電動韭薹類培土機的設計

彭安校,郭曉東,李思然,韋菲菲,田洪坤,李巖舟

(廣西大學 機械工程學院,南寧 530000)

0 引言

韭菜是我國古老蔬菜品種之一,韭薹即為韭菜的花莖[1],具有生津開胃、增強消化酶的活性、促進食欲及人體腸胃消化的作用。韭薹對種植環境要求不高,韭菜根種植可以收獲5年,收獲期長,收成高,年均產量為37 500kg/hm2左右,目前市場上韭薹售價為10元/kg左右,公頃產值高達37.5萬元多。因此,加快韭薹產業的發展,對促進農民增收、提高國民膳食健康水平和發展綠色農業等具有重要的意義。

由于韭薹為種植1次可連續收獲多年以上的作物,每隔幾天就可以進行1次收獲,作業農機的行走部分只能在畦間的溝中運動,且韭薹嬌嫩,易受到機械損傷,跨畦作業也比較困難,所以大型農機具無法進入韭薹地作業。目前,種植戶只能在大型拖拉機平整完地塊后使用小型通用的手扶開溝機(見圖1)進行開溝及培土作業:第1年的開溝深度需要達到30cm,以后每年需要加深10cm左右。由于手扶開溝機難以控制方向,為了保證田地的平整及開溝的直線性,需要壯勞動力來操作手扶開溝機[2],進行兩次開溝作業才能達到最終深度。即使這樣,開溝效果仍舊差強人意,如圖2所示。

圖1 現有開溝機

圖2 開溝效果圖Fig.2 Ditching effect

后期培土時,需要從最深達到70cm的溝中將土拋到畦面[3-4],但由于功率不足拋出的土很難均勻地散布到畦面;另外,由于未經設計計算,拋出的土會有部分打向操作者,使操作環境變得惡劣,不符合當代農業降低生產成本和勞動強度的要求。

通過查閱文獻及資料,目前針對于韭薹培土應用的農業機械很少,且自動化程度不高,仍以內燃機作為其動力源。內燃機的尾氣排放不僅加大了對環境的污染,也不利于實現有機栽培。相關機械裝備的缺乏極大地阻礙了韭薹的生產,不利于韭薹種植規模化的形成。為此,結合當前國內外電動農業機械的設計思路及韭薹的特殊農藝,設計了一種以單條三角履帶作為底盤的培土機,以解決旋耕直線度不足的問題[5-6],且利用直流電機提供驅動力[7-8]。

1 整體機構的設計

電動韭薹培土機包括架桿、電動推桿、旋轉臺、旋耕刀輥、擋土罩、車架、底盤、蓄電池、直流電機及傳動系統,如圖3所示。旋轉刀輥安裝在架桿上,由直流電機驅動;旋轉刀輥、拋土擋板安裝在架桿上,與車架相連接;車架由緊固件安裝在底盤上,底盤由直流電機、傳動系統與履帶構成。操作人員通過施加外力,來調整機體的行進方向。在調頭時,機架上的電動推桿對執行機構進行抬升,車架上的旋轉臺將整個執行機構旋轉。履帶、通用底盤、蓄電池、直流電機、控制器為執行機構提供動力及支撐,執行機構負責完成碎土、拋土工作。

1.機架 2.旋轉臺 3.車架 4.電動推桿 5.拋土擋板 6.旋轉刀輥 7.底盤 8.減速箱

2 主要工作部件的設計

2.1 減速箱的設計

三角履帶行走機構驅動輪內置減速器總減速比為18:1。由于減速比較高,單級減速較難實現,故采用一行星齒輪減速器串聯一圓柱齒輪減速機構的二級減速器進行減速[9-10]。

減速箱的內部結構為:電機軸通過6002軸承穿過減速箱殼體,減速箱殼體的電機軸部分安裝圓柱齒輪減速機構的小齒輪,圓柱齒輪減速機構的小齒輪與圓柱齒輪減速機構的大齒輪相嚙合,即一級減速機構;圓柱齒輪減速機構的大齒輪通過軸與行星齒輪系的中心輪相連接,將動力傳遞到二級減速機構;行星齒輪系的中心輪與3個行星輪相嚙合,3個行星輪與內齒圈相嚙合,行星齒輪系的行星架通過6003軸承與3個行星輪相連接,即二級減速機構;行星架通過軸穿出減速箱殼體與驅動輪軸連接,輸出動力,軸穿出減速箱的位置使用6008軸承連接;行星齒輪系的內齒圈與減速器殼體相連接,減速器殼體通過螺栓連接固定于臺車架上。減速機構如圖4所示,行星輪系如圖5所示。經計算校核,行星齒輪減速機構及齒輪對減速機構參數如表1所示。

1.圓柱齒輪 2.減速齒輪 3.行星輪系

1.內齒圈 2.中心輪 3.行星輪

2.2 底盤直流電動機的選擇

1)額定功率的確定。當行走機構以最大速度5km/h行走時,其功率計算公式為

P=FV0=476W

(1)

式中F—驅動力;

V0—機器行走的速度,取V0=5km/h。

結合電力拖動知識,得出電機功率計算公式為

(2)

式中η1—電機效率,取η1=0.9;

η2—機械傳動效率,取η2=0.85;

η3—其他效率,取η3=0.91;

K—電機安全系數,取K=1.5。

在農業生產中,考慮到工作條件的不穩定及農機具的性能變化可能會引起作業機械阻力的變化及負載變化,應當考慮功率過載問題,即

(3)

其中,P0為電機額定功率;μ為電機過載系數,取μ=1.5;η為電機效率,取η=0.9。

最后,根據永磁無刷直流電機的選用原則、設計經驗及市場現有電機,確定選用額定功率1 500W的電機。

2)額定電壓的確定。蓄電池是直流電機單獨工作時的重要保障,決定了電機單獨工作時所能提供的最大動力。近年來,鋰電池因為質量輕、功率大、無污染等特點在多個領域的應用愈加廣泛,因此選用鋰電池作為供能裝置。選用現有的60V的鋰電池系統電壓為電機的額定電壓。

3)額定電流的計算。額定電流的計算公式為

(4)

考慮到直流電機額定效率的因素,額定電流取27.5A。

4)額定轉速的計算。依照目前旋耕類機械的行走速度范圍在3～5km/h,考慮到減速比為18:1,所以將電機的額定轉速定為1 000r/min。

綜上所述,電機的性能參數如表2所示。

表2 直流電機性能參數

2.3 執行機構功率的計算

根據以上計算,可確定執行機構的消耗總功率為

N0=0.1KλVmBh=2.5 kW

(6)

旋耕工作消耗的功率是下述各項總和,即

N0=Nq+Np+NT+Nf+Nn

式中Nq—刀齒碎土所消耗的功率,平均占總消耗功率的40%;

Np—刀片拋土所消耗的功率;

NT—旋耕刀組推動土工作時所消耗的功率,約占總消耗功率的68%;

Nf—傳動和摩擦所消耗的功率,約占總消耗功率的10.7%。

碎土消耗的功率為

Nq=N0×0.402=1.01kW

拋土功耗為

Np=N0×0.405=1.02kW

旋耕作業時推動機組的功率為

NT=N0×0.68=0.17kW

傳動及摩擦消耗的功率為

Nf=N0×0.107=0.24kW

2.4 各傳動軸的選用和設計

2.4.1 電機軸的設計

該行走機構長期作業于田間環境,所以對電機軸的制造有著特殊的要求。根據扭轉強度條件計算電機軸的直徑,初步確定電機軸的材料選擇為40Cr,則電機軸的直徑為

(7)

式中A0—與材料有關的系數,查機械手冊A0=100;

p—電機額定功率,P=1.5kW;

n—電機額定轉速,n=1000r/min。

考慮到田間作業的特殊性,將電機軸稍微加大,取整得d=15mm.

2.4.2 行星輪心軸的設計

行星軸的軸徑與行星輪的軸承的選用密切相關,所以行星輪的孔內徑也與選用的軸承有關[8,11],但孔內徑邊緣的最小厚度大于或等于全齒高的1.2～1.4倍,即為3倍左右的模數,則內孔邊緣的最大直徑為

那么,dmax=71.25mm。依據行星軸的心軸彎矩進行校核,則由計算公式為

(8)

2.4.3 行星架支撐軸

行星架支撐軸承載著很大的轉矩,其強度要求很高,初步選用的材料38SiMnMo[12]。考慮跟行星架為一體,依據扭轉強度條件,估算輸出軸的最小軸徑,即

(9)

式中A0—與材料有關的系數,查機械手冊A0=110;

p—輸出軸功率,P=1.44KW;

n—輸出軸轉速,n=55r/min。

代入相關參數,則

考慮動力傳遞,花鍵、沖擊等因素,把尺寸加大,取d=40mm。綜上所述,各軸的尺寸如表3所示。

表3 各軸的尺寸

3 田間試驗

在廣西大學試驗農場進行開溝培土試驗,為確保試驗的合理性,選擇在韭薹種植基地進行試驗。菜地在移栽前用普通手扶式開溝機進行開溝作畦,畦面寬130cm,溝頂寬40cm,溝底寬30cm,溝深30cm。經過試驗,電動韭薹培土機最深可從溝深為85cm的溝底將土均勻拋撒至畦面上,地頭轉向簡便,整機最高作業速度可達5km/h。分別用不同的前進速度和不同的轉速進行田間試驗,結果如表4～表6所示。

試驗表明:整機前進速度越大,旋耕作業效果越差;速度越小,作業效果越明顯,但工作效率變低;當前進速度為4km/h、刀輥轉速450r/min時,培土效果明顯,效率較高。

表4 韭薹機前進速度為3km/h時的拋土高度

續表4

表5 韭薹機前進速度為4km/h的拋土高度

表6 韭薹機前進速度為5km/h時的拋土高度

4 結論

1)設計并制作了電動韭薹培土機,包括架桿、電動推桿、旋轉臺、旋耕刀輥、擋土罩、車架、底盤、蓄電池、直流電機及傳動系統等部件,可同時完成開溝、碎土及培土作業,實現了一機多用。

2)通過理論計算,確定了底盤與旋耕機構消耗的功率分別為1.5、2.5kW。

3)完成整機減速機構的設計,確定了減速機構的各項參數。

4)田間試驗表明:電動韭薹培土機作業效率較高,對土壤拋撒的均勻性好,作業深度大,整機體積小,結構簡單,可靠性高。