基于OECD規則試驗報告的輪式拖拉機牽引性能研究

關鍵詞：輪式拖拉機；牽引性能；牽引功率；動力換擋；OECD規則

0 引言

“十四五”時期，“三農”工作重心轉向全面推進鄉村振興、加快農業農村現代化新階段，對農機的需求，正由部分品種生產的局部需求，轉變為種養加全鏈條的需求，從非剛性需求轉變為離不開、還要好的剛性需求[1]。拖拉機作為農業機械化生產最主要動力機械，在犁耕、深松、旋耕、播種和田間管理等工作過程中扮演著非常重要角色，其技術水平在很大程度上體現一個國家的農業現代化程度和農業機械化水平[2-3]。

牽引性能是指在規定條件下拖拉機所發揮的牽引工作能力及其效率，它是拖拉機的重要性能之一，直接關系到拖拉機的動力性和經濟性，影響作業質量和作業效果[4]。裝配相同功率的發動機時，具有大的牽引力和牽引功率的拖拉機作業時會更加輕便省力[5]。拖拉機牽引性能通常通過牽引功率試驗來評價，本研究通過分析OECD拖拉機試驗規則（以下簡稱OECD規則）下檢驗報告中牽引功率相關數據，研究拖拉機牽引性能特點，為我國輪式拖拉機研發、設計、生產和推廣應用提供參考[6]。

1 OECD規則及試驗方法

1.1 OECD規則

OECD規則是經濟合作與發展組織（OrganizationforEconomicCo-operationandDevelopment）屬下的拖拉機官方試驗標準規則組織制訂的用于拖拉機試驗的一系列標準，是國際上最先進、應用最為廣泛的拖拉機試驗規則，對推動不同國家拖拉機試驗方法和試驗結果互認，促進拖拉機國際貿易發揮重大作用[7-8]。目前，OECD拖拉機官方試驗標準規則組織共發布OECD規則10個，其中OECD規則2《農業和林業拖拉機 性能試驗》規定了輪式和履帶式拖拉機整機動力輸出軸、液壓提升、牽引功率等試驗的試驗要求、程序和試驗報告格式等內容[9]。

1.2 牽引功率試驗方法

OECD規則2規定：拖拉機為無配重狀態（帶配重試驗為選做試驗），在清潔、水平、干燥和接縫盡可能少的混泥土路面或瀝青路面上進行，輪胎的胎紋高度至少為全新輪胎的65％，環境溫度≤35°C，大氣壓力≥96.6kPa，牽引桿的高度應使拖拉機發出最大牽引功率時不失去對拖拉機方向的控制，并且高度保持固定不變。試驗要至少在比拖拉機能發出最大牽引功率的擋位高一個擋位到比能發揮最大牽引力的擋位低一個擋位之間的各擋位進行，記錄拖拉機各擋位的最大牽引功率、牽引力、行駛速度、滑轉率、牽引比油耗及環境條件等數據。整個試驗過程中，調速器應置最大功率位置，輪式拖拉機輪胎平均滑轉率≤15％。對于無級變速輪式拖拉機，則在2.5～17.5km/h速度范圍內選取至少7個速度大小間隔均勻的前進速度（傳動比）進行試驗。

2 試驗數據來源及處理

2.1 試驗數據來源

查閱了近年依據OECD規則2批準的動力輸出軸功率47.04kW以上、安裝安全駕駛室的四輪驅動輪式拖拉機試驗報告（以下簡稱試驗報告），共計74份。從試驗報告中提取拖拉機動力輸出軸標定功率、無配重狀態下最大牽引力、最大牽引功率和最大牽引功率下牽引比油耗等試驗數據和試驗拖拉機換擋方式、無配重質量（最小使用質量）、發動機標定功率等技術規格參數[10]。

2.2 試驗數據處理

試驗報告中，發動機標定功率有31份，動力輸出軸標定功率與發動機標定功率百分比均值86%。動力輸出軸標定功率是在發動機標定轉速時拖拉機動力輸出軸對外輸出的最大功率。動力輸出軸試驗是將拖拉機通過動力輸出軸與測功機相連，在發動機充分預熱達到穩定工作狀態、發動機標定轉速下，進行的2h試驗。試驗環境和工況可控性高，檢測結果與發動機標定功率相關性強，因此以86%為系數，推算出沒有明示發動機標定功率的發動機標定功率，結果保留2位小數[11-12]。

2.3 試驗數據描述性分析

試驗數據統計情況如表1所示，試驗拖拉機技術規格方面，最小使用質量最大值24514.00kg、最小值2595.00kg，最大值是最小值的9.4倍；發動機功率范圍從60～414kW，覆蓋范圍大。受技術規格影響，試驗拖拉機牽引性能輸出也存在較大差異，動力輸出軸標定功率、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牽引比油耗均值274.59g/（kW·h）。試驗拖拉機中動力換擋拖拉機31臺，無級變速拖拉機27臺，合計占比達到78.4%。

3 牽引性能分析

3.1 不同標定功率下牽引性能

拖拉機上所有能量的本質來源是發動機的工作，因此以發動機標定功率為基準，研究每單位標定功率下最大牽引力（最大牽引力比值）、每單位標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]。

不同標定功率試驗拖拉機最大牽引力比值、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，試驗拖拉機最大牽引力比值最小值373.92N/kW，63個試驗拖拉機最大牽引力比值gt;400N/kW，占比85.1%。64個試驗拖拉機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%之間的試驗拖拉機數量37個，占比達到50%。在拖拉機標定功率gt;140kW后，牽引比油耗趨于平穩，穩定在250g/（kW·h）；拖拉機標定功率gt;220kW時，牽引比油耗下降至235g/（kW·h）。除個別點外，拖拉機標定功率gt;110kW時，隨著標定功率增大，試驗拖拉機最大牽引力比值、最牽引功率百分比、牽引比油耗趨于平穩，當標定功率gt;180kW時，最大牽引力比值、最牽引功率百分比、牽引比油耗集中趨勢更加明顯，并且最大牽引力比值有下降趨勢。

按照拖拉機功率分類方法，將試驗拖拉機分為中型、大型和重型3類，得到試驗拖拉機牽引性能如表2所示[14]。由表2可知，重型拖拉機各項牽引性能指標均優于大型拖拉機；大型拖拉機與中型拖拉機相比，雖然最大牽引力比值均值比中型拖拉機小0.25%，但是最大牽引功率百分比均值較中型拖拉機提高2.17%，牽引比油耗均值較中型拖拉機降低5.81%，因此大型拖拉機綜合牽引性能優于中型拖拉機。

3.2 不同使用比質量下牽引性能

拖拉機使用質量直接影響拖拉機附著力，進而影響拖拉機牽引性能[15-16]。不同標定功率拖拉機的最小使用比質量如圖3所示，試驗拖拉機最小使用比質量平均值56.19kg/kW、最小值37.64kg/kW，70個試驗拖拉機的最小使用比質量均gt;44kg/kW，占比94.6%；拖拉機標定功率gt;110kW，最小使用比質量波動收窄。綜合牽引性能隨功率變化情況可以得出，隨著拖拉機標定功率增加，拖拉機設計生產更加科學合理，拖拉機綜合性能更好。

將最小使用比質量聚類劃分后，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量≥60kg/kW時增大幅度較高。經征求行業多位專家意見，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權重依次確定為0.3、0.4、0.3。將不同最小使用比質量下的牽引性能指標歸一化后，得到相應的得分。從得分可以看出，50～55kg/kW是發揮最優牽引性能的最小使用比質量區間，其次可以選擇55～60kg/kW。

3.3 不同換擋方式下牽引性能

傳動系由機械換擋向動力換擋、無級變速轉變是實現農機自動控制，發展智慧農業、無人農場的基礎關鍵技術[17]。

不同換擋方式試驗拖拉機牽引性能如表4所示。從統計數據來看，機械換擋傳動應用于中、大型拖拉機，動力換擋傳動應用于大、重型拖拉機，無級變速傳動應用于更大功率拖拉機。無級變速傳動拖拉機與動力換擋傳動拖拉機相比，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差異，因此動力換擋和無級變速傳動拖拉機牽引性能各有優勢，動力換擋傳動拖拉機有較低的燃油消耗量（即較好經濟性），無級變速傳動拖拉機有很強的動力性（即大負荷通過性）。動力換擋、無級變速傳動拖拉機與機械式傳動拖拉機相比，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%，表明動力換擋和無級變速傳動拖拉機較機械式傳動拖拉機具有更好牽引性能。

4 結束語

研究OECD規則試驗報告數據可以得出，無配重狀態下，四輪驅動輪式拖拉機最大牽引力比值gt;400N/kW的試驗拖拉機占比85.1%；最大牽引功率百分比gt;75%的試驗拖拉機占比86.5%，試驗拖拉機最大牽引功率工況下牽引比油耗最小值233.00g/（kW·h）、平均值274.59g/（kW·h）；隨著拖拉機標定功率增大，最大牽引力比值、最大牽引功率百分比、牽引比油耗波動范圍收窄；重型拖拉機牽引性能最好，大型拖拉機牽引性能次之。94.6%的試驗拖拉機最小使用比質量gt;44kg/kW，發揮最優牽引性能的最小使用比質量區間50～55kg/kW。動力換擋、無級變速傳動拖拉機具有更好的牽引性能。

拖拉機是農機工業核心，當前，在加快建設農業強國，補短板、強弱項，促進農業機械化高質量發展背景下，研究OECD規則試驗報告中拖拉機牽引性能，對推動國產拖拉機產品技術進步具有重要借鑒意義。