摘要：為探究鏵式犁農機具作業(yè)過程中功耗的變化規(guī)律，利用柴油機臺架數(shù)據(jù)和控制器局域網(wǎng)絡（controllerarea network，CAN）數(shù)據(jù)進行插值，測量鏵式犁農機具作業(yè)過程中柴油機的有效功率。通過拉力傳感器和GPS儀測量鏵式犁的功率；然后，固定耕作深度為23 cm，開展耕地速度為5.7、7.1和8.9 km·h-1的田間試驗；固定耕作速度為5.7 km·h-1，開展耕地深度為20、23和26 cm的田間試驗。結果表明，鏵式犁農機的實際耕地速度圍繞目標耕地速度出現(xiàn)較大波動，導致鏵式犁機具功率、鏵式犁機具功率占比、柴油機功率、整機油耗等參數(shù)均出現(xiàn)變動，其中，柴油機功率變動率達15.93%。隨耕地速度升高和耕地深度增大，農機具和柴油機的功率均增大，鏵式犁機具功率占比相對穩(wěn)定；鏵式犁機具功率占柴油機功率的56.24%～67.30%。研究結果可以為農機動力系統(tǒng)匹配、優(yōu)化和農機具選型提供參考。

關鍵詞：拖拉機；柴油機；鏵式犁；功率

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0251

中圖分類號：S222

文獻標志碼：A

文章編號：1008?0864（2025）01?0129?09

土壤精準耕整是提高水、肥、藥利用率，促進作物生長，提高作物產量的重要途徑。耕整地農機在精準耕作過程中發(fā)揮著重要作用，其耕作過程既要拖動農機具，也要克服整車的行駛阻力。因此，開展農機動力系統(tǒng)參數(shù)測評是整機動力匹配和參數(shù)優(yōu)化的重要研究內容。

國內外學者對農用機械動力系統(tǒng)參數(shù)測量方法進行了研究，特別是對拖拉機傳動軸載荷進行了大量測試分析。研究人員通過測量傳動軸的載荷數(shù)據(jù)確定了傳動軸載荷樣本長度[1]，對載荷譜數(shù)據(jù)進行了合理外推[2?3]，并且根據(jù)載荷譜數(shù)據(jù)以及傳動軸轉速數(shù)據(jù)計算了發(fā)動機的輸出功率[4]。但是，由于傳動系統(tǒng)存在功率損耗，不能準確反映柴油機功率。因此，需要更加準確的研究方法以獲取拖拉機耕作過程中柴油機的關鍵參數(shù)。本團隊前期利用燃燒分析儀精準測量了拖拉機搭載鏵式犁作業(yè)過程中的柴油機功率，同時提出轉矩模型法，實現(xiàn)了功率的在線精準測量[5]。拖拉機整地過程中柴油機扭矩百分比的合理范圍為78%～94%[6]，Rajabi-vandechall等[7]基于軟件和低成本傳感器提出拖拉機扭矩預測模型，對拖拉機的扭矩變化進行了精準預測。劉洪利等[8]利用控制器局域網(wǎng)絡（controller area network，CAN）總線記錄拖拉機整地過程中柴油機的扭矩百分比，從而分析柴油機功率和鏵式犁機具功率匹配是否合理。

國內外學者在測量農機具與土壤的相互作用力、三點懸掛裝置載荷等方面也進行了大量研究[9?10]，主要通過在土壤中或犁體上安裝壓力傳感器測量土壤和犁體的相互作用力，從而獲取鏵式犁載荷。由于測量農機具與土壤的相互作用力不能準確計算農機具的牽引力，因此需測量三點懸掛裝置載荷，用于計算農機具的牽引力。在三點懸掛裝置載荷測量方面，目前多采用應變片或拉力傳感器對載荷進行測量[11-13]。受時間和試驗成本限制，試驗過程中難以獲取農機具全生命周期的載荷數(shù)據(jù)[14]，因此，已有研究提出了多種載荷譜編制方法，如參數(shù)外推法[2]、混合分布法[15]、最優(yōu)分布擬合法[16]等。在理論分析方面，研究人員通過理論模型和試驗驗證相結合的方法對三點懸掛裝置載荷進行了研究，提出了多種三點懸掛裝置載荷計算理論模型，如Cerovi?等[17?18]提出的二維解析模型、Porte? 等[19?20]提出的數(shù)學計算模型以及Jeon等[21]提出的多體動力學仿真模型等。

綜上所述，對拖拉機傳動軸載荷、拖拉機柴油機功率、農機具與土壤相互作用力以及三點懸掛裝置載荷進行測量和分析已有大量研究，但是缺乏對農機具功耗的影響因素以及鏵式犁機具功率占發(fā)動機輸出功率的比例情況的研究。為了評估農機的耕作效率以及農機具的功耗占比規(guī)律，本研究開展了拖拉機搭載鏵式犁的耕作試驗，通過測量柴油機功率、鏵式犁機具功率分析鏵式犁在不同耕作工況下的功率占比規(guī)律，以期為柴油機與鏵式犁的功率匹配以及整機參數(shù)優(yōu)化提供指導。

1 材料與方法

1.1 鏵式犁農機

本研究所用鏵式犁農機由雷沃歐豹M1204-D 拖拉機和五鏵犁組成，主要參數(shù)如表1 所示。其中，柴油機是由廣西玉柴機器集團有限公司自主研發(fā)的新產品，替代了原機88.2 kW 的柴油機。

1.2 測量設備

為了對五鏵犁的功耗進行測評，需要測量其消耗的功率和柴油機的輸出功率，進而分析機具所消耗功率的規(guī)律。本研究利用聯(lián)軸式拉力傳感器測量三點懸掛的受力，采用GPS儀測量整機耕地的速度，利用CAN總線得到柴油機轉速和扭矩比，從而計算得到柴油機的輸出功率。主要的測試設備如表2所示。

1.3 測量方法

在鏵式犁與拖拉機三點懸掛上安裝3個拉力傳感器，該傳感器可以測量水平和垂直2個方向的拉力值。拉力測量系統(tǒng)如圖1所示。

左右兩根拉桿與拖拉機水平中心線（Y 軸）夾角分別為α 和β（圖1A），上拉桿與拖拉機水平中心線夾角為γ。忽略耕作過程拉桿位置變化對機具受力的影響，則耕作過程鏵式犁受到的總拉力如公式（1）所示。鏵式犁所受總拉力與行駛速度的乘積即為其所消耗的功率，如公式（2）所示。

F = Fa2cosα + Fa3cosβ + Fa1cosγ + Fd1sinγ（1）

Pl = Fv （2）

式中，F(xiàn) 為鏵式犁總拉力，N；Fa2為2#下拉桿沿桿件中心線的拉力，N；Fa3為3#下拉桿沿桿件中心線的拉力，N；Fa1為1#上拉桿沿桿件中心線的拉力，N；Fd1為1#上拉桿沿桿件徑向方向的拉力，N；v 為耕地速度，m·s-1；Pl為鏵式犁機具功率，W。

通過CAN總線可以讀取柴油機的轉速和扭矩比。柴油機當前扭矩通過該工況前后2個外特性試驗工況點插值計算得到。該柴油機臺架測試的外特性扭矩值如圖2所示，根據(jù)公式（3）和（4）計算柴油機的輸出功率。

式中，Te為柴油機扭矩，N·m；Tf 為CAN總線扭矩比，%；n 為CAN總線柴油機轉速，r·min-1；n1為柴油機轉速，r·min-1；n2 為柴油機轉速，r·min-1；T1 為轉速n1 對應的外特性扭矩，N·m；T2 為轉速n2對應的外特性扭矩，N·m；Pe 為柴油機輸出功率，kW；柴油機當前轉速n 必需在n1和n2 之間。

得到鏵式犁機具功率和柴油機的輸出功率后，本研究重點分析不同耕地工況下農機具的功率占柴油機輸出功率的百分比（β）規(guī)律，計算公式如式（5）所示。

β =（ Pl／Pe） × 100% （5）

1.4 測量工況

試驗在山東省濱州市鄒平縣孫鎮(zhèn)全泉農機專業(yè)合作社2.67 hm2（40畝）旱地里進行。土壤類型為壤土，深度為10 cm的土壤含水率為21.26%，土壤堅實度為240.2 N[22]。試驗前該地塊種植小麥，有約15 cm長的麥茬。選用的輪式拖拉機變速器檔位為16+8 R，“前進擋”由高低手柄、副變速桿和主變速桿共同決定，不同的目標車速對應不同的檔位組合。選取5.7、7.1 和8.9 km·h-1的目標車速，選擇20、23 和26 cm 共3 種耕地深度進行試驗，方案如表3所示。固定五鏵犁的耕地深度調節(jié)刻度為23 cm，啟動鏵式犁農機和參數(shù)測試系統(tǒng)，掛擋、加速運行至目標速度（5.7、7.1、8.9km·h-1），然后固定手油門位置，以目標速度耕地，完成試驗后手油門回位，各檔位至空擋，最后停機。每組試驗至少進行2次，根據(jù)是否實現(xiàn)目標速度、耕地深度，數(shù)據(jù)采集是否完整等因素確定1組數(shù)據(jù)為試驗結果，并進行分析。

固定鏵式犁農機的耕地目標速度為5.7 km·h-1，調節(jié)五鏵犁的耕地深度調節(jié)刻度為20、23 和26 cm，其中第2個工況在上個試驗中已經(jīng)完成。啟動鏵式犁農機和參數(shù)測試系統(tǒng)，調節(jié)檔位，固定手油門位置，進行耕地試驗，完成試驗后手油門回位，各檔位至空擋，最后停機。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

1.5.1 均值分析

本研究開展了5種不同狀態(tài)的田間作業(yè)測試，通過均值來分析耕地速度和耕地深度對鏵式犁農機耕地特性的影響。編號1、2和3是固定耕深，3種不同目標速度的試驗結果；編號1、4和5是固定目標速度，3種不同耕深的試驗結果。

1.5.2 偏差分析

鏵式犁農機以目標速度耕地過程，駕駛員除了操作方向盤，未干預整機控制參數(shù)，但是鏵式犁和柴油機功率等參數(shù)出現(xiàn)顯著變動，本研究利用變動率對這一偏差進行了分析。變動率常用來評估試驗段內某參數(shù)任意值相對于平均值的變化率。計算過程如公式（6）～（8）所示。

式中，xi為任意點的參數(shù)值；xˉ為試驗段內參數(shù)的平均值；δx 為標準偏差；Ccov 為變動率。

2 結果與分析

2.1 鏵式犁農機不同耕地速度的測試結果分析

圖3A 是鏵式犁農機耕地速度的對比結果。手油門拉到固定位置后，耕地速度迅速升高，但略低于目標值，巡航耕地過程耕地速度有一定范圍的變動，一方面是鏵式犁農機在田間作業(yè)時車輪有一定的滑移，另一方面是土壤特性和麥茬分布有差異。此外，測試誤差也是引起變動的原因之一。由鏵式犁農機耕地過程中五鏵犁消耗的功率可知（圖3B），隨著耕地速度升高，五鏵犁消耗的功率增加，機具消耗的功率與耕地速度成正比。

由鏵式犁農機耕地過程柴油機的輸出功率（圖3C）可知，隨著耕地速度升高，柴油機的輸出功率也在增加。在手油門固定的階段，駕駛員未對農機進行加油和制動等人為干預，但是柴油機輸出功率變動很大，可見鏵式犁農機在耕地過程中，柴油機總是處于瞬變狀態(tài)，并且隨著耕地速度增加，變動越明顯。

由鏵式犁農機耕地過程柴油機的輸出功率（圖3C）可知，隨著耕地速度升高，柴油機的輸出功率也在增加。在手油門固定的階段，駕駛員未對農機進行加油和制動等人為干預，但是柴油機輸出功率變動很大，可見鏵式犁農機在耕地過程中，柴油機總是處于瞬變狀態(tài)，并且隨著耕地速度增加，變動越明顯。

由圖3E鏵式犁農機耕地過程中的燃油流量可知，隨著耕地速度升高，整機的燃油流量增加。燃油流量的變化是引起整機性能參數(shù)變化的根本原因。

2.2 鏵式犁農機不同耕地深度的測試結果分析

由圖4A可知，鏵式犁農機的耕地速度略低于目標速度運行，總體來講滿足試驗要求。耕深為26 cm的工況出現(xiàn)了2次速度降低的現(xiàn)象，可能是此時土壤阻力增大、麥茬纏繞或土壤堆積在犁體上。

由鏵式犁農機耕地過程中五鏵犁消耗的功率（圖4B）可知，隨著耕地深度的增加，五鏵犁消耗的功率增加。與圖3B進行比較，五鏵犁消耗的功率明顯小一些，可見耕地速度對機具功耗的影響十分明顯；五鏵犁消耗的功率隨耕地深度增加的變化率明顯要小于隨耕地速度增加的變化率。可見，耕地速度變化對機具功耗的影響相對耕地深度變化對機具功耗的影響更加顯著。

圖4C為鏵式犁農機耕地過程柴油機的輸出功率， 隨著耕地深度增加，柴油機的輸出功率也在增加。與圖3對比可知，柴油機功率同樣出現(xiàn)顯著變動，再一次證明耕地過程柴油機處于瞬變狀態(tài)。

圖4D為鏵式犁農機耕地過程中五鏵犁功率占柴油機功率的百分比，隨著耕地深度的增加，這一百分比有顯著變動，但是變化較小，這一規(guī)律和圖3D是一致的。

由鏵式犁農機耕地過程燃油流量（4E）可知，隨著耕地深度增加，農機的燃油流量增加。

2.3 鏵式犁農機田間作業(yè)過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2.3.1 均值分析

對耕地過程的數(shù)據(jù)進行平均處理，結果如表4所示。編號1、4和5固定目標速度的3種工況，實際的耕地速度也不完全一樣，隨著耕深的增加，實際速度略有降低。編號1、2和3耕地深度不變時，鏵式犁機具功率百分比變化較?。桓啬繕怂俣炔蛔儠r，鏵式犁機具功率百分比變化略明顯。

2.3.2 偏差分析

選擇以目標速度巡航的耕地過程，對鏵式犁消耗的功率和柴油機輸出功率進行分析，結果如表5所示。由表5可知，在鏵式犁農機以目標速度耕地過程中，鏵式犁的功率和柴油機的功率發(fā)生較大的變動，本研究5種試驗鏵式犁的功率循環(huán)變動率的平均值為9.75%，柴油機的功率循環(huán)變動率的平均值為15.93%；固定耕地深度時，不同耕地速度時鏵式犁的功率變動差異不明顯；固定耕地速度時，不同耕地深度時柴油機的功率變動差異不明顯。本質上是耕地環(huán)境參數(shù)使機具的功率發(fā)生變動，進而促使柴油機的功率變化，而柴油機放大了這一變化范圍。

3 討 論

本研究提出了整機狀態(tài)柴油機功率測量的新方法，并且對五鏵犁農機耕地過程進行了測量，得到了耕地速度、鏵式犁機具功率、柴油機功率、整機油耗等性能參數(shù)。研究結果表明，農機耕地過程目標速度不變，整機實際的運行速度不能保持恒定，各性能參數(shù)波動明顯。鏵式犁機具功率隨耕地速度升高而增大，隨耕地深度增大而增大，在以固定目標速度耕地過程中功率會有變動，循環(huán)變動率的平均值為9.75%。柴油機輸出功率隨耕地速度升高而增大，隨耕地深度增大而增大，在巡航耕地過程中功率會有較大變動，變動率的平均值為15.93%。鏵式犁機具功率占柴油機功率的百分比為56.24%～67.30%，說明柴油機大部分的輸出功率用于機具做功。

劉明勇等[23]采用離散元法仿真對鏵式犁的作業(yè)參數(shù)進行了優(yōu)化研究，本研究采用試驗方法對鏵式犁耕地過程的研究更加具體，可以為農機的作業(yè)優(yōu)化提供更為有效和直觀的參考。張啟森等[24]研究了不同驅動方式對拖拉機性能和油耗的影響，本研究開展了農機具功耗的影響因素研究，以及鏵式犁機具功率與發(fā)動機輸出功率間關系的研究，能夠為農機具優(yōu)化提供實際作業(yè)的技術和數(shù)據(jù)支撐。本研究還發(fā)現(xiàn)鏵式犁農機耕地過程中各部件常處于瞬變狀態(tài)，其主要原因是土壤特性有差異，耕地載荷時刻發(fā)生變化。因此，在農機新產品的設計、零部件選型及性能優(yōu)化等過程中應重點考慮瞬變工況。

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