水田拖拉机专用发动机设计探讨

吴庆存，李兵楠，单志公

（潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000）

1 水田拖拉机的整车设计要求

水田拖拉机是在水稻田作业的一般用途拖拉机，主要用于整田作业。其主要特点如下：装有水田行走装置（履带水田铁轮或高花纹轮胎等），在水田土壤上能发挥足够的牵引性能，具有较好的防陷越埂、通过性、转向操纵性和防泥水密封性能。水田作业拖拉机的设计关键点为减轻质量（严格控制整机的结构比质量）、转弯机动灵活、通过性强、整机各处的密封性好[1]。

基于上述水田拖拉机的整车要求，对发动机的设计理念提出了要求，要区别于普通旱田用拖拉机的一贯设计思路。水田用发动机主要设计理念如下：减轻发动机质量，以降低拖拉机的整车重量，降低泥脚深度；缩小发动机体积，以缩短整车的轴距，同时也降低整车质量，减小整车转弯半径，提高通过性；发动机密封设计，发动机零部件要提高防水、防泥等，提高密封性，适应发动机涉水作业需求。基于上诉发动机结构的特性，在开发发动机性能时要遵循小体积、大排量、提高升功率的发动机性能开发理念。以最小的体积和重量来达到最大的功率，满足整车的各项要求。

2 水田拖拉机专用发动机性能设计开发

2.1 发动机性能开发——基于整车工作路谱的发动机性能开发

根据目前市场上水田拖拉机的作业情况，通过收集大量路谱，文章对路谱中的发动机常用工作区、工况进行分析，确定最适合水田拖拉机用的发动机性能开发理论曲线。针对国内某90 马力水田拖拉机路谱（带打浆机作业）的分析结果如图1 所示。从发动机的转速分布可见，工作时发动机转速集中在1 800r/min ～1 900r/min，负荷集中在70%左右；从路谱分析可见，水田拖拉机整车车作业负荷不大，扭矩需求相对旱地作业拖拉机低。

基于上述路谱可以指导发动机的性能开发。满足额定功率的前提下，发动机扭矩储备可低于旱田用拖拉机，发动机经济区需向中高速区移动，以提高水田拖拉机的整车经济性。

2.2 发动机性能开发——高额定转速设计

发动机转速的提高有利于功率的提升，可用较小排量的发动机通过提高转速来提高功率，既满足水田拖拉机对动力的需求，又能减轻发动机的重量，从而达到降低整车重量、降低整车的接地比压的目的。以日本久保田的水田拖拉机动力系统设计为例，其设计的发动机转速一般在2 600r/min ～2 700r/min；与传统的发动机相比，其采用较小的缸径和行程，通过提高发动机的转速获得了同样的发动机功率，同时使得整车的尺寸减小、重量降低。最终表现为整机有较小的接地比压、更好的通过性。文章设计的水田作业轮式拖拉机的结构比质量能控制得很低，基本在50kg/kW 左右。这一设计理念能很好地适应水田作业拖拉机，大大提高整机的适应性。

图1 某水田拖拉机作业路谱

3 水田拖拉机专用发动机设结构设计开发

3.1 密封性、防水、防泥要求高

水田拖拉机作业环境多水、多泥。一般情况下，水田拖拉机的涉水深度可达到整车前轮中心，发动机油底壳以及部分电器件会处于短期涉水状态。水田拖拉机作业环境如图2 所示。另外，水田拖拉机作业时，轮胎会将泥浆甩向发动机以及整车其他部件，导致发动机大部分区域被泥浆覆盖，因此设计时对发动机零部件尤其电器件的防水要求极高。水田拖拉机作业时，发动机零部件被泥浆覆盖情况如图3 所示。

图2 水田拖拉机作业环境

图3 泥浆覆盖发动机

3.1.1 发动机结构件的密封性设计

油底壳等底部涉水部件可通过更改密封面结构来实现，在密封面上增加整圈储胶槽；将平面密封改为交叉网纹面，以提高表面粗糙度[2]。对于飞轮壳，需使用全密封飞轮壳，保证飞轮壳与机体、变速箱壳体、起动机等结合面处能够完全防水。设计装配完成后，可进行气密性试验，保证密封性能，使其不会因进水而内部结构失效。

3.1.2 发动机电器元件防水、防泥设计

在设计部分发动机时，启动机、发电机、空调压缩机等电器零部件在发动机上的布置位置较低，水田作业时存在直接涉水的情况，同时飞溅的泥水很容易堆积在上述电器件表面，如果防护不够，很容易造成电器元件的失效。电器件设计需按下述方案进行。

首先，电器元件防护等级提高。目前，绝大部分旱田用发动机电器元件的防护等级最高为标准IP56 级要求，但部分旱地拖拉机用电器件防护等级甚至低于IP56。在设计水田拖拉机时，因零部件有短期浸水风险，又有飞溅泥土堆积，会导致整机清洗频率提高。在设计电器件时，其防护等级需提升到IP67 级（即无灰尘进入，浸入规定压力的水在经过规定时间后，外壳进水量不至达有害程度），从而满足整车使用工况的要求[3]。

其次，在电器零部件及位置较低的旋转零部件（如曲轴皮带轮）周围增加防护板（挡泥板），避免飞溅的泥浆落在相关零部件上，从而达到防水防泥的效果，延长零部件的使用寿命，如图4、图5 所示。

图4 起动机防护盖设计

图5 曲轴皮带轮防护罩设计

3.2 发动机减小体积设计

受水稻对农艺要求和地理环境的影响，水田田块面积较小，一般为0.13hm2～0.33hm2，甚至小至几分，形状不规则，地块之间的高低差较大。这对水田拖拉机的通过性提出了较高的要求。因此，水田专用发动机在设计时应尽量缩小体积。体积小，拖拉机的轴距可缩短，实现较小的转弯半径，从而更满足水田拖拉机的通过性要求。发动机在设计时应尽可能采用小排量的发动机，使发动机机体长度压缩到最短。同时，外围件如飞轮壳、油底壳等与整车结构相连的部件尽量缩短。发动机前端轮系的伸出长度尽量缩短，既能缩短发动机长度，又能满足拖拉机发动机承重结构的可靠性要求，减小转弯半径，满足水田拖拉机的通过性要求。转弯半径减小，对通过行的影响如图6 所示。

3.3 发动机轻量化设计

为了尽可能避免轮式拖拉机在水田作业时对硬底层的破坏，以及对承压力低的烂泥田有更好的适应性，就必须尽量减轻拖拉机的结构质量，降低接地比压。发动机作为水田拖拉机中的主要重量组成部分，同时起着支撑拖拉机底盘结构的作用。因此，这对水田拖拉机用发动机的设计又提出了两个要求：既要尽可做到轻量化，以达到降低整车重量的目的，又要保证基本的高强度，不能影响整车底盘强度的可靠性。

图6 转弯半径对通过性影响示意

发动机轻量化设计是在保证发动机各系统结构可靠性和动力性不受影响的情况下，最大限度地减轻各类零部件的质量，从而降低发动机整体重量，提高动力性，降低燃油消耗。发动机轻量化的技术途径主要有以下两个方面。

3.3.1 结构优化

结构优化设计是轻量化技术最基本的手段之一，主要利用模拟仿真软件进行CAE 计算分析，从发动机零部件初始结构设计、产品制造工艺设计等方面进行结构轻量化。在满足使用性能的前提下，采用优化设计去除零部件的冗余部分、减少零件搭接、改变零件结构，以减少零件数量或减轻质量，实现轻量化目标。

3.3.2 新材料、新工艺应用

新材料分为两大类：一类是高强度材料，如高强度铸铁（蠕墨铸铁、等温处理球铁）、粉末冶金材料等；另一类是低密度轻质材料，如铝合金、镁合金、塑料和复合材料等。采用新材料生产发动机零部件需要特殊的加工技术，主要包括先进的材料连接技术、表面处理技术等。

目前，发动机零部件材料轻量化技术的主要研究领域有燃烧室系统以及排气系统零部件适应更高爆压用耐热、耐腐蚀材料的开发；气缸体、气缸盖用高强度、轻量化材料及工艺开发；曲轴、连杆、飞轮等运动件高性能轻量化材料开发[4]。

4 结束语

综上所述，为满足水田拖拉机的整车指标要求，发动机在设计时要做到轻量化、高转速、大功率、密封性好、防水防泥等。既满足整车对功率的需求，又能提高发动机水田作业的可靠性，为水田作业的机械化发展提供更好的作业条件。