拖拉機(jī)牽引性能綜合測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展研究

白學(xué)峰 紀(jì)鴻波 李林 田光兆 楊建明

0 前言

牽引是拖拉機(jī)的重要功能之一，牽引性能的優(yōu)劣關(guān)系到拖拉機(jī)整體性能的好壞，是評(píng)判拖拉機(jī)質(zhì)量或技術(shù)水平的重要指標(biāo)?？蒲袡C(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)計(jì)驗(yàn)證中，生產(chǎn)企業(yè)在下線檢測(cè)中，國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械購置補(bǔ)貼推廣鑒定中，均需要對(duì)拖拉機(jī)的牽引性能進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)。目前，我國(guó)每年拖拉機(jī)產(chǎn)銷量在100萬臺(tái)以上，拖拉機(jī)的載體性能決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，因此，有必要加強(qiáng)上述節(jié)點(diǎn)的拖拉機(jī)牽引性能檢測(cè)，保證拖拉機(jī)的合理科學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)，確保拖拉機(jī)的合格下線，確保推廣鑒定試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的權(quán)威準(zhǔn)確。為此，應(yīng)深入把握現(xiàn)有拖拉機(jī)牽引性能檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，分析存在的問題，引導(dǎo)規(guī)范科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的拖拉機(jī)牽引性能試驗(yàn)檢測(cè)，不斷推動(dòng)拖拉機(jī)技術(shù)水平的提升，維護(hù)拖拉機(jī)生產(chǎn)者、使用者的利益。

1 拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 牽引性能測(cè)試相關(guān)要求

拖拉機(jī)牽引性能試驗(yàn)是指利用負(fù)荷車以及拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試拖拉機(jī)的牽引力、牽引功率、燃油消耗等性能的試驗(yàn)，它是拖拉機(jī)性能試驗(yàn)的一個(gè)重要的組成部分，是較全面地測(cè)試拖拉機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的一種有效的手段。對(duì)于新試制的拖拉機(jī)、新引進(jìn)的樣機(jī)以及原有產(chǎn)品的質(zhì)量檢查，都要進(jìn)行牽引試驗(yàn)，以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用。在實(shí)際的拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)，牽引力和牽引功率直接關(guān)系到拖拉機(jī)的動(dòng)力性能，影響著作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效果。

拖拉機(jī)牽引性能指標(biāo)及要求如表1所示。性能要求標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 15370.1-2012《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī) 通用技術(shù)條件 第1部分：50 kW以下輪式拖拉機(jī)》；GB/T 15370.2-2009《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī) 通用技術(shù)條件第2部分：50 kW～130 kW輪式拖拉機(jī)》；GB/T 15370.3-2012《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī) 通用技術(shù)條件 第3部分：130 kW以上輪式拖拉機(jī)》；GB/T 15370.4-2012《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī) 通用技術(shù)條件 第4部 履帶拖拉機(jī)》；GB/T 15370.5-2012《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī) 通用技術(shù)條件 第5部分：皮帶傳動(dòng)輪式拖拉機(jī)》；JB/T 12673-2016《輕型履帶拖拉機(jī) 通用技術(shù)條件》。

試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 3871.9-2006《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)試驗(yàn)規(guī)程 第9部分：牽引功率試驗(yàn)》

農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣鑒定大綱根據(jù)現(xiàn)有拖拉機(jī)技術(shù)水平對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)又提出了更為具體的要求。

表1 拖拉機(jī)牽引性能指標(biāo)及要求

1.2 測(cè)試系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)及工作原理

牽引性能綜合測(cè)試系統(tǒng)是指用于測(cè)量拖拉機(jī)牽引性能的專用測(cè)試系統(tǒng)，包括負(fù)荷車與測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)按拖拉機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)牽引功能性能指標(biāo)的測(cè)試，包括但不限于最大牽引力、最大牽引功率、牽引比油耗、滑轉(zhuǎn)率等數(shù)據(jù)。

1.2.1負(fù)荷車

負(fù)荷車是拖拉機(jī)牽引測(cè)試系統(tǒng)中的重要組成部分，多采用重型輪式拖拉機(jī)進(jìn)行改裝而成，主要作用是在牽引試驗(yàn)中為待測(cè)拖拉機(jī)提供形式阻力。作用具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是為待測(cè)拖拉機(jī)提供行駛阻力（負(fù)荷）的加載，通過對(duì)油門、剎車、檔位的控制提供不同的行駛速度，控制負(fù)荷車與待測(cè)拖拉機(jī)之間的速度差，進(jìn)而為待測(cè)拖拉機(jī)提供不同的負(fù)荷，以此獲取拖拉機(jī)的牽引力變化情況。二是作為牽引測(cè)試系統(tǒng)的載體，擁有專門的駕駛室，可為測(cè)試系統(tǒng)操作人員提供操作空間，為測(cè)試系統(tǒng)提供電源；擁有專門的管道或結(jié)構(gòu)，可供測(cè)試系統(tǒng)線纜的連接與放置。

1.2.2測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)是牽引測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要通過對(duì)速度、轉(zhuǎn)速、拉力、油耗等信息的采集、處理、計(jì)算實(shí)現(xiàn)牽引力、牽引功率、最大牽引功率工況下的牽引比油耗測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)主要由電源、傳感器、數(shù)據(jù)處理與采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、終端等組成，其中，傳感器包括轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器）、速度傳感器、油耗儀等。一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用技術(shù)成熟的數(shù)據(jù)采集卡，較為方便準(zhǔn)確。顯示與操作系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)，使用高級(jí)語言開發(fā)。該軟件可以和數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行較好的配合，且顯示更為直觀，操作簡(jiǎn)單方便。拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)組成見圖1。各主要傳感器如下：

圖1 拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)組成

1）速度傳感器。速度傳感器主要是五輪儀與基于衛(wèi)星定位的傳感器。衛(wèi)星定位傳感器有GPS、北斗等。其中五輪儀是一種獲取車速的傳感器。該傳感器適應(yīng)性、穩(wěn)定性較好，精度適宜，能滿足試驗(yàn)要求。GPS速度傳感器現(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛，多采用高精度的GPS傳感器來進(jìn)行速度的采集。

2）拉力傳感器。拉力傳感器主要用來測(cè)量拖拉機(jī)的牽引力。該測(cè)試系統(tǒng)拉力傳感器采用傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式傳感器，適用性、可靠性較好。

3）油耗計(jì)。油耗計(jì)主要用于測(cè)量各工況下的拖拉機(jī)油耗情況，多采用光電編碼型的油耗傳感器。該傳感器主要由過濾器、缸體、活塞、回轉(zhuǎn)體、配液盤、轉(zhuǎn)軸、碼盤及光電轉(zhuǎn)換元件組成。工作時(shí)，油液推動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，使其每轉(zhuǎn)的排量基本恒定，則轉(zhuǎn)數(shù)與排量成正比，因此，可用做液體流量測(cè)定，是發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)定的理想工具。

4）轉(zhuǎn)速傳感器。按檢測(cè)技術(shù)可分為可變磁阻式、韋根德效應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式、磁控電阻式、各向異性磁阻式、巨磁阻式、光電式轉(zhuǎn)速傳感器。其中，光電編碼器相對(duì)較為精確，技術(shù)較為成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車輛試驗(yàn)中。該測(cè)試系統(tǒng)也采用編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量。試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速傳感器用于測(cè)量驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，基于轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)行駛速度兩個(gè)參數(shù)可以進(jìn)一步獲得拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率。

2 現(xiàn)有綜合測(cè)試系統(tǒng)情況

2.1 負(fù)荷車

負(fù)荷車主要有三種型式，分別是基于輪式拖拉機(jī)改裝的專用負(fù)荷車、基于特種車輛改裝的專用負(fù)荷車、基于輪式拖拉機(jī)簡(jiǎn)易改裝負(fù)荷車。其中，基于輪式拖拉機(jī)簡(jiǎn)易改裝負(fù)荷車多為生產(chǎn)企業(yè)采用，各試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)主要采用基于輪式拖拉機(jī)改裝的專用負(fù)荷車，部分試驗(yàn)鑒定機(jī)構(gòu)采用基于特種車輛改裝的專用負(fù)荷車。

綜合分析來看，基于輪式拖拉機(jī)簡(jiǎn)易改裝負(fù)荷車相當(dāng)于直接在質(zhì)量較重的輪式拖拉機(jī)上搭建測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，精度較差，無專門的操作空間，規(guī)范性、方便性、安全性較差，不適宜規(guī)范的試驗(yàn)檢測(cè)工作?；谔胤N車輛改裝的專用負(fù)荷車控制精度較好，但是該負(fù)荷車靈活性較差，不適宜中小馬力拖拉機(jī)的試驗(yàn)，使用頻率較低，且造價(jià)達(dá)200萬元，維護(hù)成本高。基于輪式拖拉機(jī)改裝的專用負(fù)荷車較為常用，成本適宜，有專門改裝的控制室、傳感器安裝支架、線纜固定管路，操作方便，靈活性較好，是首選的負(fù)荷車方式。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)多由汽車綜合測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展而來。傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)基本以單片機(jī)為核心，顯示操控全部通過采集終端實(shí)現(xiàn)，顯示器為簡(jiǎn)單的液晶顯示屏。目前，測(cè)試系統(tǒng)較為成熟，多是通過電腦終端進(jìn)行顯示操控，顯示界面豐富，能夠全面清晰的顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并記錄數(shù)據(jù)。主要特點(diǎn)如下：

2.2.1開發(fā)系統(tǒng)多元

基于VC或VB開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)，不僅可以開發(fā)出美觀的顯示操控界面，而且較為穩(wěn)定，易于操作校準(zhǔn)。基于虛擬儀表語言LabVIEW開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)，顯示界面美觀簡(jiǎn)潔，程序界面圖形結(jié)構(gòu)，方便調(diào)整，易于開發(fā)升級(jí)。

2.2.2功能多元

牽引測(cè)試系統(tǒng)不再僅僅是牽引性能測(cè)試，已發(fā)展成拖拉機(jī)綜合測(cè)試系統(tǒng)，在滿足牽引性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)噪聲、制動(dòng)性能、踏板力等的試驗(yàn)。測(cè)試系統(tǒng)設(shè)有預(yù)留數(shù)據(jù)傳輸通道，可以增設(shè)噪聲傳感器、拉壓力傳感器等接口，對(duì)程序進(jìn)行調(diào)整升級(jí)，即可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的測(cè)試，無需單獨(dú)的測(cè)試系統(tǒng)，提高了試驗(yàn)檢測(cè)效率。

2.2.3無線數(shù)據(jù)傳輸

傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)多數(shù)是有線數(shù)據(jù)傳輸，存在試驗(yàn)中傳感器連接復(fù)雜，線纜易老化、易破損等問題，維護(hù)成本較高。一些公司及檢測(cè)機(jī)構(gòu)開發(fā)了數(shù)據(jù)的無線傳輸測(cè)試系統(tǒng)：一個(gè)是傳感器到采集終端的數(shù)據(jù)無線傳輸，傳輸距離大于20 m；一個(gè)是采集終端到電腦端的無線傳輸，傳輸距離達(dá)1 000 m以上。

2.2.4操控終端多元化

現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)主要有三種操控終端。采集終端顯示操控，相當(dāng)于簡(jiǎn)配產(chǎn)品，能滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，但是參數(shù)顯示不全面，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分享不方便。電腦顯示操控可實(shí)時(shí)顯示全面數(shù)據(jù)，操控方便，便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分享與報(bào)告的生成。手機(jī)APP操控多配合無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以遠(yuǎn)程操控試驗(yàn)，為多環(huán)境、多場(chǎng)景下的牽引性能試驗(yàn)以及信息化智能化試驗(yàn)檢測(cè)提供了可能性。

3 存在的問題

3.1 測(cè)試系統(tǒng)無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品不統(tǒng)一

暫無拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)企業(yè)及檢測(cè)機(jī)構(gòu)均是按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、傳感器類型、測(cè)試精度、試驗(yàn)方法上存在一定的區(qū)別。系統(tǒng)的不統(tǒng)一帶來了生產(chǎn)企業(yè)下線檢測(cè)或檢測(cè)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)中的數(shù)據(jù)一致性的不確定性，不利于拖拉機(jī)產(chǎn)品一致性的控制。

3.2 無線傳輸技術(shù)可靠性有待提高

無線數(shù)據(jù)傳輸功能雖然簡(jiǎn)單高效，但是該項(xiàng)技術(shù)的可靠性以及穩(wěn)定性還有待提高。一是傳感器較多，通過電臺(tái)實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的高頻實(shí)時(shí)無線傳輸會(huì)出現(xiàn)傳輸不穩(wěn)的情況，還需要進(jìn)一步改進(jìn)電臺(tái)傳輸技術(shù)路線。二是傳感器的供電問題，需要單獨(dú)設(shè)置電源為傳感器供電，需要單獨(dú)的平臺(tái)固定，試驗(yàn)過程中的振動(dòng)可能會(huì)加速系統(tǒng)的折損，影響了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

3.3 負(fù)荷車生產(chǎn)不規(guī)范

檢測(cè)機(jī)構(gòu)多數(shù)能夠按照試驗(yàn)要求提出負(fù)荷車生產(chǎn)的要求（如安全性以及結(jié)構(gòu)布置等），形成專業(yè)化的拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試用負(fù)荷車，有專門的操控空間、線纜固定結(jié)構(gòu)、合理的檔位等。但是一些企業(yè)或檢測(cè)機(jī)構(gòu)直接在既有的拖拉機(jī)上進(jìn)行改裝，結(jié)構(gòu)不盡合理，且存在安全隱患，也影響了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.4 計(jì)量校準(zhǔn)困難

系統(tǒng)的計(jì)量不能按照傳感器單獨(dú)進(jìn)行，而是要整機(jī)計(jì)量，整體的計(jì)量較為困難，相關(guān)計(jì)量機(jī)構(gòu)不具備機(jī)動(dòng)檢測(cè)能力，無法在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)量，而是要全套郵寄或運(yùn)送到計(jì)量機(jī)構(gòu)，容易損壞。

4 發(fā)展建議

4.1 制定測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)制定拖拉機(jī)牽引性能測(cè)試系統(tǒng)通用技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)，明確牽引性能測(cè)試系統(tǒng)相關(guān)術(shù)語定義，明確技術(shù)要求（包括安全要求、功能要求、性能要求等），明確檢定與校準(zhǔn)要求，以及交貨、標(biāo)志、運(yùn)輸和貯存等要求，統(tǒng)一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)要求。

4.2 規(guī)范測(cè)試方法

應(yīng)加強(qiáng)對(duì)拖拉機(jī)牽引性能試驗(yàn)檢測(cè)的監(jiān)督。一是規(guī)范試驗(yàn)檢測(cè)方法。由于缺少測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致檢測(cè)設(shè)備不統(tǒng)一，同時(shí)帶來了試驗(yàn)方法的不一致，產(chǎn)生了數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的不確定性因素，因此，應(yīng)規(guī)范試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)的方法、條件，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的條件一致。二是加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)企業(yè)下線檢測(cè)的監(jiān)督，強(qiáng)化對(duì)拖拉機(jī)質(zhì)量的管控，嚴(yán)防不合格品的流出。