水田作业轮式拖拉机设计要素分析

曾经，水田作业的轮式拖拉机与正常的旱田拖拉机基本相同，个别区域水田作业的拖拉机装的是水田斜交胎，而旱田拖拉机装的是旱田斜交胎;但是，随着水田作业机械的不断发展，因为水田作业与旱田作业的差异性，用户对拖拉机的要求越来越高，水田作业的拖拉机在性能上的要求不断地被刷新，并且越来越专业化。

根据当前水田作业的轮式拖拉机实际表现情况，笔者总结了一下水田作业的轮式拖拉机的设计要素：

1. 整机结构重量轻，发动机储备扭矩大

水田作业的模式主要是旋耕和打浆，部分区域由于拖拉机的反复作业，导致了水田环境逐年恶化，水田内的硬底层越来越深，导致拖拉机在作业时非常容易陷车，因此，要求拖拉机的重量越轻越好，减少对土壤的破坏，见图1-1;为了保证在陷车时能够迅速的摆脱，同时能够保证水田作业的要求，要求发动机要有足够的扭矩储备。

图1-1 水田土壤结构

 

以某品牌M954K为例，整机结构比质量数值为40.5 kg/kW，另一品牌MD904整机结构比质量数值为42.3 kg/kW，设计手册中一般四轮驱动拖拉机结构比质量为54-75 kg/kW。通常在设计时要求水田机型的发动机扭矩储备不小于30%。

2. 转弯半径小，机动灵活，爆发力强

当前水田的地块一般非常小，长度与宽度一般都小于50米，在拖拉机作业时，来回调头的时间比正常作业的时间还长，作业效率非常低，因此需要拖拉机的转弯半径越小越好。如图2-1所示，转向半径小的拖拉机在地头只需要倒车一次即可，而转向半径大的至少需要倒车两次;

图2-1 转弯半径对水田作业的影响

 

更小的地块作业时，拖拉机直接进行单趟作业，到另一侧地头时倒车空车返回，然后再前进作业，如图2-2：

2-2 小地块水田作业模式

 

因此，在设计水田作业拖拉机时，转向半径是一个非常重要的参数，通常通过加大前桥转向角和缩小拖拉机轴距来实现，当前比较优秀的水田作业拖拉机前桥转向角已经达到55度;为减少拖拉机提速的时间，让发动机尽快达到最佳转速，需要发动机有较强的爆发力，让整机有良好的加速性能。

3. 离地间隙高，通过性好

水田作业转场运输时最不缺少的就是沟沟坎坎;水田作业过程中因为土壤硬底层的不断加深，导致拖拉机的作业深度也不断的增加;为了避免陷车，保证拖拉机的通过性能，要求拖拉机有较大的离地间隙。当前设计时有两种方式提高拖拉机的离地间隙，一是加大拖拉机的轮胎直径，二是提高前驱动桥、前驱传动轴以及整机底部附件的高度，整机布置时这些零部件尽量采用上置的方式，减少陷车时车辆底部的阻力;当前表现优秀的水田作业拖拉机最小离地间隙已经超过450mm，个别已经达到500mm。

图3-1拖拉机进入水田瞬间

 

4. 整机优秀的操纵舒适性及防锈性能

主离合操纵：因为水田地块小，需要频繁的换挡，因此主离合器操纵是使用频率最高的机构之一。水田作业的拖拉机功率一般在120马力以下，这个功率段一般采用了机械操纵离合器，因此设计时需要控制离合器踏板操纵力，一般操纵力不超过180N(设计标准最大要求不超过400N)。部分合资或进口机型采用了湿式离合器，低于7Km/h时前进后退档切换可以不用踩离合;由于离合操纵轴位于传动箱体上，在水田作业时由于环境潮湿，非常容易导致转动部位生锈，严重者甚至完全锈死，导致离合器无法操纵，因此设计时需要考虑防锈。另外，需要注意离合器壳体的密封性能，防止进水导致离合器整体锈死，图4-1为离合器操纵轴生锈情况。

图4-1 离合器操纵轴生锈情况

 

对于机械操纵的主离合器操纵，当前常用的结构是带黄油嘴操纵轴配套粉末冶金衬套的结构，要求用户定期加注黄油润滑;根据研发经验，个人建议采用镀铬操纵轴配套工程塑料衬套的结构，能够有效的避免操纵机构生锈，同时免维护。

副离合操纵：当前市场水田作业拖拉机通常采用独立操纵双作用离合器，副离合器操纵为手柄操纵。因为水田作业主要是通过动力输出轴配带旋耕机或打浆机作业，因此，在田间地头转弯时需要频繁的操纵提升器提升机具，而在提升机具前必须先断开动力输出轴动力传递，否则会导致动力输出轴断裂，所以副离合器操纵的使用频率也非常高，如果操纵力太大会导致机手疲劳，设计标准要求副离合器操纵手柄操纵力不超过200N。当前部分合资品牌或进口品牌采用了湿式动力输出离合器，有的采用机械操纵，有的采用电控操纵，操纵十分轻便;并且电控操纵湿式PTO离合器具有动力输出轴保护功能，在提升机具时如果忘记分离动力输出离合器的话，电控系统能够操纵离合器自动断开。图4-2为当前副离合器操纵型式。

图4-2 当前副离合器操纵型式

 

对于机械操纵的副离合器操纵，具体的防锈措施与主离合器操纵机构一致，对于部分拉线操纵的副离合器，建议拉线的布置尽量提高，防止泥水进入导致操纵力大，避免损坏;如果位置不好改动的话尽量采用拉杆代替。

梭式挡操纵：对于水田作业来说，作业速度范围一般在4-10Km/h，主要是旋耕作业，主变速可以固定于某一个档位，最常用的主要是梭式档，即到达地头时控制整车前进、后退。当前主销机型梭式档有两种布置方式，一种是位于方向盘下方，一种位于座椅左侧或右侧;区别是方向盘下方布置操纵方便，换挡力稍大;而座椅左右侧操纵方便性稍差，但换挡力小;当前日本久保田、韩国乐星均采用了方向盘下方布置的方式，久保田个别机型采用了湿式主离合器，可以在低于7Km/h时操纵梭式档。图4-3为当前梭式档主要布置方式。

图4-3 当前梭式档主要布置方式

 

关于换挡机构的防锈方面，尽量将换挡机构的位置提高，避免布置在车底位置，对于高低速、前驱动等位置较低的档位操纵尽量使用拉杆结构，不要使用推拉索;同时对于这几个部位在箱体上面的拨头轴做好防锈防泥水的措施。

提升操纵：在小地块的水田作业中，提升器的使用频率同样是非常高的，一旦到了地头进行调头，必须要将机具提起来;当前水田作业的拖拉机中主要有三种结构的提升器：电控提升器、强压提升器、力位综合提升器;当前在水田中最为畅销的应该是强压提升器;根据实际作业的情况分析，主要原因是在进入水田时，在田埂较高的部位，需要通过提升器强压功能，强压旋耕机刨土开辟平缓的道路使拖拉机能够进入田中;再就是因为水田草较多，未满足旋耕深度，需要强压。图4-4为力位综合提升器、电控提升器控制手柄。

图4-4 力位综合提升器、电控提升器控制手柄

 

对于提升操纵系统，提升机具时必须断开动力输出轴，否则会导致动力输出轴损坏，在设计时需要考虑，，这一点可以采用当前乐星804的结构，采用湿式PTO离合器，在提升系统上安装传感器，一旦机具提升角度达到规定值时，动力输出轴自动断开，有效的避免了故障的发生;另外，可以考虑一种关联机构，将提升系统与副离合器操纵机构关联起来，一旦提升系统开始提升，同时会分离动力输出离合器。

5. 关键部位防泥水性能、便捷的维修性能

对于水田作业的拖拉机来说，前驱动桥、后桥经常会有部分位置没入水中，如果这些位置密封不好的话会导致泥水进入箱体，导致油液污染、乳化，从而造成传动系统的失效;如果进入离合器或者其他操纵机构的话，会导致离合器锈死，操纵机构无法作用。因此，对于水田作业的拖拉机来说，关键部位防泥水是必不可少的一项工作。

在当前的机型中，水田机型的密封方式有双油封密封、单油封多唇口密封以及盒式油封密封。其中，盒式油封密封是当前存在的密封方式中效果最好的，图5-1所示。在拖拉机的密封部位中，建议驱动轴轮毂、前驱动输出轴、动力输出轴这些外露位置都采用这种油封密封，能够有效的解决渗漏问题;另外对于变速箱的高低速操纵轴、前驱动操纵轴这些位置，尽量采用油封密封的方式来代替O型圈，避免密封位置外部生锈，与箱体锈死在一起。图5-2中分别是前驱输出轴、高低速操纵轴、驱动轴处因泥水进入导致的磨损、锈蚀情况。

图5-1 盒式油封结构

 

图5-2 泥水进入导致的磨损、锈蚀

 

另外，拖拉机作为一种在恶劣工况中作业的动力机械，出现问题的概率还是比较高的，由于拖拉机都是在农忙季节作业，时间非常紧迫，因此在设计时需要考虑易损零件更换的便利性、保养的方便性。主要考虑的有发动机机油机滤、柴滤、空气滤清器、散热器防杂网、液压系统过滤器、电器系统保险丝等的拆卸更换;加注润滑脂的位置是否方便;悬挂机构调整是否便利;动力输出轴、轮毂油封等易损件是否容易拆卸更换等;坚决避免因为一个渗漏油、零部件更换问题拆卸变速箱。

追根揭底，水田作业轮式拖拉机的设计要素就是：可靠性、适应性、舒适性。

根据当前拖拉机的发展情况，预测未来的水田作业拖拉机发展情况：第一，用于水田作业的轮式拖拉机更加专业化，从技术角度出发，动力换向+主变速同步器换挡、湿式PTO离合器、电控提升器逐步普及应用;离地间隙进一步加大，转弯半径进一步缩小，操纵舒适性进一步提高，空调驾驶室机型占比加大;第二，从水田作业机械化的发展角度来看，为适应水田作业，减少对土壤的破坏，履带式、半履带式拖拉机和船式拖拉机将得到进一步的发展。