拖拉机牵引性能综合测试系统发展研究

白学峰 纪鸿波 李林 田光兆 杨建明

0 前言

牵引是拖拉机的重要功能之一，牵引性能的优劣关系到拖拉机整体性能的好坏，是评判拖拉机质量或技术水平的重要指标。科研机构、生产企业在设计验证中，生产企业在下线检测中，国家农业机械购置补贴推广鉴定中，均需要对拖拉机的牵引性能进行综合测评。目前，我国每年拖拉机产销量在100万台以上，拖拉机的载体性能决定了农业生产的效率，因此，有必要加强上述节点的拖拉机牵引性能检测，保证拖拉机的合理科学研发设计，确保拖拉机的合格下线，确保推广鉴定试验检测数据的权威准确。为此，应深入把握现有拖拉机牵引性能检测系统发展现状，分析存在的问题，引导规范科学标准的拖拉机牵引性能试验检测，不断推动拖拉机技术水平的提升，维护拖拉机生产者、使用者的利益。

1 拖拉机牵引性能测试系统简介

1.1 牵引性能测试相关要求

拖拉机牵引性能试验是指利用负荷车以及拖拉机牵引性能测试系统测试拖拉机的牵引力、牵引功率、燃油消耗等性能的试验，它是拖拉机性能试验的一个重要的组成部分，是较全面地测试拖拉机的动力性、经济性的一种有效的手段。对于新试制的拖拉机、新引进的样机以及原有产品的质量检查，都要进行牵引试验，以用于指导设计、生产和使用。在实际的拖拉机作业时，牵引力和牵引功率直接关系到拖拉机的动力性能，影响着作业质量和作业效果。

拖拉机牵引性能指标及要求如表1所示。性能要求标准：GB/T 15370.1-2012《农业拖拉机 通用技术条件 第1部分：50 kW以下轮式拖拉机》；GB/T 15370.2-2009《农业拖拉机 通用技术条件第2部分：50 kW～130 kW轮式拖拉机》；GB/T 15370.3-2012《农业拖拉机 通用技术条件 第3部分：130 kW以上轮式拖拉机》；GB/T 15370.4-2012《农业拖拉机 通用技术条件 第4部 履带拖拉机》；GB/T 15370.5-2012《农业拖拉机 通用技术条件 第5部分：皮带传动轮式拖拉机》；JB/T 12673-2016《轻型履带拖拉机 通用技术条件》。

试验方法标准：GB/T 3871.9-2006《农业拖拉机试验规程 第9部分：牵引功率试验》

农业机械试验鉴定推广鉴定大纲根据现有拖拉机技术水平对各项指标又提出了更为具体的要求。

表1 拖拉机牵引性能指标及要求

1.2 测试系统主要结构及工作原理

牵引性能综合测试系统是指用于测量拖拉机牵引性能的专用测试系统，包括负荷车与测试系统，可实现按拖拉机相关标准对牵引功能性能指标的测试，包括但不限于最大牵引力、最大牵引功率、牵引比油耗、滑转率等数据。

1.2.1负荷车

负荷车是拖拉机牵引测试系统中的重要组成部分，多采用重型轮式拖拉机进行改装而成，主要作用是在牵引试验中为待测拖拉机提供形式阻力。作用具体表现在两个方面：一是为待测拖拉机提供行驶阻力（负荷）的加载，通过对油门、刹车、档位的控制提供不同的行驶速度，控制负荷车与待测拖拉机之间的速度差，进而为待测拖拉机提供不同的负荷，以此获取拖拉机的牵引力变化情况。二是作为牵引测试系统的载体，拥有专门的驾驶室，可为测试系统操作人员提供操作空间，为测试系统提供电源；拥有专门的管道或结构，可供测试系统线缆的连接与放置。

1.2.2测试系统

测试系统是牵引测试系统的关键部分，主要通过对速度、转速、拉力、油耗等信息的采集、处理、计算实现牵引力、牵引功率、最大牵引功率工况下的牵引比油耗测试。测试系统主要由电源、传感器、数据处理与采集系统、数据存储、终端等组成，其中，传感器包括转速传感器（编码器）、速度传感器、油耗仪等。一些数据采集系统采用技术成熟的数据采集卡，较为方便准确。显示与操作系统基于Windows操作系统，使用高级语言开发。该软件可以和数据采集卡进行较好的配合，且显示更为直观，操作简单方便。拖拉机牵引性能测试系统组成见图1。各主要传感器如下：

图1 拖拉机牵引性能测试系统组成

1）速度传感器。速度传感器主要是五轮仪与基于卫星定位的传感器。卫星定位传感器有GPS、北斗等。其中五轮仪是一种获取车速的传感器。该传感器适应性、稳定性较好，精度适宜，能满足试验要求。GPS速度传感器现在应用较为广泛，多采用高精度的GPS传感器来进行速度的采集。

2）拉力传感器。拉力传感器主要用来测量拖拉机的牵引力。该测试系统拉力传感器采用传统的电阻应变式传感器，适用性、可靠性较好。

3）油耗计。油耗计主要用于测量各工况下的拖拉机油耗情况，多采用光电编码型的油耗传感器。该传感器主要由过滤器、缸体、活塞、回转体、配液盘、转轴、码盘及光电转换元件组成。工作时，油液推动液压马达旋转，使其每转的排量基本恒定，则转数与排量成正比，因此，可用做液体流量测定，是发动机油耗测定的理想工具。

4）转速传感器。按检测技术可分为可变磁阻式、韦根德效应式、霍尔效应式、磁控电阻式、各向异性磁阻式、巨磁阻式、光电式转速传感器。其中，光电编码器相对较为精确，技术较为成熟，已经广泛应用于车辆试验中。该测试系统也采用编码器进行转速的测量。试验中，转速传感器用于测量驱动轮的转速，基于转速与拖拉机行驶速度两个参数可以进一步获得拖拉机驱动轮的滑转率。

2 现有综合测试系统情况

2.1 负荷车

负荷车主要有三种型式，分别是基于轮式拖拉机改装的专用负荷车、基于特种车辆改装的专用负荷车、基于轮式拖拉机简易改装负荷车。其中，基于轮式拖拉机简易改装负荷车多为生产企业采用，各试验检测机构主要采用基于轮式拖拉机改装的专用负荷车，部分试验鉴定机构采用基于特种车辆改装的专用负荷车。

综合分析来看，基于轮式拖拉机简易改装负荷车相当于直接在质量较重的轮式拖拉机上搭建测试系统进行试验检测，精度较差，无专门的操作空间，规范性、方便性、安全性较差，不适宜规范的试验检测工作。基于特种车辆改装的专用负荷车控制精度较好，但是该负荷车灵活性较差，不适宜中小马力拖拉机的试验，使用频率较低，且造价达200万元，维护成本高。基于轮式拖拉机改装的专用负荷车较为常用，成本适宜，有专门改装的控制室、传感器安装支架、线缆固定管路，操作方便，灵活性较好，是首选的负荷车方式。

2.2 测试系统

测试系统多由汽车综合测试系统发展而来。传统的测试系统基本以单片机为核心，显示操控全部通过采集终端实现，显示器为简单的液晶显示屏。目前，测试系统较为成熟，多是通过电脑终端进行显示操控，显示界面丰富，能够全面清晰的显示实时数据并记录数据。主要特点如下：

2.2.1开发系统多元

基于VC或VB开发的测试系统，不仅可以开发出美观的显示操控界面，而且较为稳定，易于操作校准。基于虚拟仪表语言LabVIEW开发的测试系统，显示界面美观简洁，程序界面图形结构，方便调整，易于开发升级。

2.2.2功能多元

牵引测试系统不再仅仅是牵引性能测试，已发展成拖拉机综合测试系统，在满足牵引性能试验的基础上可以实现噪声、制动性能、踏板力等的试验。测试系统设有预留数据传输通道，可以增设噪声传感器、拉压力传感器等接口，对程序进行调整升级，即可实现多参数的测试，无需单独的测试系统，提高了试验检测效率。

2.2.3无线数据传输

传统测试系统多数是有线数据传输，存在试验中传感器连接复杂，线缆易老化、易破损等问题，维护成本较高。一些公司及检测机构开发了数据的无线传输测试系统：一个是传感器到采集终端的数据无线传输，传输距离大于20 m；一个是采集终端到电脑端的无线传输，传输距离达1 000 m以上。

2.2.4操控终端多元化

现有测试系统主要有三种操控终端。采集终端显示操控，相当于简配产品，能满足试验标准要求，结构简单，易操作，但是参数显示不全面，数据存储分享不方便。电脑显示操控可实时显示全面数据，操控方便，便于数据的存储分享与报告的生成。手机APP操控多配合无线数据传输系统，能够远程监控试验数据，也可以远程操控试验，为多环境、多场景下的牵引性能试验以及信息化智能化试验检测提供了可能性。

3 存在的问题

3.1 测试系统无统一标准，产品不统一

暂无拖拉机牵引性能测试相关的标准，生产企业及检测机构均是按照试验标准要求自行设计生产，导致测试系统在系统结构、组成、传感器类型、测试精度、试验方法上存在一定的区别。系统的不统一带来了生产企业下线检测或检测机构试验检测中的数据一致性的不确定性，不利于拖拉机产品一致性的控制。

3.2 无线传输技术可靠性有待提高

无线数据传输功能虽然简单高效，但是该项技术的可靠性以及稳定性还有待提高。一是传感器较多，通过电台实现多参数的高频实时无线传输会出现传输不稳的情况，还需要进一步改进电台传输技术路线。二是传感器的供电问题，需要单独设置电源为传感器供电，需要单独的平台固定，试验过程中的振动可能会加速系统的折损，影响了整个系统的可靠性。

3.3 负荷车生产不规范

检测机构多数能够按照试验要求提出负荷车生产的要求（如安全性以及结构布置等），形成专业化的拖拉机牵引性能测试用负荷车，有专门的操控空间、线缆固定结构、合理的档位等。但是一些企业或检测机构直接在既有的拖拉机上进行改装，结构不尽合理，且存在安全隐患，也影响了试验数据的准确性。

3.4 计量校准困难

系统的计量不能按照传感器单独进行，而是要整机计量，整体的计量较为困难，相关计量机构不具备机动检测能力，无法在试验现场进行计量，而是要全套邮寄或运送到计量机构，容易损坏。

4 发展建议

4.1 制定测试系统技术条件标准

应制定拖拉机牵引性能测试系统通用技术条件标准，明确牵引性能测试系统相关术语定义，明确技术要求（包括安全要求、功能要求、性能要求等），明确检定与校准要求，以及交货、标志、运输和贮存等要求，统一系统的设计、生产要求。

4.2 规范测试方法

应加强对拖拉机牵引性能试验检测的监督。一是规范试验检测方法。由于缺少测试系统标准，导致检测设备不统一，同时带来了试验方法的不一致，产生了数据不准确的不确定性因素，因此，应规范试验检测时的方法、条件，确保试验数据获取的条件一致。二是加强对生产企业下线检测的监督，强化对拖拉机质量的管控，严防不合格品的流出。