水田作业轮式拖拉机设计要素分析

第456期 2019-05-21 来源:大田传媒|农机360网 作者:李永胜
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据统计,中国水田面积达到4.5亿亩,稻谷的产量占粮食产量的40%以上,并且近年来随着农业技术的更新和耕作方式、农民思想的变化,我国北方地区的水田面积不断增长之中,很多地势较低的旱田被陆续改成水田,因此,作为农业发展必不可少的动力机械——轮式拖拉机,其水田作业的适应性越来越重要。

曾经,水田作业的轮式拖拉机与正常的旱田拖拉机基本相同,个别区域水田作业的拖拉机装的是水田斜交胎,而旱田拖拉机装的是旱田斜交胎;但是,随着水田作业机械的不断发展,因为水田作业与旱田作业的差异性,用户对拖拉机的要求越来越高,水田作业的拖拉机在性能上的要求不断地被刷新,并且越来越专业化。

根据当前水田作业的轮式拖拉机实际表现情况,笔者总结了一下水田作业的轮式拖拉机的设计要素:

1. 整机结构重量轻,发动机储备扭矩大

水田作业的模式主要是旋耕和打浆,部分区域由于拖拉机的反复作业,导致了水田环境逐年恶化,水田内的硬底层越来越深,导致拖拉机在作业时非常容易陷车,因此,要求拖拉机的重量越轻越好,减少对土壤的破坏,见图1-1;为了保证在陷车时能够迅速的摆脱,同时能够保证水田作业的要求,要求发动机要有足够的扭矩储备。

图1-1 水田土壤结构


以某品牌M954K为例,整机结构比质量数值为40.5 kg/kW,另一品牌MD904整机结构比质量数值为42.3 kg/kW,设计手册中一般四轮驱动拖拉机结构比质量为54-75 kg/kW。通常在设计时要求水田机型的发动机扭矩储备不小于30%。

2. 转弯半径小,机动灵活,爆发力强

当前水田的地块一般非常小,长度与宽度一般都小于50米,在拖拉机作业时,来回调头的时间比正常作业的时间还长,作业效率非常低,因此需要拖拉机的转弯半径越小越好。如图2-1所示,转向半径小的拖拉机在地头只需要倒车一次即可,而转向半径大的至少需要倒车两次;

图2-1 转弯半径对水田作业的影响


更小的地块作业时,拖拉机直接进行单趟作业,到另一侧地头时倒车空车返回,然后再前进作业,如图2-2:

2-2 小地块水田作业模式


因此,在设计水田作业拖拉机时,转向半径是一个非常重要的参数,通常通过加大前桥转向角和缩小拖拉机轴距来实现,当前比较优秀的水田作业拖拉机前桥转向角已经达到55度;为减少拖拉机提速的时间,让发动机尽快达到最佳转速,需要发动机有较强的爆发力,让整机有良好的加速性能。

3. 离地间隙高,通过性好

水田作业转场运输时最不缺少的就是沟沟坎坎;水田作业过程中因为土壤硬底层的不断加深,导致拖拉机的作业深度也不断的增加;为了避免陷车,保证拖拉机的通过性能,要求拖拉机有较大的离地间隙。当前设计时有两种方式提高拖拉机的离地间隙,一是加大拖拉机的轮胎直径,二是提高前驱动桥、前驱传动轴以及整机底部附件的高度,整机布置时这些零部件尽量采用上置的方式,减少陷车时车辆底部的阻力;当前表现优秀的水田作业拖拉机最小离地间隙已经超过450mm,个别已经达到500mm。

图3-1拖拉机进入水田瞬间


4. 整机优秀的操纵舒适性及防锈性能

主离合操纵:因为水田地块小,需要频繁的换挡,因此主离合器操纵是使用频率最高的机构之一。水田作业的拖拉机功率一般在120马力以下,这个功率段一般采用了机械操纵离合器,因此设计时需要控制离合器踏板操纵力,一般操纵力不超过180N(设计标准最大要求不超过400N)。部分合资或进口机型采用了湿式离合器,低于7Km/h时前进后退档切换可以不用踩离合;由于离合操纵轴位于传动箱体上,在水田作业时由于环境潮湿,非常容易导致转动部位生锈,严重者甚至完全锈死,导致离合器无法操纵,因此设计时需要考虑防锈。另外,需要注意离合器壳体的密封性能,防止进水导致离合器整体锈死,图4-1为离合器操纵轴生锈情况。

图4-1 离合器操纵轴生锈情况


对于机械操纵的主离合器操纵,当前常用的结构是带黄油嘴操纵轴配套粉末冶金衬套的结构,要求用户定期加注黄油润滑;根据研发经验,个人建议采用镀铬操纵轴配套工程塑料衬套的结构,能够有效的避免操纵机构生锈,同时免维护。

副离合操纵:当前市场水田作业拖拉机通常采用独立操纵双作用离合器,副离合器操纵为手柄操纵。因为水田作业主要是通过动力输出轴配带旋耕机或打浆机作业,因此,在田间地头转弯时需要频繁的操纵提升器提升机具,而在提升机具前必须先断开动力输出轴动力传递,否则会导致动力输出轴断裂,所以副离合器操纵的使用频率也非常高,如果操纵力太大会导致机手疲劳,设计标准要求副离合器操纵手柄操纵力不超过200N。当前部分合资品牌或进口品牌采用了湿式动力输出离合器,有的采用机械操纵,有的采用电控操纵,操纵十分轻便;并且电控操纵湿式PTO离合器具有动力输出轴保护功能,在提升机具时如果忘记分离动力输出离合器的话,电控系统能够操纵离合器自动断开。图4-2为当前副离合器操纵型式。

图4-2 当前副离合器操纵型式


对于机械操纵的副离合器操纵,具体的防锈措施与主离合器操纵机构一致,对于部分拉线操纵的副离合器,建议拉线的布置尽量提高,防止泥水进入导致操纵力大,避免损坏;如果位置不好改动的话尽量采用拉杆代替。

梭式挡操纵:对于水田作业来说,作业速度范围一般在4-10Km/h,主要是旋耕作业,主变速可以固定于某一个档位,最常用的主要是梭式档,即到达地头时控制整车前进、后退。当前主销机型梭式档有两种布置方式,一种是位于方向盘下方,一种位于座椅左侧或右侧;区别是方向盘下方布置操纵方便,换挡力稍大;而座椅左右侧操纵方便性稍差,但换挡力小;当前日本久保田、韩国乐星均采用了方向盘下方布置的方式,久保田个别机型采用了湿式主离合器,可以在低于7Km/h时操纵梭式档。图4-3为当前梭式档主要布置方式。

图4-3 当前梭式档主要布置方式


关于换挡机构的防锈方面,尽量将换挡机构的位置提高,避免布置在车底位置,对于高低速、前驱动等位置较低的档位操纵尽量使用拉杆结构,不要使用推拉索;同时对于这几个部位在箱体上面的拨头轴做好防锈防泥水的措施。

提升操纵:在小地块的水田作业中,提升器的使用频率同样是非常高的,一旦到了地头进行调头,必须要将机具提起来;当前水田作业的拖拉机中主要有三种结构的提升器:电控提升器、强压提升器、力位综合提升器;当前在水田中最为畅销的应该是强压提升器;根据实际作业的情况分析,主要原因是在进入水田时,在田埂较高的部位,需要通过提升器强压功能,强压旋耕机刨土开辟平缓的道路使拖拉机能够进入田中;再就是因为水田草较多,未满足旋耕深度,需要强压。图4-4为力位综合提升器、电控提升器控制手柄。

图4-4 力位综合提升器、电控提升器控制手柄


对于提升操纵系统,提升机具时必须断开动力输出轴,否则会导致动力输出轴损坏,在设计时需要考虑,,这一点可以采用当前乐星804的结构,采用湿式PTO离合器,在提升系统上安装传感器,一旦机具提升角度达到规定值时,动力输出轴自动断开,有效的避免了故障的发生;另外,可以考虑一种关联机构,将提升系统与副离合器操纵机构关联起来,一旦提升系统开始提升,同时会分离动力输出离合器。

5. 关键部位防泥水性能、便捷的维修性能

对于水田作业的拖拉机来说,前驱动桥、后桥经常会有部分位置没入水中,如果这些位置密封不好的话会导致泥水进入箱体,导致油液污染、乳化,从而造成传动系统的失效;如果进入离合器或者其他操纵机构的话,会导致离合器锈死,操纵机构无法作用。因此,对于水田作业的拖拉机来说,关键部位防泥水是必不可少的一项工作。

在当前的机型中,水田机型的密封方式有双油封密封、单油封多唇口密封以及盒式油封密封。其中,盒式油封密封是当前存在的密封方式中效果最好的,图5-1所示。在拖拉机的密封部位中,建议驱动轴轮毂、前驱动输出轴、动力输出轴这些外露位置都采用这种油封密封,能够有效的解决渗漏问题;另外对于变速箱的高低速操纵轴、前驱动操纵轴这些位置,尽量采用油封密封的方式来代替O型圈,避免密封位置外部生锈,与箱体锈死在一起。图5-2中分别是前驱输出轴、高低速操纵轴、驱动轴处因泥水进入导致的磨损、锈蚀情况。

图5-1 盒式油封结构

图5-2 泥水进入导致的磨损、锈蚀


另外,拖拉机作为一种在恶劣工况中作业的动力机械,出现问题的概率还是比较高的,由于拖拉机都是在农忙季节作业,时间非常紧迫,因此在设计时需要考虑易损零件更换的便利性、保养的方便性。主要考虑的有发动机机油机滤、柴滤、空气滤清器、散热器防杂网、液压系统过滤器、电器系统保险丝等的拆卸更换;加注润滑脂的位置是否方便;悬挂机构调整是否便利;动力输出轴、轮毂油封等易损件是否容易拆卸更换等;坚决避免因为一个渗漏油、零部件更换问题拆卸变速箱。

追根揭底,水田作业轮式拖拉机的设计要素就是:可靠性、适应性、舒适性。

根据当前拖拉机的发展情况,预测未来的水田作业拖拉机发展情况:第一,用于水田作业的轮式拖拉机更加专业化,从技术角度出发,动力换向+主变速同步器换挡、湿式PTO离合器、电控提升器逐步普及应用;离地间隙进一步加大,转弯半径进一步缩小,操纵舒适性进一步提高,空调驾驶室机型占比加大;第二,从水田作业机械化的发展角度来看,为适应水田作业,减少对土壤的破坏,履带式、半履带式拖拉机和船式拖拉机将得到进一步的发展。

结束

追根揭底,水田作业轮式拖拉机的设计要素就是:可靠性、适应性、舒适性。

文章关键词: 水田作业 轮式拖拉机
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作者介绍

李永胜

李永胜,2007年至今一直从事拖拉机设计研发工作,承担过多个项目开发工作,对拖拉机技术发展、行业政策有深刻的了解。当前担任山东五征集团农业装备研究院院长助理,拖拉机研究所所长。

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