当前,农业机械和拖拉机在作物耕作和粮食生产中的应用是农业生产体系中不可回避的要素。但是,非理智无计划地大量使用重型轮式拖拉机及机具进行耕作,正在对土壤、能源资源和环境造成严重破坏。牵引力差、轴重大的轮式拖拉机是土壤压实、能源消耗过大以及农业生态环境中许多相关问题的主要来源。为了使发动机动力更有效传递到牵引装置、减少资源浪费和环境损害,设计轻型高效的农业机械已成为时代的迫切要求。为了减轻机器重量并减少拖拉机组对土壤的压实,需要优化拖拉机轮的结构和性能。爪棘式刚性驱动轮可以通过较小的作业载荷,依靠爪棘刺入耕作土壤层,与具有良好力学性能和通过性的地下土壤相互作用产生更大的牵引力,并对土壤进行初耕,这样有助于避免土壤压实和能量损失,这有助于避免土壤压实和能量损失。开展土壤力学或土壤物理力学性质的研究对于驱动轮—土壤相互作用分析以及理解驱动轮的牵引能力和驱动性以及耕作土壤的可通行性具有重要意义。因此,使用标准的土壤特性测量仪器对土壤进行了表征,测量了试验田土壤的所有必要的物理和机械性能参数。直接从田间测量土壤水分含量和抗土壤渗透性等参数,通过实验测量了土壤质地,密度,内聚力,内摩擦角度和土壤有机质含量等参数。分析了所有土壤特性的结果,以便进一步分析牵引性和驱动性。设计了“爪棘式钢性驱动轮（RLW）”用于田间耕作试验。利用土力学和数学原理以及工程设计软件等对RLW进行了设计、计算和分析等。爪棘的设计,特别是爪棘的驱动面板是本研究的主要研究内容。爪棘采用特殊的楔形设计,带有倾斜的工作面,可以最大程度地减小轮子驱动力的法向分量,在与拖拉机前进方向上最大化水平驱动力分量。爪棘以人字形布置在钢圈圆周上,在拖拉机的自重作用下穿透并破坏耕层土壤,触及犁底层。在ANSYS软件中对爪棘式钢性驱动轮整体模型进行了静态分析,以检验并优化其强度、刚体及结构稳定性。静态结构分析结果表明,在施加相当作业应力的情况下,结构具有良好的稳定性,应变和变形等都可忽略不计。仿真结果也有助于轮子的结构优化,通过减少钢板厚度,轮子的重量进一步降低到最佳水平。RLW的原型结构是在本地制造工厂加工,与轮胎的安装过程相同,最终的安装、调试等工作都是在华中农业大学工学院的工程设备车间内完成。在公路驾驶和不同田间条件下进行了驾驶测试,以评估RLW的驾驶性能,牵引能力和轮土相互作用。带有橡胶垫附件的RLW行驶时,发现中低速时已安装的机具负载令人满意。在田间驱动和牵引性能方面,RLW在各种田间条件下均具有良好的驱动性能。但在潮湿的黏性土壤中,RLW存在土壤粘附轮圈和爪棘之间堵塞的问题。为此,对结构进行一些改进。牵引性能改进的轻型拖拉机可以节能降耗。本文评估并分析了拖拉机牵引力改善对土壤耕作和压实、燃料消耗、田间生产率、运营经济性和环境质量的影响等,也包括二氧化碳排放量。进行了详细的田间试验,以评估和比较在各种田块中装有常规橡胶轮（CTW）和RLW的轮式拖拉机的牵引性能。考虑到田间条件/土壤特性对两种轮子牵引性能的影响,为评估不同类型驱动轮对土壤的扰动程度,还评估了两种轮子对耕作土壤的压实程度。通过测量耕作中拖拉机的燃料消耗和田间生产力,评估了机械化耕作对农作物产量、生产经济性和环境质量的影响。在第一轮田间试验中,研究了深耕作业时RLW的牵引能力等。比较了安装在同一拖拉机上的RLW和CTW的牵引性能和对土壤压实的影响。使用70 k W的两轮驱动拖拉机,在不同的速度、耕深和牵引力下,利用铧式犁进行了田间对比耕作试验。在拖拉机低速、中速和高速作业档位上,与CTW轮相比,RLW滑转率分别减少了111%,136%和163%。在25.54 k N的牵引力作用下,RLW的最大行程减载率为12%,而CTW为32%k N以上。与CTW相比,就抗穿透性和堆积密度而言,RLW在通过1至3次后的土壤压实性较小。在第二轮田间耕作试验中,详细研究了牵引性能指标即牵引力和动力传递指标,对比了耕作过程中CTW和RLW的燃油消耗性能参数、田间作业效率、运营成本和CO2排放影响等。使用70 k W常规MFWD拖拉机和五个深松犁进行了试验。通过现场数据测试,对牵引性能,动力传递指标和能量指标（如牵引力,牵引力,行驶减少,运动阻力,牵引效率和车辆牵引比）进行了测量、计算分析。对所有上述因素的分析,包括燃料消耗,现场生产率,运营成本和环境影响,这项研究的结果清楚地表明,RLW的牵引性能和动力传递指标优于CTW。牵引性能的改善对燃料消耗,田间生产率,运营经济性和环境质量的二氧化碳排放影响明显更好。研究结果表明,在不同的耕作速度和耕深条件下,RLW减少了速度损失,并能很好地控制前进速度。在不增加机器重量的情况下,牵引力得到了明显改善,由此可通过增加作业幅宽以降低拖拉机在田间的行驶里程和土壤压实度而受益。这是由于较大的爪棘驱动面积对具有较高剪切强度的耕层土壤的穿刺降低了耕作阻力。RLW为农业轮式拖拉机提供了新的设计思路,结构进一步优化以后其驱动效率更高、田块适应性更强。