以看出:在较高的充气压力下,由于驱动轮与土的接触面积较低,随着充气压力的增大,车轮滑移量增大。由图4中曲线的斜率可以确定在低拉力情况下膨胀压力的变化对滑移量的变化影响不大,但在更高的拉力下膨胀压力的增加会导致滑移的剧烈变化。此外,通过分析曲线的斜率,可以发现4WD系统对膨胀压力和拉力的变化敏感度较低。驱动轮滑移率对充气压力的回归拟合方程如表5所示。

图4 运动系统、充气压力和牵引力对驱动轮滑移率的影响Fig.4 Influence of motion system, inflation pressure and traction on drive wheel slip

表5 驱动轮滑移率对充气压力的回归拟合方程Table 5 Regression fitting equation of driving wheel slip rate on inflated fressure

2.3 驱动系统和压载重量对驱动轮滑移的交互效应

车轮滑移与镇流器质量的关系如图5所示。通过增加压载质量来减少车轮滑移,增加驱动轮负载导致轮胎与土壤接触面积的增加,与增加的压载质量相比,驱动系统在减少打滑方面更有效。此外,具有最低压载质量的4WD系统表现出更少的滑移。曲线的斜率表明:4WD系统对压载质量的灵敏度较低,即使在使用最低压载质量的情况下,其滑移也不会发生显著变化。增加压载质量会增加燃料消耗和土壤压实度。因此,在RWD和FWD系统中,使用具有最低压载质量的四轮驱动系统是减少拖拉机打滑的重要因素。

图5 运动系统与驱动轮上的压载重量之间的相互作用滑移Fig.5 Interaction between the kinematic system and the ballast weight on the drive wheel slip

2.4 驱动系统、充气压力和牵引力交互作用对拖拉机牵引效率的影响

根据不同驱动系统模式和充气压力下牵引力的变化,拖拉机的牵引力效率如图6所示。

图6 运动系统、充气压力和拉力对牵引效率的交互作用Fig.6 Interaction of motion system, inflation pressure, and pulling force on tracton efficiency

由图6可知:当所有模态在拉力最小为2kN时,牵引效率最小;拉力为6和10kN时,所有模态的牵引效率接近,均远高于2kN。牵引效率最高与4WD系统有关,即使在最临界的充气压力为230kPa时,驱动系统相对于充气压力的影响也更大。在最佳充气压力为170kPa时,4WD系统的牵引效率高于其他系统的原因在于牵引效率与滑移量和滚动阻力值有关,而4WD系统的滑移量和滚动阻力值较低,故降低牵引效率的两个重要因素是驱动轮滑移和滚动阻力。当拉力增加到10kN时,牵引效率有所提高。

3 结论

1)影响和控制驱动轮打滑最重要的因素包括压载质量、轮胎充气压力和驱动系统类型。在高拉力值时,驱动轮滑移急剧增加,这是由于充气压力降低或压载质量增加造成的;然而,降低充气压力会导致轮胎压力降低,增加压载质量也会导致滚动阻力和油耗的增加。

2)使用4WD系统系统,可以在较高的拉力值下达到推荐的滑移率(10%～15%)。优点是:其在10kN拉力下的滑移量小于前驱和后驱系统在6kN拉力下的滑移量。

3)4WD系统获得了最高的牵引效率。在驱动系统中,只有4WD系统在拉力为10kN时的牵引效率高于拉力为6kN时的牵引效率。前驱和RWD系统在拉力为10kN时的牵引效率略低于拉力为6 kN时的牵引效率。由于较低的滑动和滚动阻力,4WD系统的牵引效率更高,牵引效率在拉力为2kN时急剧下降。因此,通过增大工作宽度来提高牵引效率是合理的。