吳慶存，李兵楠，單志公

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

1 水田拖拉機(jī)的整車設(shè)計(jì)要求

水田拖拉機(jī)是在水稻田作業(yè)的一般用途拖拉機(jī)，主要用于整田作業(yè)。其主要特點(diǎn)如下：裝有水田行走裝置（履帶水田鐵輪或高花紋輪胎等），在水田土壤上能發(fā)揮足夠的牽引性能，具有較好的防陷越埂、通過性、轉(zhuǎn)向操縱性和防泥水密封性能。水田作業(yè)拖拉機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)為減輕質(zhì)量（嚴(yán)格控制整機(jī)的結(jié)構(gòu)比質(zhì)量）、轉(zhuǎn)彎機(jī)動靈活、通過性強(qiáng)、整機(jī)各處的密封性好[1]。

基于上述水田拖拉機(jī)的整車要求，對發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)理念提出了要求，要區(qū)別于普通旱田用拖拉機(jī)的一貫設(shè)計(jì)思路。水田用發(fā)動機(jī)主要設(shè)計(jì)理念如下：減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量，以降低拖拉機(jī)的整車重量，降低泥腳深度；縮小發(fā)動機(jī)體積，以縮短整車的軸距，同時(shí)也降低整車質(zhì)量，減小整車轉(zhuǎn)彎半徑，提高通過性；發(fā)動機(jī)密封設(shè)計(jì)，發(fā)動機(jī)零部件要提高防水、防泥等，提高密封性，適應(yīng)發(fā)動機(jī)涉水作業(yè)需求。基于上訴發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的特性，在開發(fā)發(fā)動機(jī)性能時(shí)要遵循小體積、大排量、提高升功率的發(fā)動機(jī)性能開發(fā)理念。以最小的體積和重量來達(dá)到最大的功率，滿足整車的各項(xiàng)要求。

2 水田拖拉機(jī)專用發(fā)動機(jī)性能設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 發(fā)動機(jī)性能開發(fā)——基于整車工作路譜的發(fā)動機(jī)性能開發(fā)

根據(jù)目前市場上水田拖拉機(jī)的作業(yè)情況，通過收集大量路譜，文章對路譜中的發(fā)動機(jī)常用工作區(qū)、工況進(jìn)行分析，確定最適合水田拖拉機(jī)用的發(fā)動機(jī)性能開發(fā)理論曲線。針對國內(nèi)某90 馬力水田拖拉機(jī)路譜（帶打漿機(jī)作業(yè)）的分析結(jié)果如圖1 所示。從發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速分布可見，工作時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速集中在1 800r/min ～1 900r/min，負(fù)荷集中在70%左右；從路譜分析可見，水田拖拉機(jī)整車車作業(yè)負(fù)荷不大，扭矩需求相對旱地作業(yè)拖拉機(jī)低。

基于上述路譜可以指導(dǎo)發(fā)動機(jī)的性能開發(fā)。滿足額定功率的前提下，發(fā)動機(jī)扭矩儲備可低于旱田用拖拉機(jī)，發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)需向中高速區(qū)移動，以提高水田拖拉機(jī)的整車經(jīng)濟(jì)性。

2.2 發(fā)動機(jī)性能開發(fā)——高額定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高有利于功率的提升，可用較小排量的發(fā)動機(jī)通過提高轉(zhuǎn)速來提高功率，既滿足水田拖拉機(jī)對動力的需求，又能減輕發(fā)動機(jī)的重量，從而達(dá)到降低整車重量、降低整車的接地比壓的目的。以日本久保田的水田拖拉機(jī)動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，其設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一般在2 600r/min ～2 700r/min；與傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)相比，其采用較小的缸徑和行程，通過提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速獲得了同樣的發(fā)動機(jī)功率，同時(shí)使得整車的尺寸減小、重量降低。最終表現(xiàn)為整機(jī)有較小的接地比壓、更好的通過性。文章設(shè)計(jì)的水田作業(yè)輪式拖拉機(jī)的結(jié)構(gòu)比質(zhì)量能控制得很低，基本在50kg/kW 左右。這一設(shè)計(jì)理念能很好地適應(yīng)水田作業(yè)拖拉機(jī)，大大提高整機(jī)的適應(yīng)性。

圖1 某水田拖拉機(jī)作業(yè)路譜

3 水田拖拉機(jī)專用發(fā)動機(jī)設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)

3.1 密封性、防水、防泥要求高

水田拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境多水、多泥。一般情況下，水田拖拉機(jī)的涉水深度可達(dá)到整車前輪中心，發(fā)動機(jī)油底殼以及部分電器件會處于短期涉水狀態(tài)。水田拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境如圖2 所示。另外，水田拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)，輪胎會將泥漿甩向發(fā)動機(jī)以及整車其他部件，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)大部分區(qū)域被泥漿覆蓋，因此設(shè)計(jì)時(shí)對發(fā)動機(jī)零部件尤其電器件的防水要求極高。水田拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)，發(fā)動機(jī)零部件被泥漿覆蓋情況如圖3 所示。

圖2 水田拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境

圖3 泥漿覆蓋發(fā)動機(jī)

3.1.1 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件的密封性設(shè)計(jì)

油底殼等底部涉水部件可通過更改密封面結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，在密封面上增加整圈儲膠槽；將平面密封改為交叉網(wǎng)紋面，以提高表面粗糙度[2]。對于飛輪殼，需使用全密封飛輪殼，保證飛輪殼與機(jī)體、變速箱殼體、起動機(jī)等結(jié)合面處能夠完全防水。設(shè)計(jì)裝配完成后，可進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，保證密封性能，使其不會因進(jìn)水而內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效。

3.1.2 發(fā)動機(jī)電器元件防水、防泥設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)部分發(fā)動機(jī)時(shí)，啟動機(jī)、發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)等電器零部件在發(fā)動機(jī)上的布置位置較低，水田作業(yè)時(shí)存在直接涉水的情況，同時(shí)飛濺的泥水很容易堆積在上述電器件表面，如果防護(hù)不夠，很容易造成電器元件的失效。電器件設(shè)計(jì)需按下述方案進(jìn)行。

首先，電器元件防護(hù)等級提高。目前，絕大部分旱田用發(fā)動機(jī)電器元件的防護(hù)等級最高為標(biāo)準(zhǔn)IP56 級要求，但部分旱地拖拉機(jī)用電器件防護(hù)等級甚至低于IP56。在設(shè)計(jì)水田拖拉機(jī)時(shí)，因零部件有短期浸水風(fēng)險(xiǎn)，又有飛濺泥土堆積，會導(dǎo)致整機(jī)清洗頻率提高。在設(shè)計(jì)電器件時(shí)，其防護(hù)等級需提升到IP67 級（即無灰塵進(jìn)入，浸入規(guī)定壓力的水在經(jīng)過規(guī)定時(shí)間后，外殼進(jìn)水量不至達(dá)有害程度），從而滿足整車使用工況的要求[3]。

其次，在電器零部件及位置較低的旋轉(zhuǎn)零部件（如曲軸皮帶輪）周圍增加防護(hù)板（擋泥板），避免飛濺的泥漿落在相關(guān)零部件上，從而達(dá)到防水防泥的效果，延長零部件的使用壽命，如圖4、圖5 所示。

圖4 起動機(jī)防護(hù)蓋設(shè)計(jì)

圖5 曲軸皮帶輪防護(hù)罩設(shè)計(jì)

3.2 發(fā)動機(jī)減小體積設(shè)計(jì)

受水稻對農(nóng)藝要求和地理環(huán)境的影響，水田田塊面積較小，一般為0.13hm2～0.33hm2，甚至小至幾分，形狀不規(guī)則，地塊之間的高低差較大。這對水田拖拉機(jī)的通過性提出了較高的要求。因此，水田專用發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量縮小體積。體積小，拖拉機(jī)的軸距可縮短，實(shí)現(xiàn)較小的轉(zhuǎn)彎半徑，從而更滿足水田拖拉機(jī)的通過性要求。發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能采用小排量的發(fā)動機(jī)，使發(fā)動機(jī)機(jī)體長度壓縮到最短。同時(shí)，外圍件如飛輪殼、油底殼等與整車結(jié)構(gòu)相連的部件盡量縮短。發(fā)動機(jī)前端輪系的伸出長度盡量縮短，既能縮短發(fā)動機(jī)長度，又能滿足拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)承重結(jié)構(gòu)的可靠性要求，減小轉(zhuǎn)彎半徑，滿足水田拖拉機(jī)的通過性要求。轉(zhuǎn)彎半徑減小，對通過行的影響如圖6 所示。

3.3 發(fā)動機(jī)輕量化設(shè)計(jì)

為了盡可能避免輪式拖拉機(jī)在水田作業(yè)時(shí)對硬底層的破壞，以及對承壓力低的爛泥田有更好的適應(yīng)性，就必須盡量減輕拖拉機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低接地比壓。發(fā)動機(jī)作為水田拖拉機(jī)中的主要重量組成部分，同時(shí)起著支撐拖拉機(jī)底盤結(jié)構(gòu)的作用。因此，這對水田拖拉機(jī)用發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)又提出了兩個(gè)要求：既要盡可做到輕量化，以達(dá)到降低整車重量的目的，又要保證基本的高強(qiáng)度，不能影響整車底盤強(qiáng)度的可靠性。

圖6 轉(zhuǎn)彎半徑對通過性影響示意

發(fā)動機(jī)輕量化設(shè)計(jì)是在保證發(fā)動機(jī)各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性和動力性不受影響的情況下，最大限度地減輕各類零部件的質(zhì)量，從而降低發(fā)動機(jī)整體重量，提高動力性，降低燃油消耗。發(fā)動機(jī)輕量化的技術(shù)途徑主要有以下兩個(gè)方面。

3.3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是輕量化技術(shù)最基本的手段之一，主要利用模擬仿真軟件進(jìn)行CAE 計(jì)算分析，從發(fā)動機(jī)零部件初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造工藝設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化。在滿足使用性能的前提下，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)去除零部件的冗余部分、減少零件搭接、改變零件結(jié)構(gòu)，以減少零件數(shù)量或減輕質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。

3.3.2 新材料、新工藝應(yīng)用

新材料分為兩大類：一類是高強(qiáng)度材料，如高強(qiáng)度鑄鐵（蠕墨鑄鐵、等溫處理球鐵）、粉末冶金材料等；另一類是低密度輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等。采用新材料生產(chǎn)發(fā)動機(jī)零部件需要特殊的加工技術(shù)，主要包括先進(jìn)的材料連接技術(shù)、表面處理技術(shù)等。

目前，發(fā)動機(jī)零部件材料輕量化技術(shù)的主要研究領(lǐng)域有燃燒室系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)零部件適應(yīng)更高爆壓用耐熱、耐腐蝕材料的開發(fā)；氣缸體、氣缸蓋用高強(qiáng)度、輕量化材料及工藝開發(fā)；曲軸、連桿、飛輪等運(yùn)動件高性能輕量化材料開發(fā)[4]。

4 結(jié)束語

綜上所述，為滿足水田拖拉機(jī)的整車指標(biāo)要求，發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)要做到輕量化、高轉(zhuǎn)速、大功率、密封性好、防水防泥等。既滿足整車對功率的需求，又能提高發(fā)動機(jī)水田作業(yè)的可靠性，為水田作業(yè)的機(jī)械化發(fā)展提供更好的作業(yè)條件。