拖拉机的牵引特性

第五节　拖拉机的牵引特性

拖拉机牵引特性是拖拉机在田间一定的土壤条件下工作时，各重要动力和经济指标之间相互关系的综合反映。它常用各挡次下以牵引力为函数的变化曲线来表明，将这些曲线同绘在一个曲线图上，组成拖拉机牵引特性图，从而用它来分析和解决有关的实际问题。

反映拖拉机牵引特性的主要指标：第一，牵引功率和最大牵引功率。第二，挂钩正常牵引力和最大牵引力。第三，运动速度。第四，滑转率和滚动阻力。第五，牵引力和贮备系数。第六，每小时燃油消耗量。第七，燃油消耗率。

绘制牵引特性曲线图的方法有两种：一种是根据发动机的调速特性，拖拉机的各效率值和传动比等资料绘制而成，称为理论牵引特性，它主要用于预先估计或者检验拖拉机的牵引性能及其他试验研究；另一种是通过田间牵引试验，根据测得的各种试验数据绘制而成，由于它是通过具体的拖拉机进行实际测定的，因此，更加真实地反映了拖拉机在该条件下的牵引性能。故有较大的真实价值，应用也很广。

凡国产、引进农业拖拉机新产品的鉴定试验和成批生产产品的检查试验，必须按照国家标准进行牵引试验并绘制牵引特性曲线图。

一、拖拉机牵引试验

牵引试验前应做好下列准备工作：第一，应选择土壤类型一致，地面较平坦（坡度应小于5%）测定区端长度不小于30m，并在具有一定代表性的田块里进行。第二，为了及时填写试验测定的数据，应预先拟定记录表格。第三，对拖拉机各部分进行检查，调整和保养，并达到常用的状态。第四，预先在负荷的情况下工作一段时间，使发动机达到正常的工作温度。第五，清除行走装置上的泥土。第六，测定试验田地的土壤坚实度和深度为5cm、10cm、15cm处的土壤湿度。

牵引试验应在拖拉机的每一工作挡下进行，先空行试验，再负荷试验，负荷从零逐渐增到最大，直至拖拉机熄火或接近熄火为止。在试验时，测定通过试验区段的时间、平均牵引力、驱动轮转数、燃油消耗量等，并计算出相应的拖拉机行驶速度、牵引功率、小时耗油量、耗油率、滑转率等。将有关数据填入表1-7中。拖拉机滚动阻力的测定如前所述，用另一台拖拉机作为牵引动力来测定。

表1-7　拖拉机牵引性能主要指标

试验时还应该记录试验开始及终了时的气温、气压、相对湿度和燃油规格等。

为了计算出牵引试验的结果，可以利用下列公式。

发动机曲轴的转速：

式中：N_驱平——一个行程内左右驱动轮的平均转速；

　　　t——一个行程内的持续时间（s）。

拖拉机在一个行程内的平均前进速度：

式中：L——试验行程长度（m）。

拖拉机滑转率：

拖拉机牵引功率：

式中：P_牵——平均牵引力（kg）。

小时耗油量：

式中：Q_时行——一个行程燃油消耗量（kg）。

耗油率:

二、拖拉机牵引特征的分析与运用

不同型号的拖拉机，其功率、转速、重量、行走装置的型式等都不相同，因而在同一土壤条件下各种型号的拖拉机牵引特性是不同的。同样，同一种拖拉机在不同的土壤条件下，其牵引特性也是不同的，尽管这样，各种拖拉机的牵引特性又有其共同的规律，现对牵引特性中各指标的变化规律分析如下：

1.拖拉机的滑转率　滑转率随着拖拉机负荷（即P_牵）的增加而逐渐增加，开始时增加缓慢，当牵引力达到一定程度后，滑转率急剧上升。

2.拖拉机的运动速度　拖拉机无负荷空行时（即P_牵=0）运动速度最高，它取决于发动机转速和拖拉机滑转率的变化。随着牵引力的增加，发动机的转速下降，滑转率也随着增加，速度便缓慢下降，当牵引力达到一定值由于N_发与δ的急剧变化运动速度开始急剧下降。

3.拖拉机的牵引功率　它是速度V_工和牵引力P_牵的乘积，当拖拉机空行时，牵引力P_牵=0，所以牵引功率N_牵=0，随着牵引力的增加，速度稍有下降，故牵引功率基本呈直线上升。当牵引力增加到一定值时，牵引功率达到最高，这时，转折点处的牵引力就称为正常牵引力（P_牵正）。在附着力足够的情况下，它相应于发动机的最大有效功率，当牵引力再增加时，发动机超负荷工作，这时速度V_工显著下降，因此，牵引功率也即骤然下降。当下降到某一程度，发动机熄火，这时的牵引力称为该挡的最大牵引力（P_牵最大）。

4.小时耗油量　当拖拉机空行时，小时耗油量为某一最小值，随着牵引力的增加，小时耗油量也增加，直到相应于最大牵引功率时，小时耗油量为最大，在超负荷范围内，因发动机转速显著下降，所以小时耗油量也随之下降。

5.燃油消耗率　燃油消耗率就是拖拉机平均每牵引马力的小时耗油量，在牵引力小的时候（即轻负担时），由于发动机功率没有完全充分发挥，所以耗油量很大，随着牵引力的增加（即负荷增加）耗油率便下降，在N_牵最大附近处，牵引力已充分发挥出来，此时工作最经济，所以耗油率最低。超负荷时，机器磨损增加，发动机工作性能变坏，耗油率也有所增加。

再从拖拉机在同一土壤条件下不同挡次时的牵引特性看，有以下特点：

第一，由于拖拉机的滑转受速度影响很小，而主要受牵引力（负荷）的影响，因此，在各挡次的滑转率曲线只有一条。

第二，在各挡次下的最大牵引功率N_牵最大是不相等的。这是因为在各挡次下发动机虽然发出最大有效功率，但不能获得相同的正常牵引力，因而，其相应的牵引效率就不同。另外，当拖拉机的驱动轮与土壤间的附着力性能不足时，拖拉机的牵引功率便会显著降低。例如，附着重量较小的轮式拖拉机在土壤松软、水分较大的条件下低速作业时，表现更为明显。

第三，在各挡最大牵引功率时，发动机都发出最大有效功率。所以拖拉机在各挡的最大小时耗油量都是相同的。它就是发动机在额定负荷下的小时耗油量。

第四，在各挡次下，燃油消耗率在轻负荷时急剧上升。

根据以上分析，各种拖拉机在不同土壤条件下，或各挡次下，其牵引特性的变化规律性是一致的。其中与最大牵引功率相对应的牵引力，称为拖拉机的正常牵引力，该转折点处以纵坐标线作平行线，将牵引特性分为两个区域，左边为轻负荷（或正常负荷）区域，是发动机调速器起作用下的工作范围。右边为超负荷区域，则表示调速器不起作用下的工作范围。对使用者来说，为了获得较高的生产率、最低的耗油率，应力求在相应于最大牵引功率的条件下工作，拖拉机的负荷应接近正常牵引力，但又不能使拖拉机经常处于超负荷情况下工作。

有了各种拖拉机在不同土壤条件下的牵引特性，就可以用牵引特性中各挡次的正常牵引力及其相对应的牵引功率、工作速度、小时耗油量、耗油率等数值，来解决机组有关运用计算问题。

三、影响牵引特性的因素和改善方法

（一）驱动装置的构造型式对牵引性能的影响

拖拉机的牵引性能与驱动装置的构造型式关系很大，一般链轨式拖拉机具有较小的接地压力和良好的附着性能，因而在松软的土壤条件下比轮式拖拉机具有较好的牵引性能。同时，因为能发挥出较大的牵引力，所以在装有大功率发动机时，可以获得较高的牵引效率。但是，它的行驶速度较低，并且不适应在硬路面行驶。因而，通用性较差。

轮式拖拉机在坚硬的路面上或坚实的土壤条件下牵引性能较好，但在松软的土壤条件下牵引效率较低，而且随着土壤水分的增加，将使牵引性能显著降低。一般由于轮子与地面附着力的限制，轮式拖拉机往往只有在较高挡次下才能获得较高的牵引效率。

（二）土壤条件对牵引性能的影响

土壤条件对拖拉机的牵引性能影响很大。同一台拖拉机在不同土壤条件下所获得的牵引特性是不同的。

从图1-9中可以看出，土壤表面的坚实度越大，牵引效率越高。因此，同一台拖拉机在坚实的路面上可以发出较大的牵引功率，在割后地上次之，在松软的耕后地上牵引功率发挥较差。

图1-9　地表状态对轮式拖拉机性能的影响

1.耕后地　2.割后地　3.混凝土路面

根据对中型轮式拖拉机在不同土壤水分下进行对比试验表明，土壤水分对牵引性能的影响也较大，一般土壤水分在13%～ 20%以内时附着性能较好，因为水分过大，使土壤水分内部的摩擦力较小，而且轮胎与土壤间的摩擦力也下降，因而附着性能较差。

从以上分析知道，轮式拖拉机在坚硬的路面上和土壤坚实的田间，牵引性能较好，但在土壤松软的条件下牵引效率就低，而且土壤水分增加时，牵引性能显著降低。因此，在土壤性能较差的运输条件下，需要采取一些措施来改善轮式拖拉机的牵引附着性能，一般可以采取以下几种方法：

1.在轮胎外侧增设一个圆笼式的加宽铁轮或安装可卸式轮爪。如图1-10所示，加宽铁笼可以增加驱动轮与土壤的接地面积，铁轮的直径略小于轮胎，这样在较硬的地面上行驶时，只有轮胎落地，便于转移地块。

图1-10　可卸式轮爪

2.在特殊土壤条件下耕作，可以更换特制的轮子。例如，在我国南方一些轮式拖拉机上采用的11-38高花纹轮胎，或采用铁叶轮下水田作业，如图1-11所示。手扶拖拉机下水田作业时，更换的水田专用铁轮如图1-12所示。据试验可提高牵引力40%以上。

图1-11　高花纹轮胎

1.高花纹轮胎　2.塑料镶齿铁轮

图1-12　手扶拖拉机水田间铁轮

3.在轮胎外侧安装固定的或可以伸缩的轮爪或叶轮。

4.在轮胎外缘增设轮爪，用链子固定在轮胎上，不用时可以卸下。

5.在轮式拖拉机和手扶拖拉机上增设附加装置，称为半链轨行走装置，如图1-13所示。

图1-13　半链轨行走装置

这种行走装置可以在土壤湿度很大和一般轮式拖拉机严重打滑的土壤条件下有效地工作。

改善拖拉机附着性能的装置和方法应根据各地的具体情况来选择。例如，在沙土上，只需在驱动轮上直接增加附着重量，就可以增加附着力。因为沙子几乎没有内聚力，如果采取增加土壤的剪切面积，如增设轮爪，就只能增加很少的附着力。相反，当土壤表面湿而又滑，但下面是坚硬的黏土时，则因表土内部摩擦力很小，即使增加更多的附着重量而附着力增加很少。如果采取附加轮爪，则轮爪可以切穿地表而插入黏土层，就可大大增加附着力。在一般土壤条件下，链轨式拖拉机的牵引附着性能较好。但在沼泽地上有时也采取加宽链轨的办法或采用在沼泽地使用的宽链轨板拖拉机以减轻拖拉机对土壤的比压。这样可以防止下陷，改善附着性能。

从以上分析可知，由于土壤及其地表的条件比较复杂，如何主动地从改进拖拉机的行走装置着手，提高其附着性能，已成为需要专门研究的课题。据国外资料介绍，为了提高附着力，已逐渐采用轮缘宽高的、比值较大的大型轮胎，以增加接地面积和防滑能力。用带有布满整个轮胎宽度的径向花纹，以增加接地面积（如图1-14），以及大量生产可以比两轮驱动的牵引性能提高30%以上的四轮驱动拖拉机等。

图1-14　超级型轮胎花纹

（三）附着重量对牵引性能的影响

轮式拖拉机依靠驱动轮与地面之间的附着力传递动力，增加附着重量，也就增加了驱动轮的接地压力，因而增加了轮子与地面的摩擦抗力和土壤的剪切抗力，所以增加了拖拉机的牵引力。

牵引力和附着重量的关系，因土壤条件不同，如图1-15即为轮式拖拉机在不同土壤条件下，牵引力和附着重量的关系。

图1-15　轮式拖拉机牵引力与附着力附着重量的关系

1.混凝土路面　2.干松土　3.沙壤土　4.干沙土　5.苜蓿地　6.砂砾路面

由图可知，在一定土壤条件下，拖拉机牵引力与驱动轮附着重量成直线关系。即拖拉机的牵引力随着附着重量的增加而增加。但是这种关系，只有在滑转率一定时才行，如果在一定的土壤条件下，规定不同的滑转率，则得到不同的直线关系。

图1-16　在不同滑转率下牵引力和附着重量的关系

如图1-16所示，当滑转率一定时，拖拉机的牵引力随着驱动轮的负荷增加而增加。

轮式拖拉机具有较轻的结构重量，这对于提高拖拉机操纵运转的机动性和灵活性，以及在制造中节省金属材料，降低生产成本是有利的。特别是水旱兼用，进行水田作业的拖拉机要轻便灵活，不宜笨重。但是，使用重量太轻，则影响拖拉机牵引性能的发挥，尤其在黏重土壤上作业或牵引载重的拖车上坡时，这一影响就更为明显。

一些资料表明，一般40～60马力的轮式拖拉机在旱田耕作时，使用重量以50～60千克/马力为宜，在水田耕作时，使用重量为40～ 50千克／马力为宜，且前轮的使用重量分配不小于40%。

为了改善拖拉机的牵引性能，在拖拉机上增加附着重量，常采用下列方法：

1.在拖拉机驱动轮上直接增加附着重量，并根据不同作业和条件增减配重。常采用的方法有制成配重块固定在驱动轮上，或在轮胎的内胎中加注液体而使驱动轮加载。

2.要求拖拉机采用液压悬挂装置，利用悬挂农具增加附着重量。如液压悬挂系统中没有力调节装置，还可利用重量转移作用来提高牵引附着性能。60马力轮式拖拉机（整体式液压悬挂系统，CB3-14齿轮泵）用力调节和高度调节两种方法进行田间耕地试验表明，在拖拉机发挥相同牵引力的情况下，采用力调节比高度调节提高牵引率20%～28%，耗油率可降低15%～25%。另外以力调节和高度调节进行田间耕地对比试验表明，当滑转率为12%时，力调节时的牵引力为1000kg，高度调节时的牵引力为400kg；当滑转率为25%时，力调节时的牵引力为1560kg，而高度调节时的牵引力为280kg。

3.从配套农具的设计方面采取措施，增加农具的转移重量，以提高拖拉机的附着性能。

4.地形对牵引性能的影响。拖拉机在坡地或倾斜地面上工作时，其行驶方向如图1-17所示，有上下坡（BB）、横坡（AA）或斜坡（CC）三种情况。为了保持土壤和防止坡耕地上的水、肥流失，最好以横坡沿等高线耕种。但在机械化耕作的情况下，为了提高作业效率，要求垄要长，作业区应呈长方形，所以在坡耕地规划时要加以考虑。

图1-17　拖拉机在坡地上的行驶方向

当拖拉机在坡地上作业时，无论以何种方向行驶，其牵引性能都将发生变化。

在上下坡方向工作时，前面已讲过，拖拉机上坡时必须克服上坡阻力，并相应地要消耗一部分功率；下坡时功率相应增加，但拖拉机在坡地上行驶时，由于其重量分布发生变化，使行走装置对土壤最大比压发生变化，滚动阻力系数相应地增加了。因此，下坡增加的能量要小于上坡损失的能量。试验表明：在10°以内的坡地上工作时，每增加1°，上坡时平均损失的功率约为5%，而下坡时增加的功率约为3%。因此，在坡地上工作时，平均每增加1°，总的功率损失约为2%。

当拖拉机横坡或斜坡行驶时，由于两边行走装置的重量分布发生变化，因此，它对土壤的比压也发生变化，使滚动阻力系数增加。在横坡上拖拉机的重量有一下坡分力，使拖拉机出现横向下坡趋势，同时滑转率也随坡度增加而增加，且两边的滑转率也不一样，而使拖拉机产生向下坡方向转弯的趋势。这些额外的能量消耗，就降低了拖拉机牵引力和运动速度。

此外，拖拉机在坡地上工作时，其纵向和横向的稳定性也将发生变化，一般拖拉机在正常运用条件下工作的纵向坡度，链轨式拖拉机在15°以下，轮式拖拉机在10°以下。当拖拉机在坡地上行驶时，应特别注意安全，以免发生危险。