基于农田作业载荷的55?kW农用拖拉机电气化设计载荷分析(Design load analysis for electrification of a 55?kW agricultural tractor based on workload)

《Scientific Reports》：Design load analysis for electrification of a 55-kW agricultural tractor based on workload

　　

本研究旨在通过田间试验确定并分析55?kW农用拖拉机电气化所需的设计载荷(design loads)。研究人员在粉砂壤土水田中进行了铧式犁耕(plow tillage)、旋耕(rotary tillage)及行驶作业(driving operation)，安装测量系统记录发动机、驱动桥(driving axles)、动力输出轴(power take?off, PTO)及液压泵(hydraulic pump)的数据。研究重点包括功率需求分析、载荷持续时间分布(Load Duration Distribution, LDD)及基于雨流计数法(Rainflow Counting, RFC)的耐久性评估用载荷谱(load spectrum)生成。犁耕施加最高载荷，总功率峰值达52.6 kW（为额定功率的95%），以桥间扭矩(axle torque)为主；旋耕为PTO驱动型；行驶作业平均载荷低但存在间歇性牵引力峰值。与先前研究的78?kW拖拉机相比，55?kW拖拉机总体功率需求较低且牵引力分布更均衡，液压需求极小。LDD与RFC分析显示少数工况和低幅值循环主导作业剖面，关键高载循环主要出现在耕作期间。研究结果为电驱传动系(electric tractor powertrain)部件设计提供基础数据，并建立从测量到载荷谱生成的系统化方法，支撑实用型电动拖拉机开发及耐久性驱动的传动系设计。

基于田间实测载荷的55?kW农用拖拉机电气化设计载荷分析与电驱传动系耐久性评估——发表于《Scientific Reports》

研究背景与意义

传统内燃机(Internal Combustion Engine, ICE)农用拖拉机的设计与耐久性评估已有较多研究，但农业机械电气化(electrification)背景下，针对电动拖拉机(electric tractor)电机、电池及减速器选型的子系统级功率分布与扭矩谱设计载荷数据仍较匮乏。现有研究多聚焦于内燃机拖拉机疲劳寿命评估，较少提供适用于电机驱动架构的设计载荷(design loads)。韩国广泛使用的55?kW通用类(utility class)拖拉机是全额电气化的重要候选机型，其电机容量标定与电池匹配亟需基于真实作业载荷的量化依据。为此，研究人员通过开展代表性田间作业下的多通道动态载荷测量，结合功率需求分析、载荷持续时间分布(Load Duration Distribution, LDD)及雨流计数法(Rainflow Counting, RFC)载荷谱构建，明确55?kW拖拉机各子系统功率分配特征及传动系循环载荷特性，为电动拖拉机电驱传动系(powertrain)部件强度校核、疲劳寿命预测及耐久性验证提供实测依据与设计参考。

主要关键技术方法

研究人员选用额定55.3?kW柴油拖拉机，在韩国粉砂壤土(silt loam)水田中对铧式犁耕(六铧犁，M2档，约4.95 km/h)、旋耕(rotary tiller，L3档，约2.22 km/h，PTO 540 rpm)及行驶作业(H4档，约28.26 km/h)三类典型农事进行田间试验，各作业重复3次取最严苛载荷数据集分析。于发动机(通过控制器局域网络Controller Area Network, CAN接口获取扭矩与转速)、驱动桥(driving axles，遥测式扭矩传感器配邻近100齿触发齿轮的接近开关测速)、PTO轴(扭矩传感器)及液压泵(测出口压力与体积流量)布设同步采集测点，零偏校正后由多通道数据采集(Data Acquisition, DAQ)系统同步记录。功率按P=2πTN/60,000计算驱动桥与发动机功率，液压泵功率按P_HP=η·pQ/600计算并求和。将各轮扭矩合成为前、后桥扭矩后经对应传动比(i)与效率(η)折算为四轮驱动(Four-Wheel Drive, 4WD)轴扭矩T_4WD与转速N_4WD。基于处理后的扭矩—时间历程，按离散载荷区间统计各bin内平均扭矩、暴露时间及平均转速生成LDD；采用RFC将时程转换为闭合载荷循环(含幅值与均值)生成载荷谱用于疲劳评估。

研究结果

Measured workload data（实测作业载荷数据）

通过田间实时采集发动机、驱动桥、PTO及液压泵扭矩与转速时程，获得各作业下关键参量范围：犁耕发动机扭矩110.1–199.8 Nm(为额定300 Nm之45.9%–83.2%)，功率25.8–45.9 kW；驱动桥总功率22.5–41.9 kW，后桥承载高于前桥；液压总功率2.0–10.7 kW且显著低于桥功。旋耕发动机扭矩150.7–199.5 Nm(62.8%–83.2%额定)，PTO扭矩476.2–636.0 Nm、功率28.5–38.0 kW(占额定功率51.5%–68.7%)，驱动桥总功率仅3.0–6.6 kW。行驶作业发动机功率峰值达51.0 kW(92.1%额定)，驱动桥总功率11.6–46.9 kW，液压需求极低(1.7–3.4 kW)。表明犁耕为牵引力主导(traction?dominated)，旋耕为PTO主导(PTO?driven)，行驶作业呈间歇性牵引峰值的低平均载荷特征。

Results of power requirement（功率需求分析结果）

犁耕总功率峰值52.6 kW(为发动机额定55.3 kW之95.1%)，发动机/驱动桥/液压泵最大功率分别为45.9/41.9/10.7 kW，平均值25.8/22.5/2.0 kW；旋耕总功率峰值45.3 kW(81.9%额定)，发动机/驱动桥/PTO/液压泵最大功率42.8/6.6/34.4/2.7 kW，平均30.5/3.0/28.5/2.1 kW；行驶作业总功率峰值49.6 kW(90.2%额定)，发动机/驱动桥/液压泵最大功率51.0/46.9/2.8 kW，平均14.5/12.0/1.8 kW。与78?kW拖拉机对比，55?kW机型总功率需求更低(平均总功率26.0 kW vs 48.9 kW)，牵引占比更高(驱动桥48.4% vs 27.8%；PTO 43.8% vs 64.4%)，液压占比相近(~7–8%)。证实不同功率等级拖拉机因配套农具差异呈现不同负载分布特征，55?kW机型偏向牵引—PTO均衡分布。

Results of data processing（数据处理结果：LDD与RFC载荷谱）

折算至4WD轴：犁耕扭矩19.8–723.8 Nm、转速151.0–565.0 rpm；旋耕54.0–283.0 Nm、121.0–249.4 rpm；行驶6.96–341.7 Nm、388.4–2304.6 rpm。LDD显示犁耕载荷集中于第5工况(418.8 Nm@563.5 rpm，占时长33.9%)，旋耕集中于第3工况(99.3 Nm@249.3 rpm，45.1%)，行驶集中于第1工况(38.6 Nm@2304.6 rpm，60.6%)。RFC载荷谱显示犁耕循环数最多出现在均值500–600 Nm、幅值0–20 Nm区间；旋耕峰值在均值100–140 Nm、幅值0–2 Nm；行驶峰值在均值30–70 Nm、幅值0–2 Nm。说明牵引型作业含更显著的循环载荷及少量高载循环，旋耕与行驶以低幅值循环为主，对旋转轴、壳体等疲劳敏感件影响模式不同。

讨论与结论(Conclusions)翻译/总结

研究人员建立了基于田间实测数据的55?kW农用拖拉机电气化功率需求量化及代表性设计载荷推导方法，整合发动机、驱动桥、PTO及液压泵扭矩转速测量，生成LDD与RFC载荷谱用于耐久性评估。功率需求分析表明55?kW拖拉机整体功率需求低于大功率机型，牵引与PTO负载分布相对均衡，液压需求小而稳定，电驱传动系设计应依据子系统级功率分布而非仅参照发动机额定功率，为电机容量选择与系统构型配置提供定量参考。LDD揭示有限几个载荷范围主导作业时长暴露，RFC载荷谱表明低幅值循环普遍但高载循环集中在耕作阶段，上述特征可为齿轮及轴载荷等级设定、轴承寿命估算及壳体等结构件耐久性评估提供工程输入。所提方法为通用电动拖拉机电机选型、部件强度校核及耐久性验证提供设计导向参考；后续拟纳入更多田间作业类型以完善载荷谱、支撑标准化测试规程制定及电驱拖拉机多工况耐久与效率验证。

（注：原文结论直译——本研究建立了基于田间数据的55?kW农用拖拉机电气化设计载荷量化方法……电驱平台设计应基于子系统功率分布……LDD与RFC识别出主导工况及疲劳关键高载条件……该方法为电机容量考量、部件强度评估和通用电动拖拉机传动系耐久性验证提供实用设计参考，未来将扩展至更广作业类型以构建更全面载荷谱并支持标准化测试规范。）