拖拉機技術的發(fā)展展望
2018-02-03
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核心提示:拖拉機作為農業(yè)裝備的核心裝備,自自臺拖拉機發(fā)明以來,拖拉機技術發(fā)展已百余年。從早期笨重的蒸汽機動力、簡單的機械傳動和
拖拉機作為農業(yè)裝備的核心裝備,自自臺拖拉機發(fā)明以來,拖拉機技術發(fā)展已百余年。從早期笨重的蒸汽機動力、簡單的機械傳動和鋼絲索牽引農具,到后來的內燃機和機械液壓傳動,拖拉機技術日趨成熟。20世紀80年代以后,隨著電子控制及信息技術的迅速發(fā)展,拖拉機產品的功能和性能得到飛速提高。而今天在混合動力和全電驅動的席卷而來的背景之下,拖拉機發(fā)展也即將步入一個革命性的發(fā)展階段。
田間作業(yè)拖拉機功率顯著提高
發(fā)展農業(yè)機械化的主要目標之一就是提高勞動生產率。隨著農業(yè)綜合機械化水平的不斷提高,所需動力增加,因此拖拉機的平均功率不斷提高。采用復合作業(yè)可以提率,減少拖拉機在田間的工作次數(shù),減少對土壤的壓實,實現(xiàn)保護性耕作。目前,歐美用于田間作業(yè)的拖拉機功率覆蓋范圍為88~370kW,;在我國拖拉機市場上對功率的追求也在不斷提升,從前幾年的56kW 到現(xiàn)在250kW以上.
農業(yè)拖拉機轉移運輸速度迅速提升
隨著拖拉機功率的提高、牽引力的增大以及電子控制技術的應用,拖拉機田間作業(yè)的速度有所提高,但最為明顯的是拖拉機轉移運輸速度的提高。對于中、小型通用拖拉機而言,運輸是一個重要的作業(yè)工況,速度的提升就意味著生產率的提升。對于大型拖拉機可以有效地減少作業(yè)輔助時間,有效地
提高生產率。因此,國際上主流拖拉機產品的速度在短短的兩年內從40km/h提高到50km/h。更有甚者,JCB公司的8250FASTRAC型拖拉機的速度達到了70km/h。
農業(yè)拖拉機的性、舒適性以及維護保養(yǎng)方便性不斷完善
拖拉機是一種在復雜工況下的非道路作業(yè)機械,性是各國相關法規(guī)和技術規(guī)范的強制性要求。隨著拖拉機技術的發(fā)展,對性的要求已經從對駕乘人員的保護,如防落物系統(tǒng)/防滾翻系統(tǒng)(FOPS/ROPS)駕駛室,逐步發(fā)展成為對機器作業(yè)全過程以及整個作業(yè)環(huán)境的性要求。
對拖拉機駕乘舒適性的要求實質上是性的延伸。經過多年的技術進步,對駕駛員的保護已不僅僅是從出發(fā),同時還更進一步關注對駕駛員的疲勞損傷和環(huán)境損傷。駕駛員的耳旁噪聲指標已經成為產品認證中的一項重要技術指標。其噪聲水平由最初的90dB到目前先進拖拉機的72dB或更低,達到了轎車的水平[6~7]。隨著拖拉機速度提高,4~5年前出現(xiàn)了用于拖拉機高速行駛緩沖減振的主動或半主動懸浮式前橋,短短幾年間中、拖拉機上懸浮式前橋已由選裝變?yōu)闃伺?,而且應用的范圍也?3.5kW 左右的大、中功率拖拉機延伸。同時駕駛室懸架成為的高速減振技術,與前橋懸架、空氣懸浮座椅組成了三級減振系統(tǒng)。維護保養(yǎng)方便性同樣也是人性化設計的產物。免維護、少保養(yǎng)成為農業(yè)拖拉機的一個重要發(fā)展方面。
專業(yè)型、通用型與專用型拖拉機發(fā)展相得益彰
拖拉機誕生之初主要是用于田間作業(yè),但是隨著技術的不斷進步,拖拉機也逐漸應用到了農業(yè)生產的各個方面,從而衍生出了各種不同型式的拖拉機。一般而言,用于田間作業(yè)的大型拖拉機屬專業(yè)型拖拉機,其用途主要是配置大型復合農機具率地進行田間耕作。除田間作業(yè)外兼用于其他作業(yè)則稱為通用型拖拉機,一般整機功率適中,匹配合理,性價比高。另一種拖拉機是非田間作業(yè)的專用型拖拉機,它們的主要用途不在于發(fā)揮牽引力的田間作業(yè),而強調的是根據具體應用進行多功能作業(yè),這種產品的特點是功率雖不大,但是配置齊全、。國際上拖拉機技術發(fā)展已經十分完善,根據各地區(qū)和應用的具體細分要求形成了各種成熟和市場承認的產品類型。
環(huán)保節(jié)能新能源成為拖拉機技術的重要發(fā)展方向
拖拉機配備發(fā)動機的所有技術進步均以有利于環(huán)保和節(jié)能為前提,拖拉機柴油機的排放法規(guī)要求越來越嚴格。4缸和6缸柴油機普遍采用增壓和中冷技術,電控單體泵和高壓共軌技術也逐步得以推廣,生物燃料的研究也正在進一步得到發(fā)展?,F(xiàn)代拖拉機上普遍采用的負荷傳感液壓系統(tǒng),多擋動力換擋和無級變速傳動系,使作業(yè)系統(tǒng)限度地實現(xiàn)節(jié)能。
目前隨著各國排放要求越來越嚴格,歐洲非道路排放標準也升級為歐ⅢB階段,在SIMA展上,大部分企業(yè)已經展出了歐Ⅳ的產品。排放標準越來越嚴苛,當為符合排放標準付出的代價越來越大時,約翰迪爾提前準備,另辟蹊徑不失為一種好的選擇。并且,在未來自動化程度越來越高的時候,也只有電動化才能更加便捷地實現(xiàn)自動化。
拖拉機部件技術的發(fā)展
拖拉機整機性能的提高建立在部件技術發(fā)展的基礎上。為了滿足農業(yè)應用對機械作業(yè)要求的深入和細化,隨著機械、電子、液壓技術的發(fā)展,拖拉機部件逐步得以完善。
拖拉機配套發(fā)動機技術的發(fā)展自1893年魯?shù)婪?middot;狄賽爾(RudolfDiesel)發(fā)明柴油機以來,柴油機技術經歷了誕生、摸索、發(fā)展階段。到20世紀60年代末,柴油機技術發(fā)展基本成熟,隨之柴油機技術向節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展,低排放、超低排放、準零排放和零排放技術成為當今柴油機公司的主要研究內容。應用增壓中冷技術、四氣門技術、廢氣再循環(huán)技術(EGR)、可變增壓器渦輪截面技術(VGT)、電控單體泵和高壓共軌技術以及尾氣后處理等新技術提高燃燒效率,減少能耗和降低排放,以適應日益苛刻的排放法規(guī)要求。將多缸、小缸徑、渦輪增壓柴油機應用到小功率農業(yè)拖拉機上已越來越多,如30kW DeutzFahrAgrokid45型和LamborghiniR145型采用了三菱S4LT62ST缸徑為78mm的四缸增壓柴油機,功率為24.5kW 的MasseyFerguson2405型上也采用了4缸增壓柴油機。
另一方面,大扭矩儲備、高啟動扭矩、高速恒功率、低速恒扭矩和低油耗成為大功率農業(yè)拖拉機配套柴油機的主要特點。例如DeutzFahrAGROTRON100型的DeutzBF4M2012C發(fā)動機啟動扭矩為額定扭矩的126%,油耗為212g/(kW·h);而CASEIH的Maxxum系列發(fā)動機的扭矩儲備均達到40%以上。隨著電控技術的應用,功率提升(powerboost)成為大功率農業(yè)拖拉機配套柴油機的又一個新技術特征。通過電子功率管理系統(tǒng)(EPM)在PTO作業(yè)和高速運輸作業(yè)時,提升功率使發(fā)動機獲得作業(yè)效率。發(fā)動機附件技術也隨著需求的提高而不斷進步。例如,裝有硅油離合器的粘性風扇由于可以優(yōu)化冷卻性能,節(jié)省附件功率消耗,降低噪聲,在農業(yè)拖拉機上得到越來越廣泛的應用??煽仫L葉角度風扇,通過調節(jié)風扇風葉角度獲得不同的風量風速,在作業(yè)循環(huán)終點地頭轉彎時還可逆轉風向,吹風清潔散熱器隔柵。
拖拉機傳動系和車架技術的發(fā)展
農業(yè)拖拉機主要從事農田作業(yè),速度范圍很寬,從3km/h到50km/h甚至達70km/h,多擋、大傳動比和長時間大負荷作業(yè)是農業(yè)拖拉機傳動系的主要特點。對變速箱而言,雖然滑動齒輪換擋目前在國內還有應用,但是在拖拉機技術發(fā)展過程中,到20世紀50年代滑動齒輪換擋時代已經終止,至20世紀70年代末采用嚙合套、同步器結構型式的傳動系已發(fā)展成熟,但是此類機械換擋方式均存在換擋過程中動力間斷問題,在帶負荷作業(yè)時降低了作業(yè)效率。為了進一步提高作業(yè)效率,出現(xiàn)了采用換擋離合器磨擦傳動的動力換擋傳動系,是雙速動力換擋(HiLo),如1969年的Ford的DualPower和1972年JohnDeere的QuadRang傳動系等,隨后是3速、4速及6速動力換擋傳動系,如ZF公司的T7200和T7300傳動系等。至20世紀90年代區(qū)域動力換擋傳動系發(fā)展成熟,傳動系的進一步發(fā)展是全動力換擋變速箱和機械液壓雙流傳動的CVT傳動系,如ZF公司的Smatic、Eccom傳動系,Fendt公司的Vario傳動系和JohnDeere公司的AutoPowr傳動系等.隨和混合動力的介入,像ZF這樣專業(yè)的農業(yè)機械傳動系生產商,已小批量推出了TMT系列混合動力的變速箱,目前還在歐洲小批量的進行樣車配套。在可以預見的未來,混合動力甚至是全電驅動的拖拉機傳動系將向今天的動力換擋技術一樣大規(guī)模的進入國內市場。
ZF TMT變速箱
小功率(小于184kW)和中小功率(18~40kW)拖拉機主要采用同步器換擋傳動系,配備倒擋或同步換向,部分機型采用靜液壓傳動系(HST)或2~3區(qū)段靜液壓傳動系;中功率(40~70kW)拖拉機主要是配置同步器換擋或同步換向,也有部分機型,如Fendt的300Vario系列在中功率段就已配置機械液壓雙流無級變速傳動系;大、中功率段以上的農業(yè)拖拉機上帶有動力換向的動力換擋傳動系是應用的主流,具有的性價比,應用功率范圍正逐步加大。部分動力換擋傳動系應用范圍已擴展到了735kW 功率,如MasseyFerguson6455型和JohnDeere6330型等機型。隨著液壓元件性能的提升,液壓傳動效率有了明顯改善,從而機械液壓雙流傳動的CVT傳動系得到了更為普遍的應用。ZF公司的Smatic、Eccom15可以覆蓋73.5~257kW,Fendt公司從300Vario系列到900Vario系列,功率覆蓋了59~265kW。全動力換擋傳動系雖然由于繼承性的原因,目前還有像CASEIHMaxxumPro系列的機型,但是由于結構復雜成本高,正逐步退出大、中功率段,主要應用在147kW 以上的大功率段拖拉機產品,以發(fā)揮其傳動效率高的特點。
對于前橋而言,隨著拖拉機速度的提高,大、中型拖拉機越來越多地采用液壓空氣懸浮式彈性前橋,其結合分離由管理系統(tǒng)與差速鎖一起進行自動協(xié)調控制,以滿足彈性高速行走與剛性低速作業(yè)兩方面的要求。在CLAAS的ARES836RZ上懸浮式前橋的功能得以進一步延伸,可用于暫時提高地隙,提高通過性。目前,懸浮式彈性前橋在40km/h的機型上為選裝,在50km/h的機型上為標配,并已經向下延伸應用到了735kW 功率段。拖拉機速度提高后的另一個要求就是需要實現(xiàn)四輪制動,滿足制動性能要求。其實現(xiàn)方法一是在前橋中增加制動器,二是在制動時通過控制系統(tǒng)與前驅動聯(lián)動,目前后者的應用更為廣泛。另一方面,為了減小轉向半徑,提高機動性和生產率,在小型拖拉機上應用倍速轉向技術前橋,在大型拖拉機上則應用超級轉向技術前橋。例如CNH公司的超級轉向前橋通過前橋與前托架的聯(lián)動,轉向角甚至達到65°以上。
無架式是輪式拖拉機的傳統(tǒng)結構,除JohnDeere的產品外,幾乎所有的其他知名品牌拖拉機都是采用這一結構。但是近來在較大功率(132kW以上)的農業(yè)拖拉機產品中,全架式和半架式結構的新機型也層出不窮,其原因一是功率提高后牽引力增大,通過半架式結構來彌補發(fā)動機結構承載能力的不足;二是為適合重負荷牽引作業(yè)或懸掛大型復式機具,整機質量分配前橋占的比例增大,已接近或超過50%;三是目前的前懸掛機具作業(yè)和前裝載作業(yè)負荷越來越大,有架式結構可以有效地提高整機結構強度。一些無架式的產品在增加前液壓懸掛裝置時,往往也需要增加兩個邊板與傳動系殼體相聯(lián)接。典型產品有半架式的FendtVario系列產品和全架式的JCBFASTRAC系列產品。
拖拉機液壓系統(tǒng)技術的發(fā)展
拖拉機上液壓系統(tǒng)最初是應用在后懸掛系統(tǒng),由液壓元件的集成化開始逐漸發(fā)展到分置式液壓系統(tǒng)、半分置式液壓系統(tǒng)和整體式液壓系統(tǒng)等幾種不同的系統(tǒng)型式。
目前,液壓懸掛系統(tǒng)型式的發(fā)展又向分置式液壓系統(tǒng)回歸。結合電子控制技術的電控液壓分置式系統(tǒng),在提升力位調節(jié)性能的基礎上,可在整機控制系統(tǒng)的管理下與其他系統(tǒng)聯(lián)合動作,實現(xiàn)復合功能。如拖拉機懸掛農具轉移時,通過對液壓懸掛系統(tǒng)的主動控制實現(xiàn)整機減振,提高行駛速度和性。在駕駛室內右側操縱臺上和外部擋泥板上同時裝有動力輸出及液壓提升控制按鈕,掛接農具時也可在機外控制動力輸出軸的接合分離及機具的升降。雙作用電控液壓懸掛系統(tǒng)能夠實現(xiàn)強壓入土和更好的減振功能,還可以在維修時起到輔助支撐的作用。
液壓懸掛系統(tǒng)的技術規(guī)格有了很大提高,液壓系統(tǒng)流量從30L/min到150L/min,壓力從10MPa到21MPa,液壓輸出從1~2對到6~8對。液壓提升能力后懸掛達到1~105t,前懸掛達到05~5t。由于液壓系統(tǒng)所占用的功率越來越大,節(jié)能就成為液壓系統(tǒng)技術發(fā)展的重要方向。在經歷了定量開心液壓系統(tǒng),變量壓力反饋閉心液壓系統(tǒng)后,目前在大、中功率以上拖拉機的液壓系統(tǒng)已統(tǒng)一采用軸向柱塞變量泵的閉心負載傳感液壓系統(tǒng),并且與電控技術結合實現(xiàn)自動控制,其優(yōu)點在于可根據外部負載要求按需產生液壓功率,限度地節(jié)能降耗,并可以實現(xiàn)多路液壓系統(tǒng)復合作業(yè)。拖拉機整機液壓系統(tǒng)除液壓懸掛系統(tǒng)外還包括轉向液壓系統(tǒng)、傳動系液壓系統(tǒng)、潤滑液壓系統(tǒng)和低壓操縱系統(tǒng)等,在采用負載傳感系統(tǒng)后,往往可以實現(xiàn)一個或多個系統(tǒng)的合并,簡化系統(tǒng)并提率和可靠性。
駕駛室技術的發(fā)展
拉機的駕駛室可占整機成本的20%以上。從最初遮風擋雨的簡易型駕駛室到目前復雜、舒適、和符合人體工程學的駕駛室,其技術發(fā)展主要集中在性、駕乘舒適性和操控人機工程以及人性化設計幾個方面。在性方面,拖拉機多為符合防傾翻保護系統(tǒng)(ROPS)要求的框架式駕駛室,在傾翻時具有容身空間和逃生通道。在駕乘舒適性方面,駕駛室“Ω”型安裝,前后支點可帶被動或主動減振懸架;方向盤及操縱桿件避振安裝;空調的安裝位置、冷風及暖風的流向均經精心設計;駕駛室密封滿足降噪、防塵和防農藥要求;駕駛座椅多選用空氣懸掛座椅甚至主動懸架座椅,剛度、前后位置均可根據駕駛員身高、體重進行調整;方向盤高度可調,立柱傾角前后大角度調整,并可留出寬敞的進出通道。在操控人機工程方面,各操縱按鈕、桿件根據功能進行顏色分類并集中布置在駕駛座右側操縱臺或座椅扶手上,同時根據使用頻度的高低進行分組;整機儀表及燈光控制設計簡潔明了,右側門窗立柱上安裝拖拉機狀態(tài)顯示裝置;發(fā)動機進排氣管與駕駛室框架融為一體;視野可達320°;駕駛室的車梯、扶手、副駕駛座、杯托、文件柜等細節(jié)設計充分考慮人性化要
求。
不同功率段拖拉機的技術配置情況
我國傳統(tǒng)上將功率小于184.kW 的拖拉機稱為小型拖拉機,將18.4kW 以上的拖拉機統(tǒng)稱為大、中、型拖拉機?;蛘咴龠M一步將18.4~51.5kW 稱為中型拖拉機,將51.5kW 稱為大型拖拉機。然而上述功率段的劃分,隨著田間作業(yè)對動力需求的增加,農業(yè)拖拉機功率的顯著提升,與國際上農業(yè)拖拉機的功率段劃分已不吻合。下面將拖拉機按小功率(小于18.4kW),中、小功率(18~40kW),中功率(40~70kW),大、中功率(73.5~143kW)和大功率(147kW 以上)幾個功率段分類,分別針對速度、傳動系、液壓系統(tǒng)和駕駛室等幾個方面的技術特征進行歸納。
拖拉機部件社會化生產方式的發(fā)展
與汽車、工程機械等其他工業(yè)一樣,農業(yè)拖拉機零部件的生產方式也經歷了從主機生產廠商自行生產到OEM生產,再到由獨立部件供應商進行專業(yè)化、社會化生產的發(fā)展過程,但是發(fā)展程度和集中程度有其自身特點。目前,農業(yè)拖拉機零部件獨立供應商主要集中在結構件、駕駛室、液壓元件、前橋以及前后懸掛、拖掛裝置和輪胎等配附件。專業(yè)的社會化生產廠商包括ZF、DANA、CARRARO公司等橋箱供應商,BOSCH REXROTH、SAUER DANFOSSDAKIN、HYDOS等專業(yè)液壓件供應商和GOODYEAR、MICHELIN、BRIDGESTONE等輪胎供應商,以及眾多駕駛室、覆蓋件、操縱臺和控制元件、空調、各種各樣通用件和小零件供應商。前懸掛和前PTO,后牽引拖掛裝置供應商通常是根據市場需求,自行開發(fā)和生產配合某一主機廠拖拉機的前懸掛和前PTO等,然后將產品銷售給該拖拉機的經銷商,由拖拉機經銷商將其產品安裝到拖拉機上后銷售給用戶。與汽車行業(yè)不同的是,對于傳動系這樣的核心技術,像ZF這樣的獨立供應商仍是少數(shù),拖拉機核心部件的通用化、專業(yè)化和社會化生產還沒有達到成熟程度。
現(xiàn)代電子控制技術以及信息化技術在拖拉機技術發(fā)展中廣泛應用
當今拖拉機技術,在機械液壓技術上發(fā)展已臻完善。一代成熟產品底盤的機械液壓系統(tǒng)的生命周期可以長達20年以上。產品技術的升級換代和新產品的開發(fā)更多地借助于現(xiàn)代電子控制技術以及信息化技術對原有底盤技術進行提升,體現(xiàn)在整機造型、駕駛室開發(fā)和電子控制技術的應用上。例如凱斯紐荷蘭公司的凱斯PUMA系列產品,其傳動系是在老機型MAXXUM 系列傳動系升級而成的,但是其外觀造型、覆蓋件和駕駛室、電子控制系統(tǒng)、電子監(jiān)視系統(tǒng)卻是全新開發(fā)的。更有甚者,它與紐荷蘭的新型T7000系列產品同出于一個家族,兩者的差別主要就是外觀特征和駕駛室設計。拖拉機上的電子控制技術目前在發(fā)動機控制、動力換擋系統(tǒng)、CVT變速箱系統(tǒng)、前驅動橋控制、前后橋差速鎖、前后動力輸出軸、離合器、負荷傳感液壓系統(tǒng)、農具輔助操縱系統(tǒng),以及更先進的無級變速傳動系統(tǒng)、主動/半主動前橋懸架系統(tǒng)、駕駛室懸架系統(tǒng)、輪胎氣壓自動調節(jié)、機器視覺、GPS與精準農業(yè)配套變量控制等方面得以廣泛的應用,CAN總線技術已經廣泛而深度的融合到各個廠家的拖拉機產品中??梢哉f電子控制技術已經貫系統(tǒng)架構必須以總線技術來支撐。
現(xiàn)在的電子控制技術也由開始的在各個部件上獨立實現(xiàn)的電子化控制,發(fā)展成為以采用標準化通訊協(xié)議的信息通訊為、核心的網絡化分布式控制技術。隨著信息技術在農業(yè)生產中的應用和精細農業(yè)的興起,拖拉機機組的信息化和智能化控制得到了很大的發(fā)展,成為農業(yè)生產信息化網絡的一個重要節(jié)點。同時隨著電子技術的進一步集成和電驅技術、動力電池技術的進一步發(fā)展,混合動力、電力驅動的拖拉機將會進一步的涌現(xiàn),深度改變拖拉機技術的發(fā)展。
ZF公司拖拉機線控系統(tǒng)方案
上的拖拉機技術已由20世紀50年代液壓技術應用,80年代電子控制技術應用,90年代機電液一體化技術應用這樣大規(guī)模的技術突破,轉為局部的創(chuàng)新和細節(jié)的完善。但是拖拉機技術仍在持續(xù)不停地向前發(fā)展,在老的結構上不斷有創(chuàng)新出現(xiàn),新的技術也不斷地得以應用,在技術成果不斷積累的基礎上就會產生新一輪的技術突破。
目前我國拖拉機技術的發(fā)展水平仍然不高,機械液壓技術應用還未成熟,處于國外20世紀70~80年代的水平,電子控制技術剛剛得以應用。動力換擋變速箱近幾年才大規(guī)模的進入到新疆、東北等農機主要市場,而搭載了國外CVT技術的300馬力以上的拖拉機已經小批量的進入國內市場,在追趕與被追趕中,國外農機巨頭總是以技術優(yōu)勢打壓國內農機生產企業(yè);而現(xiàn)在在新能源拖拉機這以概念或者項目上,我們和國外農機巨頭幾乎處于統(tǒng)一起跑線上,唯有不斷的加碼新技術我們才能在新的拖拉機技術革命中立于不敗之地。
隨著環(huán)境壓力加大和排放要求的提高,我國拖拉機的技術水平將會迎來一個新的機遇期,如何把握好這一歷史機遇是各個主機生產企業(yè)需要考慮的問題。同時由于拖拉機技術的進步,對于用戶和廣大的拖拉機售后市場技術從業(yè)人員來說將會面臨極大的挑戰(zhàn)。諸如在未完全熟悉動力換擋技術的情況下,馬上又將面臨CVT變速箱技術的沖擊,還有后續(xù)混合動力變速箱和全電驅動傳動系的挑戰(zhàn)。極大的技術鴻溝已經形成,如何跨越這一技術鴻溝是擺在每一個從業(yè)者面前的問題。創(chuàng)世孚作為拖拉機技術專業(yè)技術服務公司,一直緊跟技術發(fā)展的步伐,已經形成了從同步器變速箱、動力換擋變速箱、還是CVT變速箱已經后續(xù)的混合動力變速箱等的技術覆蓋,可以提供一站式的技術服務。
田間作業(yè)拖拉機功率顯著提高
發(fā)展農業(yè)機械化的主要目標之一就是提高勞動生產率。隨著農業(yè)綜合機械化水平的不斷提高,所需動力增加,因此拖拉機的平均功率不斷提高。采用復合作業(yè)可以提率,減少拖拉機在田間的工作次數(shù),減少對土壤的壓實,實現(xiàn)保護性耕作。目前,歐美用于田間作業(yè)的拖拉機功率覆蓋范圍為88~370kW,;在我國拖拉機市場上對功率的追求也在不斷提升,從前幾年的56kW 到現(xiàn)在250kW以上.
農業(yè)拖拉機轉移運輸速度迅速提升
隨著拖拉機功率的提高、牽引力的增大以及電子控制技術的應用,拖拉機田間作業(yè)的速度有所提高,但最為明顯的是拖拉機轉移運輸速度的提高。對于中、小型通用拖拉機而言,運輸是一個重要的作業(yè)工況,速度的提升就意味著生產率的提升。對于大型拖拉機可以有效地減少作業(yè)輔助時間,有效地
提高生產率。因此,國際上主流拖拉機產品的速度在短短的兩年內從40km/h提高到50km/h。更有甚者,JCB公司的8250FASTRAC型拖拉機的速度達到了70km/h。
農業(yè)拖拉機的性、舒適性以及維護保養(yǎng)方便性不斷完善
拖拉機是一種在復雜工況下的非道路作業(yè)機械,性是各國相關法規(guī)和技術規(guī)范的強制性要求。隨著拖拉機技術的發(fā)展,對性的要求已經從對駕乘人員的保護,如防落物系統(tǒng)/防滾翻系統(tǒng)(FOPS/ROPS)駕駛室,逐步發(fā)展成為對機器作業(yè)全過程以及整個作業(yè)環(huán)境的性要求。
對拖拉機駕乘舒適性的要求實質上是性的延伸。經過多年的技術進步,對駕駛員的保護已不僅僅是從出發(fā),同時還更進一步關注對駕駛員的疲勞損傷和環(huán)境損傷。駕駛員的耳旁噪聲指標已經成為產品認證中的一項重要技術指標。其噪聲水平由最初的90dB到目前先進拖拉機的72dB或更低,達到了轎車的水平[6~7]。隨著拖拉機速度提高,4~5年前出現(xiàn)了用于拖拉機高速行駛緩沖減振的主動或半主動懸浮式前橋,短短幾年間中、拖拉機上懸浮式前橋已由選裝變?yōu)闃伺?,而且應用的范圍也?3.5kW 左右的大、中功率拖拉機延伸。同時駕駛室懸架成為的高速減振技術,與前橋懸架、空氣懸浮座椅組成了三級減振系統(tǒng)。維護保養(yǎng)方便性同樣也是人性化設計的產物。免維護、少保養(yǎng)成為農業(yè)拖拉機的一個重要發(fā)展方面。
專業(yè)型、通用型與專用型拖拉機發(fā)展相得益彰
拖拉機誕生之初主要是用于田間作業(yè),但是隨著技術的不斷進步,拖拉機也逐漸應用到了農業(yè)生產的各個方面,從而衍生出了各種不同型式的拖拉機。一般而言,用于田間作業(yè)的大型拖拉機屬專業(yè)型拖拉機,其用途主要是配置大型復合農機具率地進行田間耕作。除田間作業(yè)外兼用于其他作業(yè)則稱為通用型拖拉機,一般整機功率適中,匹配合理,性價比高。另一種拖拉機是非田間作業(yè)的專用型拖拉機,它們的主要用途不在于發(fā)揮牽引力的田間作業(yè),而強調的是根據具體應用進行多功能作業(yè),這種產品的特點是功率雖不大,但是配置齊全、。國際上拖拉機技術發(fā)展已經十分完善,根據各地區(qū)和應用的具體細分要求形成了各種成熟和市場承認的產品類型。
環(huán)保節(jié)能新能源成為拖拉機技術的重要發(fā)展方向
拖拉機配備發(fā)動機的所有技術進步均以有利于環(huán)保和節(jié)能為前提,拖拉機柴油機的排放法規(guī)要求越來越嚴格。4缸和6缸柴油機普遍采用增壓和中冷技術,電控單體泵和高壓共軌技術也逐步得以推廣,生物燃料的研究也正在進一步得到發(fā)展?,F(xiàn)代拖拉機上普遍采用的負荷傳感液壓系統(tǒng),多擋動力換擋和無級變速傳動系,使作業(yè)系統(tǒng)限度地實現(xiàn)節(jié)能。
目前隨著各國排放要求越來越嚴格,歐洲非道路排放標準也升級為歐ⅢB階段,在SIMA展上,大部分企業(yè)已經展出了歐Ⅳ的產品。排放標準越來越嚴苛,當為符合排放標準付出的代價越來越大時,約翰迪爾提前準備,另辟蹊徑不失為一種好的選擇。并且,在未來自動化程度越來越高的時候,也只有電動化才能更加便捷地實現(xiàn)自動化。
拖拉機部件技術的發(fā)展
拖拉機整機性能的提高建立在部件技術發(fā)展的基礎上。為了滿足農業(yè)應用對機械作業(yè)要求的深入和細化,隨著機械、電子、液壓技術的發(fā)展,拖拉機部件逐步得以完善。
拖拉機配套發(fā)動機技術的發(fā)展自1893年魯?shù)婪?middot;狄賽爾(RudolfDiesel)發(fā)明柴油機以來,柴油機技術經歷了誕生、摸索、發(fā)展階段。到20世紀60年代末,柴油機技術發(fā)展基本成熟,隨之柴油機技術向節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展,低排放、超低排放、準零排放和零排放技術成為當今柴油機公司的主要研究內容。應用增壓中冷技術、四氣門技術、廢氣再循環(huán)技術(EGR)、可變增壓器渦輪截面技術(VGT)、電控單體泵和高壓共軌技術以及尾氣后處理等新技術提高燃燒效率,減少能耗和降低排放,以適應日益苛刻的排放法規(guī)要求。將多缸、小缸徑、渦輪增壓柴油機應用到小功率農業(yè)拖拉機上已越來越多,如30kW DeutzFahrAgrokid45型和LamborghiniR145型采用了三菱S4LT62ST缸徑為78mm的四缸增壓柴油機,功率為24.5kW 的MasseyFerguson2405型上也采用了4缸增壓柴油機。
另一方面,大扭矩儲備、高啟動扭矩、高速恒功率、低速恒扭矩和低油耗成為大功率農業(yè)拖拉機配套柴油機的主要特點。例如DeutzFahrAGROTRON100型的DeutzBF4M2012C發(fā)動機啟動扭矩為額定扭矩的126%,油耗為212g/(kW·h);而CASEIH的Maxxum系列發(fā)動機的扭矩儲備均達到40%以上。隨著電控技術的應用,功率提升(powerboost)成為大功率農業(yè)拖拉機配套柴油機的又一個新技術特征。通過電子功率管理系統(tǒng)(EPM)在PTO作業(yè)和高速運輸作業(yè)時,提升功率使發(fā)動機獲得作業(yè)效率。發(fā)動機附件技術也隨著需求的提高而不斷進步。例如,裝有硅油離合器的粘性風扇由于可以優(yōu)化冷卻性能,節(jié)省附件功率消耗,降低噪聲,在農業(yè)拖拉機上得到越來越廣泛的應用??煽仫L葉角度風扇,通過調節(jié)風扇風葉角度獲得不同的風量風速,在作業(yè)循環(huán)終點地頭轉彎時還可逆轉風向,吹風清潔散熱器隔柵。
拖拉機傳動系和車架技術的發(fā)展
農業(yè)拖拉機主要從事農田作業(yè),速度范圍很寬,從3km/h到50km/h甚至達70km/h,多擋、大傳動比和長時間大負荷作業(yè)是農業(yè)拖拉機傳動系的主要特點。對變速箱而言,雖然滑動齒輪換擋目前在國內還有應用,但是在拖拉機技術發(fā)展過程中,到20世紀50年代滑動齒輪換擋時代已經終止,至20世紀70年代末采用嚙合套、同步器結構型式的傳動系已發(fā)展成熟,但是此類機械換擋方式均存在換擋過程中動力間斷問題,在帶負荷作業(yè)時降低了作業(yè)效率。為了進一步提高作業(yè)效率,出現(xiàn)了采用換擋離合器磨擦傳動的動力換擋傳動系,是雙速動力換擋(HiLo),如1969年的Ford的DualPower和1972年JohnDeere的QuadRang傳動系等,隨后是3速、4速及6速動力換擋傳動系,如ZF公司的T7200和T7300傳動系等。至20世紀90年代區(qū)域動力換擋傳動系發(fā)展成熟,傳動系的進一步發(fā)展是全動力換擋變速箱和機械液壓雙流傳動的CVT傳動系,如ZF公司的Smatic、Eccom傳動系,Fendt公司的Vario傳動系和JohnDeere公司的AutoPowr傳動系等.隨和混合動力的介入,像ZF這樣專業(yè)的農業(yè)機械傳動系生產商,已小批量推出了TMT系列混合動力的變速箱,目前還在歐洲小批量的進行樣車配套。在可以預見的未來,混合動力甚至是全電驅動的拖拉機傳動系將向今天的動力換擋技術一樣大規(guī)模的進入國內市場。
ZF TMT變速箱
小功率(小于184kW)和中小功率(18~40kW)拖拉機主要采用同步器換擋傳動系,配備倒擋或同步換向,部分機型采用靜液壓傳動系(HST)或2~3區(qū)段靜液壓傳動系;中功率(40~70kW)拖拉機主要是配置同步器換擋或同步換向,也有部分機型,如Fendt的300Vario系列在中功率段就已配置機械液壓雙流無級變速傳動系;大、中功率段以上的農業(yè)拖拉機上帶有動力換向的動力換擋傳動系是應用的主流,具有的性價比,應用功率范圍正逐步加大。部分動力換擋傳動系應用范圍已擴展到了735kW 功率,如MasseyFerguson6455型和JohnDeere6330型等機型。隨著液壓元件性能的提升,液壓傳動效率有了明顯改善,從而機械液壓雙流傳動的CVT傳動系得到了更為普遍的應用。ZF公司的Smatic、Eccom15可以覆蓋73.5~257kW,Fendt公司從300Vario系列到900Vario系列,功率覆蓋了59~265kW。全動力換擋傳動系雖然由于繼承性的原因,目前還有像CASEIHMaxxumPro系列的機型,但是由于結構復雜成本高,正逐步退出大、中功率段,主要應用在147kW 以上的大功率段拖拉機產品,以發(fā)揮其傳動效率高的特點。
對于前橋而言,隨著拖拉機速度的提高,大、中型拖拉機越來越多地采用液壓空氣懸浮式彈性前橋,其結合分離由管理系統(tǒng)與差速鎖一起進行自動協(xié)調控制,以滿足彈性高速行走與剛性低速作業(yè)兩方面的要求。在CLAAS的ARES836RZ上懸浮式前橋的功能得以進一步延伸,可用于暫時提高地隙,提高通過性。目前,懸浮式彈性前橋在40km/h的機型上為選裝,在50km/h的機型上為標配,并已經向下延伸應用到了735kW 功率段。拖拉機速度提高后的另一個要求就是需要實現(xiàn)四輪制動,滿足制動性能要求。其實現(xiàn)方法一是在前橋中增加制動器,二是在制動時通過控制系統(tǒng)與前驅動聯(lián)動,目前后者的應用更為廣泛。另一方面,為了減小轉向半徑,提高機動性和生產率,在小型拖拉機上應用倍速轉向技術前橋,在大型拖拉機上則應用超級轉向技術前橋。例如CNH公司的超級轉向前橋通過前橋與前托架的聯(lián)動,轉向角甚至達到65°以上。
無架式是輪式拖拉機的傳統(tǒng)結構,除JohnDeere的產品外,幾乎所有的其他知名品牌拖拉機都是采用這一結構。但是近來在較大功率(132kW以上)的農業(yè)拖拉機產品中,全架式和半架式結構的新機型也層出不窮,其原因一是功率提高后牽引力增大,通過半架式結構來彌補發(fā)動機結構承載能力的不足;二是為適合重負荷牽引作業(yè)或懸掛大型復式機具,整機質量分配前橋占的比例增大,已接近或超過50%;三是目前的前懸掛機具作業(yè)和前裝載作業(yè)負荷越來越大,有架式結構可以有效地提高整機結構強度。一些無架式的產品在增加前液壓懸掛裝置時,往往也需要增加兩個邊板與傳動系殼體相聯(lián)接。典型產品有半架式的FendtVario系列產品和全架式的JCBFASTRAC系列產品。
拖拉機液壓系統(tǒng)技術的發(fā)展
拖拉機上液壓系統(tǒng)最初是應用在后懸掛系統(tǒng),由液壓元件的集成化開始逐漸發(fā)展到分置式液壓系統(tǒng)、半分置式液壓系統(tǒng)和整體式液壓系統(tǒng)等幾種不同的系統(tǒng)型式。
目前,液壓懸掛系統(tǒng)型式的發(fā)展又向分置式液壓系統(tǒng)回歸。結合電子控制技術的電控液壓分置式系統(tǒng),在提升力位調節(jié)性能的基礎上,可在整機控制系統(tǒng)的管理下與其他系統(tǒng)聯(lián)合動作,實現(xiàn)復合功能。如拖拉機懸掛農具轉移時,通過對液壓懸掛系統(tǒng)的主動控制實現(xiàn)整機減振,提高行駛速度和性。在駕駛室內右側操縱臺上和外部擋泥板上同時裝有動力輸出及液壓提升控制按鈕,掛接農具時也可在機外控制動力輸出軸的接合分離及機具的升降。雙作用電控液壓懸掛系統(tǒng)能夠實現(xiàn)強壓入土和更好的減振功能,還可以在維修時起到輔助支撐的作用。
液壓懸掛系統(tǒng)的技術規(guī)格有了很大提高,液壓系統(tǒng)流量從30L/min到150L/min,壓力從10MPa到21MPa,液壓輸出從1~2對到6~8對。液壓提升能力后懸掛達到1~105t,前懸掛達到05~5t。由于液壓系統(tǒng)所占用的功率越來越大,節(jié)能就成為液壓系統(tǒng)技術發(fā)展的重要方向。在經歷了定量開心液壓系統(tǒng),變量壓力反饋閉心液壓系統(tǒng)后,目前在大、中功率以上拖拉機的液壓系統(tǒng)已統(tǒng)一采用軸向柱塞變量泵的閉心負載傳感液壓系統(tǒng),并且與電控技術結合實現(xiàn)自動控制,其優(yōu)點在于可根據外部負載要求按需產生液壓功率,限度地節(jié)能降耗,并可以實現(xiàn)多路液壓系統(tǒng)復合作業(yè)。拖拉機整機液壓系統(tǒng)除液壓懸掛系統(tǒng)外還包括轉向液壓系統(tǒng)、傳動系液壓系統(tǒng)、潤滑液壓系統(tǒng)和低壓操縱系統(tǒng)等,在采用負載傳感系統(tǒng)后,往往可以實現(xiàn)一個或多個系統(tǒng)的合并,簡化系統(tǒng)并提率和可靠性。
駕駛室技術的發(fā)展
拉機的駕駛室可占整機成本的20%以上。從最初遮風擋雨的簡易型駕駛室到目前復雜、舒適、和符合人體工程學的駕駛室,其技術發(fā)展主要集中在性、駕乘舒適性和操控人機工程以及人性化設計幾個方面。在性方面,拖拉機多為符合防傾翻保護系統(tǒng)(ROPS)要求的框架式駕駛室,在傾翻時具有容身空間和逃生通道。在駕乘舒適性方面,駕駛室“Ω”型安裝,前后支點可帶被動或主動減振懸架;方向盤及操縱桿件避振安裝;空調的安裝位置、冷風及暖風的流向均經精心設計;駕駛室密封滿足降噪、防塵和防農藥要求;駕駛座椅多選用空氣懸掛座椅甚至主動懸架座椅,剛度、前后位置均可根據駕駛員身高、體重進行調整;方向盤高度可調,立柱傾角前后大角度調整,并可留出寬敞的進出通道。在操控人機工程方面,各操縱按鈕、桿件根據功能進行顏色分類并集中布置在駕駛座右側操縱臺或座椅扶手上,同時根據使用頻度的高低進行分組;整機儀表及燈光控制設計簡潔明了,右側門窗立柱上安裝拖拉機狀態(tài)顯示裝置;發(fā)動機進排氣管與駕駛室框架融為一體;視野可達320°;駕駛室的車梯、扶手、副駕駛座、杯托、文件柜等細節(jié)設計充分考慮人性化要
求。
不同功率段拖拉機的技術配置情況
我國傳統(tǒng)上將功率小于184.kW 的拖拉機稱為小型拖拉機,將18.4kW 以上的拖拉機統(tǒng)稱為大、中、型拖拉機?;蛘咴龠M一步將18.4~51.5kW 稱為中型拖拉機,將51.5kW 稱為大型拖拉機。然而上述功率段的劃分,隨著田間作業(yè)對動力需求的增加,農業(yè)拖拉機功率的顯著提升,與國際上農業(yè)拖拉機的功率段劃分已不吻合。下面將拖拉機按小功率(小于18.4kW),中、小功率(18~40kW),中功率(40~70kW),大、中功率(73.5~143kW)和大功率(147kW 以上)幾個功率段分類,分別針對速度、傳動系、液壓系統(tǒng)和駕駛室等幾個方面的技術特征進行歸納。
拖拉機部件社會化生產方式的發(fā)展
與汽車、工程機械等其他工業(yè)一樣,農業(yè)拖拉機零部件的生產方式也經歷了從主機生產廠商自行生產到OEM生產,再到由獨立部件供應商進行專業(yè)化、社會化生產的發(fā)展過程,但是發(fā)展程度和集中程度有其自身特點。目前,農業(yè)拖拉機零部件獨立供應商主要集中在結構件、駕駛室、液壓元件、前橋以及前后懸掛、拖掛裝置和輪胎等配附件。專業(yè)的社會化生產廠商包括ZF、DANA、CARRARO公司等橋箱供應商,BOSCH REXROTH、SAUER DANFOSSDAKIN、HYDOS等專業(yè)液壓件供應商和GOODYEAR、MICHELIN、BRIDGESTONE等輪胎供應商,以及眾多駕駛室、覆蓋件、操縱臺和控制元件、空調、各種各樣通用件和小零件供應商。前懸掛和前PTO,后牽引拖掛裝置供應商通常是根據市場需求,自行開發(fā)和生產配合某一主機廠拖拉機的前懸掛和前PTO等,然后將產品銷售給該拖拉機的經銷商,由拖拉機經銷商將其產品安裝到拖拉機上后銷售給用戶。與汽車行業(yè)不同的是,對于傳動系這樣的核心技術,像ZF這樣的獨立供應商仍是少數(shù),拖拉機核心部件的通用化、專業(yè)化和社會化生產還沒有達到成熟程度。
現(xiàn)代電子控制技術以及信息化技術在拖拉機技術發(fā)展中廣泛應用
當今拖拉機技術,在機械液壓技術上發(fā)展已臻完善。一代成熟產品底盤的機械液壓系統(tǒng)的生命周期可以長達20年以上。產品技術的升級換代和新產品的開發(fā)更多地借助于現(xiàn)代電子控制技術以及信息化技術對原有底盤技術進行提升,體現(xiàn)在整機造型、駕駛室開發(fā)和電子控制技術的應用上。例如凱斯紐荷蘭公司的凱斯PUMA系列產品,其傳動系是在老機型MAXXUM 系列傳動系升級而成的,但是其外觀造型、覆蓋件和駕駛室、電子控制系統(tǒng)、電子監(jiān)視系統(tǒng)卻是全新開發(fā)的。更有甚者,它與紐荷蘭的新型T7000系列產品同出于一個家族,兩者的差別主要就是外觀特征和駕駛室設計。拖拉機上的電子控制技術目前在發(fā)動機控制、動力換擋系統(tǒng)、CVT變速箱系統(tǒng)、前驅動橋控制、前后橋差速鎖、前后動力輸出軸、離合器、負荷傳感液壓系統(tǒng)、農具輔助操縱系統(tǒng),以及更先進的無級變速傳動系統(tǒng)、主動/半主動前橋懸架系統(tǒng)、駕駛室懸架系統(tǒng)、輪胎氣壓自動調節(jié)、機器視覺、GPS與精準農業(yè)配套變量控制等方面得以廣泛的應用,CAN總線技術已經廣泛而深度的融合到各個廠家的拖拉機產品中??梢哉f電子控制技術已經貫系統(tǒng)架構必須以總線技術來支撐。
現(xiàn)在的電子控制技術也由開始的在各個部件上獨立實現(xiàn)的電子化控制,發(fā)展成為以采用標準化通訊協(xié)議的信息通訊為、核心的網絡化分布式控制技術。隨著信息技術在農業(yè)生產中的應用和精細農業(yè)的興起,拖拉機機組的信息化和智能化控制得到了很大的發(fā)展,成為農業(yè)生產信息化網絡的一個重要節(jié)點。同時隨著電子技術的進一步集成和電驅技術、動力電池技術的進一步發(fā)展,混合動力、電力驅動的拖拉機將會進一步的涌現(xiàn),深度改變拖拉機技術的發(fā)展。
ZF公司拖拉機線控系統(tǒng)方案
上的拖拉機技術已由20世紀50年代液壓技術應用,80年代電子控制技術應用,90年代機電液一體化技術應用這樣大規(guī)模的技術突破,轉為局部的創(chuàng)新和細節(jié)的完善。但是拖拉機技術仍在持續(xù)不停地向前發(fā)展,在老的結構上不斷有創(chuàng)新出現(xiàn),新的技術也不斷地得以應用,在技術成果不斷積累的基礎上就會產生新一輪的技術突破。
目前我國拖拉機技術的發(fā)展水平仍然不高,機械液壓技術應用還未成熟,處于國外20世紀70~80年代的水平,電子控制技術剛剛得以應用。動力換擋變速箱近幾年才大規(guī)模的進入到新疆、東北等農機主要市場,而搭載了國外CVT技術的300馬力以上的拖拉機已經小批量的進入國內市場,在追趕與被追趕中,國外農機巨頭總是以技術優(yōu)勢打壓國內農機生產企業(yè);而現(xiàn)在在新能源拖拉機這以概念或者項目上,我們和國外農機巨頭幾乎處于統(tǒng)一起跑線上,唯有不斷的加碼新技術我們才能在新的拖拉機技術革命中立于不敗之地。
隨著環(huán)境壓力加大和排放要求的提高,我國拖拉機的技術水平將會迎來一個新的機遇期,如何把握好這一歷史機遇是各個主機生產企業(yè)需要考慮的問題。同時由于拖拉機技術的進步,對于用戶和廣大的拖拉機售后市場技術從業(yè)人員來說將會面臨極大的挑戰(zhàn)。諸如在未完全熟悉動力換擋技術的情況下,馬上又將面臨CVT變速箱技術的沖擊,還有后續(xù)混合動力變速箱和全電驅動傳動系的挑戰(zhàn)。極大的技術鴻溝已經形成,如何跨越這一技術鴻溝是擺在每一個從業(yè)者面前的問題。創(chuàng)世孚作為拖拉機技術專業(yè)技術服務公司,一直緊跟技術發(fā)展的步伐,已經形成了從同步器變速箱、動力換擋變速箱、還是CVT變速箱已經后續(xù)的混合動力變速箱等的技術覆蓋,可以提供一站式的技術服務。
標簽:
農機,拖拉機
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