果园大棚型拖拉机研究概述.pdf

果园大棚型拖拉机研究概述杜东辉，金鑫，段华威，张韶丹，郝朝增（智能农业动力装备全国重点实验室，河南 洛阳 ；洛阳拖拉机研究所有限公司，河南 洛阳 ；第一拖拉机股份有限公司 中小拖公司，河南 洛阳 ）摘要：简述了国内外果园大棚型拖拉机的现状、存在的问题以及未来的前景展望。对于果园大棚型拖拉机的设计，从整机外形尺寸、发动机及附件系统、传动系统、悬挂系统、液压系统以及覆盖件方面提出了一些设计要点，为后续产品技术提升和对于果园大棚型拖拉机的研究提供一定的参考意义。关键词：果园大棚型；拖拉机；研究中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；目前，我国中小马力拖拉机市场巨大，近几年销量均在 万辆以上，因此许多企业进入到拖拉机行业想来分这块“蛋糕”。由于中小马力拖拉机技术水平不高，同质化严重，中低端市场竞争激烈，企业为追求利益往往降低拖拉机整机配置、降低零部件加工制造精度等，导致企业对于技术研发、产品升级等方面缺乏强力支撑 。年，我国果园种植面积达到了 万公顷（约 亿亩），温室大棚面积达到了 万公顷（约 亿亩），果园大棚农机市场巨大。虽然传统农业型拖拉机数量在市场上已趋于饱和，但农业机械化水平还未全部实现，部分地区面临着“有机难用”的问题，尤其在果园大棚以及特殊经济作物（例如：花生、甜菜等）狭小区域对于小外形尺寸、窄轮距、短轴距、小转向圆的专业型拖拉机需求不断增加，与国外成熟的专业型拖拉机在技术水平方面还存在着很大的差距。国家也出台了一系列相关法规政策支持多功能型拖拉机的研制和产业化，加快推进农业机械化进程。如 国家中长期科学和技术发展规划纲要（）中指出“重点研究开发适合我国农业特点的多功能作业关键装备，经济型农林动力机械”。农业部 农机装备发展行动方案（）中指出“重点突破菜园、果园、设施园艺等专用拖拉机”。果园大棚型拖拉机定义及国内外发展现状 果园大棚型拖拉机定义果园轮式拖拉机主要是用于葡萄园、苹果园等果园耕作和管理作业的轮式拖拉机 ，大棚轮式拖拉机主要是用于温室大棚内部作业的轮式拖拉机。该类机型需满足在大棚或者果树架下进行作业，防止整机外形尺寸过大所导致的大棚作业机动性差、工作效率低，或者在果园中出现与枝杈干涉等问题。国内外发展现状国外没有专业的大棚型拖拉机，在 世纪 年收稿日期：基金项目：中国机械工业集团有限公司青年培育项目（）。第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，代欧美发达国家首次将一般农用拖拉机改装后用于果园作业，并将该类拖拉机归属于专业型拖拉机。到 世纪 年代果园机械及配套农具的快速发展，使得果园作业由人工操作转变到机械作业；进入到 世纪 年代后，欧美发达国家的果园种植已经初具规模，基本上已经普及使用专业型果园拖拉机，专业型拖拉机技术已逐渐成熟 。技术水平比较先进的农机企业都有属于自己特色的专业型拖拉机，例如 公司的 ；公司的 系列 （）、系列 （）和 （），可实现前轮和折腰双重转向，最小转向半径仅为 ；公司的 系列（）；公司旗下的 品牌专业型拖拉机系列等。世纪 年代之前，我国拖拉机主要用于大田农耕作业，果园大棚等专业型拖拉机还未广泛应用，果园生产主要采用人工作业方式；在 世纪 年代之后，我国逐渐引进学习国外农业机械的同时，慢慢开始研制出果园除草机、果园液压升降剪枝机等农业机械。尤其近年来对于适用于果园大棚的专业型拖拉机需求不断增加，国内农机企业相继推出专业型的产品，例如福田雷沃的 、马力段的 平台和 马力段的 平台；黄海金马的 、等多款大棚王产品；中国一拖集团的 、等紧凑型机型；常州东风集团推出的 等适用于果园大棚机型。虽然近年来我国果园大棚型产品日渐丰富，但是多数在传统农业底盘上通过更换窄的前后桥、配套小轮胎等措施进行改制而成，目前在市场上销售的 段的果园机，均是在上世纪八十年代初开发的直联传动小四轮拖拉机的基础上改进而成的，传动系未发生大的变化，用户在使用中出现整机尺寸过大、在果园大棚中机动性和转向性差等问题。近些年，国外先进专业型拖拉机的发展也非常迅速，配套排放要求更高的欧发动机、操纵更舒适的电液控制系统、驾驶室配套有液压减震及空调系统、可选装前中后的液压输出装置、前后悬挂机构、自动导航系统等技术。随着机电液一体化技术的不断发展，液压系统在智能化拖拉机上应用水平逐渐提高，例如电控液压悬挂系统、静液压制动系统、电控液压转向系统以及液压悬浮避震驾驶室等 ，专业型拖拉机能够满足从土地准备 种植 喷药到采摘全过程的使用需求，减轻了用户的劳动强度、提高了作业精度和作业效率。整机零部件的设计要点 整机外形尺寸拖拉机整机外形尺寸过大受多种因素影响，主要存在传动系及前后桥尺寸大、发动机及散热系统尺寸大、小尺寸燃油箱工作时间短、普通悬挂布置不下、驾驶员操作舒适性差等问题，制约着果园大棚型拖拉机的发展。对于上述存在的问题，在设计时可以充分考虑以下部件的选型和优化设计。（）传动系可以通过缩短前、后箱尺寸，后桥可以缩短壳体长度，选用窄轮距、大转向角前驱动桥等措施减少底盘的轴向、横向尺寸和转向圆半径。国内的鲁中 轴距可做到 、轮距 ；东方红 轴距为 、轮距为 ；国外 公司的 轴距为 、轮距为 ；公司的 和 公司 轴距均为 、轮距分别为 和 ；公司的 轴距仅为 、轮距为 ，可大幅度地减少传动系和整机外形尺寸。（）选配小尺寸的发动机，散热系统可采用高效水箱，可大大的缩小整机空间占用，并提高前轮的转向角，减少最小转向圆半径。目前 公司的 系列：机型采用外形尺寸更小的意大利进口发动机（发动机），机身最小可达 、方向盘离地高度为 ，能够实现前轮转向、折腰转向、前轮和折腰双重转向方式，最小转向圆半径可达 ，尤其适用于果园大棚以及设施园艺等领域；公司的 采用欧洲 （公司）发动机，机身最小可达 、方向盘离地高度为 、最小转向圆半径仅为 ；目前国内中马力段发动机尺寸控制较好的为东柴 、扬动 、常柴 等系列，可覆盖功率范围约为 。（）燃油箱是保证拖拉机工作的关键部件，整机工作时间取决于燃油箱容量。对于果园大棚型拖拉机而言，由于整机空间非常有限，为保证燃油箱容量满足整机使用要求，一般采用滚塑油箱，一方面可以在有限的空间内对燃油箱进行仿形设计，尽可能的利用有限的空间增加燃油箱容量；另一方面可以将燃油箱布置于驾驶员后侧，燃油箱高度不高于驾驶员视野高度。为提高整机的工作时间，可以采用前后主副油箱的方式，可显著增加燃油箱的容量。国内多数燃油箱布置在驾驶室底部、发动机上侧或座椅后侧，黄海金马 系列将燃油箱与仪表集成设计，造型美观且空间利用率更高；国外 公拖拉机与农用运输车第 期 年 月司的 将燃油箱布置于后壁板上、公司的 系列将燃油箱布置于散热器前端，可有效的将整机重心前移，避免翘头。（）普通悬挂机构对于窄轮距机型，易与轮胎内侧发生干涉，影响机具的配套和使用，可以将传统型的“”字型悬挂装置进行优化设计，改为“”字型或“”字型，通过小的改变可满足窄轮距机型的配套使用。国内东方红 系列窄轮距（）下拉杆可采用“”字型或“”字型，避让开轮胎和立板内侧。国外窄轮距多数采用“”字型悬挂装置，例如 公司的 窄轮距机型下拉杆采用“”型悬挂机构，下拉杆上开有不同的孔，可通过调整下悬挂点的安装位置，满足不同机具的需求。（）果园大棚型拖拉机相对于传统型，空间更小、功能配置却不少，驾驶员在操作时空间过小，舒适性差。在不考虑成本的情况下，尽可能采用电控操作的方式，例如电子手脚油门、电控切换 转速、电液控制提升悬挂等措施，可大大减少操纵杆件，提升整机的操纵舒适性。例如雷沃公司配驾驶室机型均为全包内饰，将电子手油门、电控提升、电控 集成于操作台上。为提高整机的操纵舒适性，可以采用人机工程分析软件对整机操纵杆件的舒适性进行校核并优化，对于操纵舒适性的提升有一定的积极效果。发动机及附件系统果园大棚型拖拉机由于整机外形尺寸小，则需要发动机及附件系统更加高效紧凑，选用符合排放要求的紧凑型发动机。水箱、中冷器、冷凝器等散热系统均采用高效型散热系统，在机罩内部尽可能将中冷器、水箱芯子、冷凝器（配套空调）与风扇中心共线布置，优化内部风场分布，散热效果达到最佳，避免因长时间工作出现水箱“开锅”问题，影响用户的作业效率。空气滤清器采用内置式，机油滤、燃油滤、机油散热器、燃油散热器等部件内置于机罩内，消声器及后处理（国四）内置，消声管下置，尽可能紧凑布置。国外 公司的 采用电控发动机，燃油消耗率低、功率大、扭矩储备高，全铝板翅式散热器结构，散热快、寿命长。传动系统传动系是拖拉机工作的核心。对于果园大棚型拖拉机而言，传动系尺寸是影响整机尺寸的重要因素，如何才能既保证传动系工作可靠，又让传动系尺寸尽可能小是个关键问题。传动系主要包括前箱、后箱、末端传动及后置 ，为减少整机轴距，需要将变速箱轴向尺寸缩短，通过采用 有限元分析方法，校核改进前的前箱、后箱以及轴齿类零件的强度，对于强度余量较大的可以适当降低、对于影响轴向尺寸的关键零件，可以在减小轴向尺寸的同时，优化加工制造工艺或在关键区域进行强化处理，并对改进后的前箱、后箱以及轴齿类零件进行强度分析，满足整机可靠性使用要求，大幅度减少前箱和后箱的轴向尺寸，并可降低生产成本。对于配套窄轮距需求，可将末端壳体和主副操纵上盖横向缩短。通过上述方式优化改进后，可更好地匹配果园大棚型拖拉机的需要，从根源上解决整机外形尺寸大、轴距长的问题。目前国内潍柴和玉柴公司通过将发动机与传动系一体化匹配设计，减少了整机尺寸，提高了动力传输效率。悬挂系统通用型悬挂机构可适用于传统的农业型拖拉机，对于专业型窄轮距机型不具有良好的适应性，悬挂杆件易造成轮胎干涉、枝杈干涉，影响整机在果园中的通过性。因此，缩小悬挂杆件结构尺寸对于窄轮距拖拉机的设计具有重要作用。针对果园大棚用途的拖拉机，需要整机结构紧凑，传统的提升悬挂结构没有空间进行布置且存在作业适应性差等问题，紧凑型整机多采用“”字型或“”字型悬挂装置，通过将两侧下拉杆靠近轮胎内部处跨距收窄，超出轮胎外径并预留安全距离情况下将两侧下拉杆跨距加大，满足与机具的配套。该结构紧凑，有效解决了传统“”字型悬挂装置窄轮距拖拉机配套农具问题，以及在拖拉机作业时因过大的摆动而产生的干涉问题，可有效地缩小空间尺寸，具有结构紧凑、性能稳定、使用可靠等优点，解决了因果园大棚等狭小区域作业空间受限，传统型提升悬挂易与周围部件干涉的问题。液压系统果园大棚拖拉机在果园中主要进行旋耕、挖穴、除草、喷药、开沟施肥、果实采摘、果树修建、装载、运输等作业，在大棚中主要进行开沟、起垄、犁耕、旋耕等作业，可以配套前置、中置或者后置液压输出。国外多是配套 组，前置或后置悬挂机构可满足果实采摘、挖穴、装载、运输等作业用途。液压系统日本多是采用分置式、欧美国家多采用半分置式，并能够实现力、位、浮动等控制；通过在液压提升系统中增加强压入土下降速度调节阀的措施，能够解决机具下降冲击大和中立位置油液泄流量大的问题，对于紧凑型中小马力拖拉机的技术提升具有一定的推动作用。覆盖件果园大棚的紧凑型拖拉机由于空间有限，通常杜东辉等：果园大棚型拖拉机研究概述采用将燃油箱布置于机罩内部、消声和空滤内置、排气管下置等尽可能的将部件在整机上紧凑布置的方式；机罩可采用上下分置式设计，下半部分尽可能将部件和线束包裹进去，上半部分将水箱等部件罩进去，能够实现开合，不仅结构紧凑，而且减轻了驾驶员需要开合机罩的操纵力；后仪表罩一般采用仿形设计，尽可能的紧凑、小巧，增加预留给驾驶员的操纵空间。配套驾驶室的果园大棚拖拉机一般采用四柱式框架结构、大弧度的门窗玻璃、上凸式空调，可提高驾驶员的视野和操作空间。国内雷沃 拖拉机机罩采用上下分体式，超大进气网，能够避免用户受到旋转件伤害和防止杂草进入机体，出现高温燃烧问题；国外的 公司的 机罩采用大进气网、仿形设计，与机体有着高度的贴合度，并且机罩内部增加隔断，可将冷热风隔开，避免热风回流，保证具有良好的散热性能。前景展望随着科学技术的不断发展，智能控制技术、机电液一体化技术、人机工程技术以及电驱动等技术在果园大棚拖拉机上的应用会越来越多。在智能化方面，将所有重要或操纵频繁的动作采用电控的方式，集成于智能控制面板上，大大地减少了操纵杆件，能够通过显示屏控制拖拉机上的工作装置；能够自动控制发动机的外特性曲线，根据作业工况和负荷控制发动机的喷油量，可显著地降低拖拉机的燃油消耗；能够自动控制机具的耕作深度，提高工作精度。在机电液一体化方面，目前的技术还不太成熟，经过不断的发展之后，自动避障液压悬挂系统、动力换向及动力换挡技术、静液压离合及制动系统、超级转向 倍速转向、液压避震驾驶室等技术应用在拖拉机上。东 风 井 关 已 推 出 动 力 换 向 机 型（羿农 ），、等公司产品上动力换挡技术已趋于成熟。国外 公司（系列）已采用液压避震驾驶室技术；公司的产品已采用超级转向技术，轮胎相对于前桥转动 后，前桥还可以相对于机体转动约 ，转向圆半径可降低约 ；公司也推出了具有倍速转向功能的产品，当转向角超过 时，传动速比增加，转速提高，转向时间降低约 ，显著提高了驾驶员工作效率、降低了工作强度。在人机工程方面，更加注重驾驶员操作的舒适性，减少操纵杆件的布置，全部采用旋钮式、触屏或语音式操作。随着加工制造工艺的不断提高，零部件的加工精度和装配精度也会越来越高，整机的振动及噪音会大大减小，提高了驾驶员的驾乘体验。在电驱动方面，随着电池续航能力的不断加长，目前部分公司对于电动拖拉机已经有了一定的研究，例如 公司研究出来的 拖拉机，功率为 ，采用 的充电设备进行充电 ，正常工作可达 之久，目前目标客户主要针对萄萄园、酿酒厂和小型农场。国内部分高校对电动拖拉机也有一定的研究，例如南京大学、中国农业大学、西北农林科技大学、江苏大学、河南科技大学等高校 ，并取得了一些成果，试制出来的中小功率农业机械能够满足除草、播种、插秧、挖穴等基本作业，但中大功率的电动拖拉机还在研究阶段，未有成熟的样机 。总的来讲，专业型拖拉机逐渐向智能化、无人化、电驱动、精准作业等方向发展，整机操纵会更加的舒适、可靠、节能环保。结束语本文简述了果园大棚型拖拉机国内外现状，针对存在的问题并提出在设计时应注意的事项，以及对果园大棚型拖拉机未来的前景展望。国内果园大棚型拖拉机与国外先进产品还存在一定的差距，尤其在自动化、智能化、加工制造以及电驱动等方面仍然存在着明显不足，后续应持续加强创新，提高产品的核心竞争力，缩短与国际先进产品的差距。参考文献：赵剡水，杨为民 农业拖拉机技术发展观察 农业机械学报，（）：陈巧敏 中国农业机械化年鉴 北京：中国农业科学技术出版社，中华人民共和国国务院 国家中长期科学和技术发展规划纲要（年）（中华人民共和国国务院）经济管理文摘，（）：佚名 工信部农业部发改委联合印发 农机装备发展行动方案（）农村牧区机械化，（）：邹娇蓉，李晨硕，吕阳雷，等 对研发我国专业型果园轮式拖拉机的思考和建议 拖拉机与农用运输车，（）：冯春凌，徐培，晋东辉 对我国果园型轮式拖拉机研发的思考 拖拉机与农用运输车，（）：丁为民 农业机械学 北京：中国农业出版社，白学峰，马立新，乔璐，等 国内外农用拖拉机先进技术研究及对比分析 中国农机化学报，（）：（下转第 页）拖拉机与农用运输车第 期 年 月法，如车辆选线、作业车间调度和性能评估等，超越了过去使用的典型模型和方法。农业管理的最新发展为合作的多机械执行系统的规划作业提供了框架，是未来全自主系统的前期铺垫。必须进一步发展实时决策支持系统，以便在实时机器控制中完成传感 数据解释 决策 执行的循环。不同管理级别之间缺乏一体化，妨碍了充分利用所开发的方法的精确性和准确性，并妨碍它们适应特定地点的条件。我国是一个农业大国，农业经济是我国发展的重中之重，发展农业经济要积极应用现代化农业信息技术 ，农业机械管理有利于实现农业生产现代化、有利于改善农民的经济水平，实现各地区的协调发展。参考文献：，（）（塔希尔）信息通信技术（）对巴基斯坦旁遮普农业社区农业发展的影响 中国农业大学，裴洪轩 浅谈现代农业机械管理与农业机械新技术应用 南方农机，（）：赵红梅 浅议信息管理技术在农业机械管理中的应用 农业开发与装备，（）：丁宝鑫，李宇飞 农业机械管理的升级与优化 农机使用与维修，（）：（），：，（），（），（），（）：，（），张源，秦誉嘉，张岳等 基于集成模型预测外来入侵植物北美刺龙葵的适生区 植物保护学报，（）：，（），（），（），（）：，（），（），（），（），（）罗玉叶 基于 模型的不同农业管理措施对福建省水田土壤“碳汇”贡献研究 福建农林大学，：，（），（），杨铮，李宏庆，翟家宁，等 农业废弃物养分循环利用技术模式评估模型的研究进展 应用生态学报，（）：，（），（），赵鹏飞，王旭峰，王龙 农业机械管理现状及未来展望 现代农业科技，（）：（编辑张晓超檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷）（上接第 页）杨吉生，任冬梅 国内电动拖拉机关键技术研究现状 农业装备与车辆工况，（）：高辉松 电动拖拉机驱动系统研究 南京：南京农业大学，高辉松，王珊珊，朱思洪 电动拖拉机驱动力与传动效率特性试验 农业机械学报，（）：沈文龙，周俊，姬长英，等 中国电动拖拉机研究进展 中国农机化学报，（）：谢斌，张超，毛恩荣，等 基于 的电动拖拉机驱动控制器设计与室内试验 农业工程学报，（）：（编辑张晓超）作者简介：杜东辉（），男，河南平顶山人，工程师，硕士研究生，主要从事拖拉机整机设计研究。拖拉机与农用运输车第 期 年 月