机组中拖拉机功率的利用方式

第六节　机组中拖拉机功率的利用方式

一、拖拉机用于牵引作业

拖拉机的功率用于牵引工作（包括牵引悬挂农具）是应用最广泛的一种形式。当拖拉机带着牵引机具或悬挂机具进行工作时，其牵引功率主要用于克服机组的牵引阻力。工作中农机具的牵引阻力越大，对拖拉机牵引力的要求就越大，不同阻力的农具就需用相应功率的拖拉机和选用适当的挡次来牵引。农机具的牵引阻力一般可以用拉力表来测定。

（一）农机具的牵引阻力

1．机具牵引阻力的构成　大多农机具的牵引阻力在机组空行时和工作时的阻力大小是不同的。当农机具在运输状态空行时，其阻力称为空行阻力，而农机具的工作机构进行工作时所产生的阻力，称为工作阻力。当然，工作阻力中也包括空行阻力，但二者是有区别的。具有轮子的牵引式农机具的空行阻力实际上就是农机具的滚动阻力，其空行阻力可用下式计算：

R_空=ρG_机iG_机=G_机（pi）（kg）

式中：R_空——农机具的空行阻力（kg）；

　　　G_机——农机具重量（kg）；

　　　ρ——农机具滚动阻力系数；

　　　i——坡度值，即sinα。

联结器的牵引阻力可用类似的公式计算。农机具滚动阻力系数概值可参看表1-8。

表1-8　农机具滚动阻力系数概值

悬挂农具在空行时，其全部重量加在拖拉机上，因此其空行阻力与牵引农具类似，只需将农机具滚动阻力系数改为拖拉机滚动阻力系数即可。拖车的滚动阻力系数可以参照拖拉机的滚动阻力系数进行计算。

农机具牵引阻力的构成比较复杂，而且根据农机具种类的不同，构成阻力的因素也不同，综合起来，农机具的牵引阻力由以下三种阻力构成。

（1）滚动阻力：滚动阻力包括机轮轴套的摩擦、机轮与土壤间的摩擦以及行走装置使土壤压缩变形而产生的阻力等。滚动阻力的大小与机具重量、轮子直径、轮缘宽度等构造参数以及行驶速度、润滑状态、技术调整等使用因素有关。拖车的工作阻力就等于它的滚动阻力。

（2）摩擦阻力：这类阻力有犁铧、犁壁、钉齿、圆盘、锄铲、开沟器等土壤耕作部件与土壤的摩擦，排种装置与种子间的摩擦，传动机构的摩擦等。

这类阻力的大小与作用在摩擦面上的正压力和摩擦系数有关，而摩擦系数的大小又与摩擦面的状态，被加工对象的机械物理性质以及水平等因素有关，摩擦阻力在各种耕作机械中占总阻力的15%～35%。

（3）使加工对象产生变形和运动的阻力：当土壤耕作机械部件工作时，碎土、开沟、培土等将使土壤变形和运动。在收割机上切割茎秆运动也产生阻力。在土壤耕作机械上这类阻力占总阻力的比例较大。例如，牵引式五铧犁工作时使土壤变形和运动，阻力约占总阻力的75%。且这类阻力还将随着速度的增加而增加。

上述三项阻力构成了机具的总阻力，即为农机具的牵引阻力。

2.农机具的单位阻力　农机具单位幅宽或工作断面上所受的阻力，称为农机具的单位阻力，或称为比阻。

（1）犁的比阻：犁的比阻K₀一般指单位工作面上所受的阻力，即：

式中：R_犁——犁的工作阻力；

　　　a——耕深（cm）；

　　　b——一个犁铧的幅宽（cm）；

　　　n——犁铧数。

K₀是一个阻力系数，也称为耕地的土壤比阻。犁的牵引阻力受土壤条件的影响差别很大。表1-9表示在各种类型的土壤条件下犁的比阻概值。

表1-9　在不同土壤条件下犁的比阻概值

必须指出，表内的数据仅使用于概算，为了更确切地解决具体运用计算问题，应用测定拉力的方法来确定土壤的比阻。

耕地的土壤比阻及犁的牵引阻力与土壤湿度、犁的运动速度和耕深之间的关系，其变化范围很大。例如，在正常的土壤湿度下耕地的比阻最小，而在过分干燥或潮湿的土壤条件下耕地时，比阻就增大。在荒地上耕地，犁的比阻要比在熟地上大得多。犁的技术状态对犁的牵引阻力也有很大影响，例如用磨钝了的犁铲工作时，牵引阻力就将大大增加。轮壳的润滑不好，犁壁不清洁以及牵引装置不正确都会使犁的工作阻力增加。此外，随着耕地速度和耕深的增加，阻力也有所增加。

（2）犁以外的农机具的单位阻力：犁以外的农机具如播种机、中耕机、圆盘耙等的牵引阻力，一般以每米工作幅宽的阻力来计算，即：

式中：K——农机具的单位阻力（kg/m）；

　　　R_机——农机具的工作阻力（kg）；

　　　b——农机具的工作幅宽（m）。

各种农机具的单位阻力可参照表1-10。当已知农机具的工作幅宽，按表中所列的单位阻力概值，便可计算出农机具的牵引阻力。

表1-10　各种农机具工作时的单位阻力概值

在实际工作中，无论是中耕机、播种机和耙的牵引阻力与土壤种类、湿度及整地情况，都有很大关系。各种收割机具的阻力，其空行阻力占牵引阻力中的很大比重，如割草机具的阻力，其空行阻力占牵引阻力的55%以上，牵引谷物联合收割机97%的阻力是空行滚动阻力。

3.影响农机具牵引力的因素　在机组作业过程中，农机具的牵引阻力并不是定值，而是经常变动着的，其主要原因是因为土壤机械物理性质、地表状态、地形等的不均匀性，以及农业机械本身的间隙性工作和机组运动速度的影响。例如耕地作业比中耕、播种等项作业要大。值得注意的是不仅是阻力变化的数量，而阻力变化的周期也是很重要的。因为，这种阻力的不均匀的变化周期很短，很容易被机组的能量来克服。如阻力不均匀性反映在发动机上就是外负荷的不均匀性。如果这种不均匀性的变化周期较长，则往往不能依靠机组的能量来克服，所以就要影响发动机的工作，这是在确定发动机合理负荷时必须考虑的。

下面对影响农机具阻力的几个主要因素作简要分析。

（1）土壤湿度：土壤湿度不仅对作业质量而且对农机具比阻、机组生产率和燃油消耗都有影响。为了满足农业技术要求，机组应在最合适的水分范围内工作，与此同时，在合适的土壤水分下工作还可以降低土壤比阻。

一般来讲，在各种土壤条件下有一个合适的土壤湿度范围可以得到最小的比值。这个范围的大小因土壤条件而异。

（2）耕作深度：一般讲，随着耕作深度的增加不仅总阻力增加，而且耕地比阻和单位阻力也有所增加。图1-18表示耕地比阻随耕深而增加的关系。据有关资料表明：如耕地时耕深22cm的阻力为100%，则增加或减少耕深1cm，则犁每米工作幅宽上的阻力相应地增加或减少6.7%。图1-19表示中耕机和播种机构的单位阻力随耕作深度的增加而增加的关系。

图1-18　不同湿度的土壤由于耕地深度不同，犁的牵引阻力、比阻的变化

1．土壤湿度为33.5%　2．土壤湿度为30%　3．土壤湿度为24.6%

图1-19　中耕机，播种机的单位阻力随耕深而变化的关系

1．中耕机　2．播种机

（3）工作部件的技术状态：土壤耕作机具的工作部件，如犁铲、锄铲、圆盘等，磨钝或损坏后，不但使作业质量变坏，而且使机具的阻力增加。试验研究证明：当铧刃厚度增加到3.5mm时，翻耕茬地时的牵引力将比正常的牵引阻力增加48%左右。图1-20表示铧刃厚度与牵引阻力的关系。因此，必须及时更换磨钝了的犁铲或把它磨锐或延展后再用。

图1-20　耕地阻力与铧刃厚度的关系

1.熟荒地　2.割后地

此外，正确地调整、安装、润滑、保养农机具及其工作部件，对于提高作业质量，延长机具寿命和减小机具阻力都有很大意义。

（4）农机具的工作速度：随着农机具工作速度的提高，牵引阻力和比阻也有所增加，如图1-21所示。但在现有速度范围内，牵引阻力的增长与速度的增长相比，阻力的增长相对较慢。例如，速度从4.5km/h提高到6.5km/h，五铧犁的比阻增加10%，而播种机、中耕机的阻力只增加2%～3%。

图1-21　耕地阻力和比阻与机组工作速度的关系

（二）拖拉机牵引力的利用

前面已经分析了农机具牵引阻力的构成和阻力的不稳定性，为了保证拖拉机顺利地牵引农机具工作，拖拉机的牵引力在数值上应略大于农机具的牵引力，并需贮备一定的牵引力，作为克服外界阻力的临时增长，使发动机正常工作。在拖拉机进行牵引工作的情况下，牵引力利用系数η_力是考核拖拉机负荷程度的指标，所谓牵引力利用系数η_力就是在该变速下，机组的牵引阻力与拖拉机正常牵引力之比：

式中：R_组——机组的牵引阻力（kg）；

　　　P_牵正——拖拉机在某一档下的正常牵引力（kg）。

为了充分利用拖拉机的牵引力，从理论上牵引力利用系数η_力值应等于1最为有利。但是在具体生产条件下，因为牵引阻力不均匀性，所以在编制机组时要考虑保留一部分牵引力的贮备。如耕地时，因阻力的波动较大，牵引力的贮备一般应保留10%～15%，播种时阻力波动较小，保留5%的牵引力贮备即可。

同样的道理，拖拉机超负荷工作，即η_力＞1，也是不允许的。因为在这种情况下，会显著降低发动机转速而使机组生产率降低，油料消耗增加，同时也会加速机件损坏。如在上述公式中，等式右边的分子和分母分别乘以工作速度V_工,并设V_工=V_工正ε_n

式中：V_工——在该变速下，与拖拉机负荷R_组和牵引功率N_牵相对应的工作速度；

　　　V_工正——在同一变速下，与拖拉机正常牵引力相对应的正常速度；

　　　ε_n——工作速度比。

由上式可求得牵引功率利用系数：

该公式的含意即为：在该变速下，最大牵引功率的利用系数等于牵引力利用系数和工作速度比之乘积。

拖拉机进行牵引工作时，最合理的牵引力利用系数η_力值，可以直接用试验方法在田间确定。根据过去有关资料提示，按照不同的机组、土地状态和工作种类，牵引力利用系数亦不相同，一般η力值在0.75～0.96的范围内变化。如果单纯追求高的牵引力利用系数，由于农机具阻力的波动性，势必使拖拉机经常处在超负荷边缘工作，从长远来看也是不利的。因此为了使拖拉机能有较可靠的牵引力贮备，已成为当前国际上大量发展大功率拖拉机的因素之一。

（三）拖拉机的合理编组

1.编制机组的意义和目的　为了使拖拉机在农业生产中更好地发挥作用，必须配备一定的工作机械，同时在使用上还需注意充分利用发动机的功率。合理编制机组，就是在这一前提下，根据拖拉机的牵引特性考虑的本单位具体条件。例如，农业技术要求，农机具的配备情况，农机具的工作阻力（或比阻）、地块大小、作物种类等因素，给拖拉机配备相应牌号和相应数量的农机具，从而在保证作业质量和安全生产的基础上，充分利用拖拉机的功率，以提高机组生产率，节约油料消耗，降低作业成本。

目前，许多作业广泛采用悬挂农具，特别是南方各省（区）大量使用了手扶拖拉机，在这种情况下，对于使用单位来讲，一般只要选择相应的配套农机具就可以了，无需进行编组计算。但是在大中型拖拉机带着牵引式作业机械，在地块较大的情况下工作时，需联结两台或更多的农机具作业，以充分利用拖拉机的功率，提高机组各项工作指标，这就要考虑合理编组的问题。

对于已经采用悬挂机组或者因地块较小等原因，拖拉机的功率还没有充分发挥的情况下，学习合理编组的原理，可以加深理解合理利用功率的意义，从而因地制宜地采用各种措施，进一步挖掘设备潜力。例如，采用一次完成几个工序的联合机组、适当提高作业速度或者用高档小油门工作等。

2.编组计算　为了确定机组中作业机械或工作部件数量，可以用试验方法或通过编组计算来确定。

试验方法确定机组中农机具数量时，应根据本单位的具体情况和参考出厂说明或专门手册上的资料进行编组，然后通过实际作业进行检查，并对机组速度、功率利用、机组生产率和燃油消耗等指标进行测定及分析，如果发现拖拉机发动机负荷不足，可以增加作业机械或工作部件的数量；如果在规定的速度下机组不能正常工作或发动机超负荷，则应减少作业机械或工作部件数量以及采取其他措施来解决。

编组计算是根据力平衡方程式进行的，编组计算时应具备一些基本的条件。例如,农业技术要求、进行编组的拖拉机型号、农机具和联结器的牌号、规格和性能资料、农机具的阻力或比阻、适合的作业速度以及田间特性等，其计算方法如下：

（1）耕地机组：拖拉机在某一挡下耕地，机组中可能联结的最大幅宽为：

式中：P_牵正——拖拉机在该挡下的正常牵引力（kg）；

　　　G_拖——拖拉机重量（kg）；

　　　η_力——牵引力利用系数；

　　　i——坡度值；

　　　K₀——土壤比阻（kg/cm²）；

　　　a——耕深（cm）；

　　　g_犁——平均每一犁铧的重量（kg）。

在该编组下应联结的犁铧数为：

式中：b——一个犁铧的幅宽（cm）。

一般所得的犁铧数n是不带小数的值，可去掉小数取其整数。这时计算的牵引力利用系数η力值比原来的值小些，可按实际值计算校正。

（2）耕地机组以外的单式机组：拖拉机在某一挡下可能联结的机组最大幅宽为：

式中：G_联——联结器重量（kg）；

　　　K——农机具单位阻力（kg/m）；

　　　ρ——联结器滚动阻力系数；

　　　g_机——农机具平均每米幅宽重量（kg/m）。

在该编组下应联结的农机具台数为：

式中：b——每台农机具工作幅宽（m）。

所得的农机具台数应取其整数并计算其实际的牵引力利用系数。

（3）复式机组：拖拉机在某一挡下可能联结的复式机组最大幅宽为：

式中：K₁、K₂……——各种农机具的单位阻力；

　　　g₁、g₂……——各种农机具的平均每米幅宽重量（kg/m）。

如果不同类型的农机具的幅宽不同，则各种农机具联结的台数各为：

式中：b₁、b₂……——各种农机具工作幅宽（m）。

所求得的农机具台数n₁、n₂值应取整数。机组中主要工序的农具幅宽即为机组幅宽，而辅助工序所用的农机具构造幅宽应等于或稍大于主要工序所用的农机具的幅宽。例如，耙压耢复式机组中，圆盘耙的构造幅宽为机组的幅宽，而镇压器和耢子的构造幅宽等于或稍大于圆盘耙的构造幅宽。

（四）机组负荷的考核

经过编组计算或根据某些条件进行牵引试验而确定的机组，由于具体的生产条件经常在变化，所以在实际工作中还往往不能达到预期的要求，会出现有时超负荷，有时感到负荷不足的现象。因此，在实际工作中通过负荷来重新考查机组的组成是很重要的。这有利于设备潜力的充分发挥。

负荷考核时一般可通过拉力表测定机组的阻力，再与该挡的正常牵引力相比，得出牵引力利用系数，从而判断机组的负荷程度，在没有拉力表的情况下，负荷考核也可按下列方法进行：

1.根据拖拉机驱动轮转数来判断　根据牵引特性，拖拉机在各种不同的负荷下，其发动机的转速有所变化，可通过检查实际工作中拖拉机驱动轮的转数与正常负荷和完全供油条件下驱动轮的转数相比较从而判断机组的负荷程度。

将已编机组按作业质量要求，在最大供油位置下负荷工作，测出拖拉机驱动轮在3min时间内的旋转圈数（轮式拖拉机需分别测定左右驱动轮圈数后，取其平均值），将此圈数与拖拉机正常负荷（指发动机于额定转速）时驱动轮应该转的圈数相对照，如测定的驱动轮圈数高于相应的数值较多时，则表明拖拉机有负荷不足的现象；反之，低于相应数值较多时，表明有超负荷现象。

几种主要型号拖拉机在完全供油时（发动机于额定转速），3min内驱动轮的转数见表1-11。

表1-11　在额定转速下3min内拖拉机驱动轮的转数

2.检查机组通过一定距离所需的时间　在机组试耕时，利用改变耕作深度的办法使负荷逐渐增加。当负荷大到一定程度，使得机组通过该段预定距离的时间有显著的增加时，说明拖拉机已达到了较高的负荷，发动机大部分时间处在超负荷工作，可依次进行检查和调整。

3.根据拖拉机工作状况判断　机组在田间工作时，可根据拖拉机发动机的工作状况来判断其负荷程度，如是否冒烟，声音及转速有无变化等。在观察中若只有在超越陡坡时才出现超负荷现象，则说明负荷不足，如果在作业中换挡次数特别多，说明负荷偏高。此外，在发动机技术状态正常时，还可根据发动机的工作状况，如发动机的声音、冒烟情况，发动机的水温和油温等，大致估计发动机的负荷程度。

二、拖拉机用于牵引并驱动农机具工作

（一）牵引并驱动农机具作业的特点和分类

这种功率的利用方式，就是除了拖拉机牵引农机具以外，将发动机的一部分功率经由动力输出轴或者皮带轮传到农机具的工作机构。

按照农机具工作机构本身所采用的自转矩性质，其利用方式又可分为以下三类：

1.农机具工作机构的阻力矩随机组速度而变化，如联合收割机机组工作时，其喂入量随拖拉机前进挡位的不同而有所改变。

2.农机具工作机构的阻力矩作周期性的变化，如割捆机组，牧草压捆机组等。

3.农机具工作机构的阻力矩与机组速度的变化无关，如拖拉机牵引喷粉、喷雾机并同时驱动喷粉、喷雾工作机构等。

由此可见，上述一、二类的动力输出轴或皮带轮传递的功率是变化的，而在后一类的情况下，则固定不变。但不管属于何种形式，采用这种功率利用方式，要比依靠农机具行走轮来驱动工作机构的传递效率高，同时因为减轻了拖拉机驱动轮的负荷，而使滑转的损失也减少。所以在单位耕作面积上的能量消耗要比行走轮驱动的方式要少。

（二）动力分配的计算

1.功率消耗于驱动农机具的各机构在拖拉机牵引并同时驱动农机具工作机构的情况下，其中发动机最大有效功率用于驱动农机具工作机构的部分为：

N_输=N_发最大－N_驱

而动力输出轴上获得的实际功率为：

N_轴=N_输η_转动

式中：N_输——由发动机分配给动力输出部分用以传给农机具工作机构的最大功率；

N_发最大——拖拉机发动机的最大有效功率；

N_驱——经拖拉机驱动装置传出的有效功率；

N_轴——动力输出轴上获得的实际功率；

η_转动——发动机至动力输出轴的传递效率。

2.功率消耗于机组的移动　当拖拉机牵引并驱动农机具工作机构工作时，拖拉机用于牵引部分的最大值为：

此时，可能发出的牵引力为：

式中：i_传——拖拉机传动速比；

　　　η_传——拖拉机传动效率；

　　　r_驱——拖拉机驱动轮滚动半径；

　　　n_发——发动机转速；

　　　G_拖——拖拉机重量；

　　　f——拖拉机滚动阻力系数；

　　　i——坡度。

（三）机组的牵引力和牵引功率利用系数

1.牵引力利用系数　在牵引并同时驱动农机具工作机构时的牵引力利用系数是农机具牵引阻力R_阻与拖拉机除去驱动农机具工作机构后，可能用于牵引工作的有效功率产生的最大牵引力P′_牵之比，即：

2.发动机功率利用系数　在拖拉机牵引并同时驱动农机具工作机构时，发动机有效功率N_发包括驱动工作机构所消耗的功率N_输和消耗于牵引工作的功率N′_牵。因此，发动机功率利用系数η为：

经换算后可得出：

式中：R_阻——驱动农机具移动时的牵引阻力（kg）；

　　　V_工——机组工作速度（km/h）；

　　　N_发最大——发动机最大有效功率（马力）；

　　　P_滚——拖拉机滚动阻力（kg）；

　　　η_传——拖拉机传动效率；

　　　η_滑——拖拉机滑转效率；

　　　η_传动——发动机至动力输出轴的传动效率。

三、拖拉机用于固定作业

农业机械化作业中，动力用于打水、脱谷、精选、磨面等各项固定作业时，一般都用电动机和柴油机等固定式动力机械来进行，但有时在没有其他合适的动力机械的情况下，也可以选用拖拉机进行固定作业。不过用拖拉机驱动固定机具工作，不如进行牵引工作有利，这是因为它仅仅利用了发动机，且耗油也较多，所以工作成本往往比专用的固定动力机械要高。

当拖拉机发动机用于驱动固定式机具时，其功率可按下式计算：

式中：N_发最大——拖拉机发动机最大有效功率；

　　　N_机——驱动机具所需要的功率；

　　　η_传——由发动机传到固定机具、皮带轮的传动效率。

这时拖拉机发动机的功率利用系数可用下式计算：

式中：N_发最大——拖拉机发动机最大有效功率。

而总效率为：

η=η_传

在很多情况下，拖拉机用于固定作业时，其发动机功率远远大于固定式机具所需要的功率。因此，当拖拉机发动机只驱动一台固定式机具时，功率利用系数就很低。所以，在实际工作中，为了充分利用拖拉机发动机的功率，都增设了辅助传动装置，以便于同时驱动多台固定式机具进行工作。表1-12为几种固定作业机具工作机构所需的功率。

表1-12　几种主要固定作业机具所需功率略值