變輪距農用電動作業平臺設計

田宇航，葉 鑫，黃 汀，孫付春，李曉曉，楊向莙

（成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106）

西南丘陵山區普遍存在地塊小、地形復雜且大型農機不利于應用推廣的難題，更為嚴重的是農業人口老齡化使得我國農業現代化發展形勢更加嚴峻[1]。為了提高農業生產效率，降低務農人員作業強度，國內開始研究適用于狹小地形的小型農機，而農用作業平臺作為搭載和集成其他農用作業功能的基礎件已經得到了關注。胡志勇[2]研制的自行式植保機械車輛，擁有調節軸距、輪距和距離地面高度的液壓系統，但是這款作業平臺距離地面高度較大，整車穩定性不足。徐琪蒙[3]設計了一款自走式農用移動平臺，采用全球導航衛星系統定位測速技術，實現了田間搭載農具和無人作業功能，具有重復性強、精度高等特點，但是不適用于小型地塊、且成本高。陳斌[4]為了實現“一機多用”的目的，對農用履帶動力平臺進行改造，形成了履帶式旋耕機和履帶式運輸車等產品，對提高農機資源利用率具有很大的啟發意義。張磊[5]為了降低機械損耗，結合常見拖拉機型號，對拖拉機輪距進行改造，以適應不同地隙要求。考慮到傳統農機易引起環境污染，李俊達[6]設計了一款變輪距的農用電動平臺，可以搭載其他農機實現施肥、采摘等勞動，具有很好的應用前景，但該電動平臺適用于種植玉米、甘蔗等，無法實現小地塊農地作業的全覆蓋。在當前環境保護導向下，針對丘陵小型地塊設計一種變輪距的農用電動作業平臺以滿足農業勞動力不足現狀非常有意義。

1 變輪距農用電動作業平臺設計

根據種植的農作物高度和行距的不同，農用電動作業平臺的高度和輪距也需相應調整以滿足地形需求。西南地區小型地塊主要以種植辣椒、萵筍和白菜為主，參考辣椒、萵筍和白菜的高度和行距，擬定的變輪距農用電動作業平臺主要參數見表1。

表1 變輪距農用電動作業平臺主要參數Tab.1 The main parameters of variable track agricultural electric operation platform

1.1 移動機構設計

農用作業平臺移動方式有很多，根據移動方式不同可以粗略分為車輪移動方式、履帶移動方式、機械腿移動方式和混合移動方式。輪式移動機構是目前應用最廣泛的作業平臺，具有移動平穩、能耗小，容易控制移動速度和方向等優點，在農業生產中被廣泛運用。綜合西南地區地理環境，輪式移動平臺更加適用于西南地區的實際情況。變輪距農用電動作業平臺需要在農田中直線移動而且還需要在農田中轉向，為了使平臺結構簡潔，修理容易，降低故障率，所以在每個輪腿上面安裝一個轉向電機，使其能夠單獨轉向，減小轉彎時的半徑，有利于操作。平臺的移動機構見圖1。

圖1 動力平臺輪式移動機構Fig.1 The power platform wheel type mobile mechanism

1.1.1 輪轂電機選擇

整個作業平臺正常運轉取決于動力機構的選擇。相對于汽油發動機和柴油發動機，電力動力是清潔能源，具有對環境污染小，噪音低等優點。常見的電動機驅動機構的工作原理為：電流流入電動機，由機轉動帶動減速器，然后通過聯軸器和輸出軸把動力輸出給輪胎。但是這種電動機的結構會減小作業平臺的底盤空間，不適合在環境較為復雜的田地工作。輪轂電機把動力系統、傳動系統和制動系統全都設置在輪轂里，省去了大部分的傳動構件，可以為平臺內部騰出更大的空間，電池包更容易放置在平臺上，傳動效率高、質量輕，可以適應不同的地形環境。

1.1.2 轉向電機選擇

在變輪距農用電動作業平臺執行農業任務期間，需要作業平臺在狹小的地塊作業，對作業平臺的轉向要求很嚴格。伺服電機精度高，但價格較貴，而且保養成本高，且在復雜環境中伺服電機容易損壞，故轉向電機選擇步進電機。為了減輕作業平臺整體質量，選取一款體積小、質量輕的步進電機來提供作業平臺的轉向。在作業平臺中轉向電機通過車輪架和車輪連結在一起，且裝有蝸輪蝸稈減速器。

1.2 高度調整機構設計

作業平臺調節高度的方式有很多，常用方法是使用液壓裝置對高度進行調節，但是該方法使用范圍比較小。作業平臺高度調節范圍400～600 mm，若直接采用液壓升降，會使作業平臺的機構變得笨重，增加動力系統的負荷。考慮作業平臺的動力來源是電力，最后使用液壓缸與連稈機構組合的方式實現作業平臺的高度調節，調整機構模型見圖2。每個輪轂電機有2 組四連稈機構組合，安裝在平臺兩側的車輪連接板上。通過液壓缸的伸縮調整作業平臺高度。

圖2 地隙調節機構Fig.2 The ground clearance adjusting mechanism

1.3 輪距調整機構設計

在農業生產活動中，需要根據地形地塊來調節農用作業平臺的輪距。輪距調整機構見圖3。輪距調整機構工作時，輪距調整電動推稈為調整輪距提供全部的力，輪腿連接板的2 個導向軸為主要用于確保平臺水平運動，通過此方式實現農用電動作業平臺輪距調整。

圖3 輪距調節機構Fig.3 The track adjustment mechanism

1.4 平臺總體結構設計

將農用電動作業平臺的移動機構、高度調整機構和輪距調整機構結合起來，利用三維建模軟件SolidWorks 實現整機的裝配。變輪距農用電動作業平臺裝配模型見圖4。

圖4 變輪距農用電動作業平臺總裝配Fig.4 The general assembly of variable track agricultural electric operation platform

2 變輪距農用電動作業平臺運動分析

變輪距農用電動作業平臺的工作地形起伏不定。平臺坡道運動時存在縱向坡道運動和橫向坡道運動，計算平臺的坡道運動能力，可以較為全面地估算平臺運動性能。

2.1 縱向坡道運動

變輪距農用電動作業平臺在縱向坡道運動時，坡道給平臺車輪施加一個切線方向的反作用力。若反作用力比平行于斜坡重力的分力大，則作業平臺無法向下移動；若反作用力比作業平臺平行于斜坡重力的分力小，驅動力足夠也無法轉動移動平臺的輪子，且會滑倒，將不能在坡道上移動。計算作業平臺的縱向坡道運動，可以得出作業動平臺的最大坡道運動角度。變輪距農用作業平臺縱向坡道運動受力情況見圖5。

圖5 縱向坡道受力分析Fig.5 The stress analysis of longitudinal ramp

作業平臺在坡道上運動時靠摩擦力在坡道上運動，摩擦力就是平臺沿著坡道運動的驅動力，主要受到坡道地面的附著系數和車輛對地面的作用力影響，根據力平衡和力矩平衡關系，有：

由公式（1）得：

圖中，Fx1、Fx2——車輪與地面之間的切向反作用力；Fy1、Fy2——車輪與地面之間的法向反作用力；G——平臺重力；——坡道角度；H——平臺質心的高度；L——平臺的軸距；a、b——前、后軸與平臺質心的距離；φ——附著系數。

當作業平臺在坡道上運動時，作為從動輪的前輪還會受到一個力，這個力就是滾動阻力Fx1，根據力平衡和力矩平衡關系，有：

式中：f——滾動阻力系數，根據公式（2）得：

作業平臺在縱向坡道上運動，車輪的滾動阻力Ff=Fx1+Fx2；坡道阻力Fh是平行于坡道往下的力：Fh=Gsinθ；由于移動平臺速度慢，迎風面積小，忽略空氣阻力，所以Fp=0。故變輪距農用電動作業平臺的驅動力符合：F≥Ff+Fp+Fh。

作業平臺的總質量G=70 kg，前輪輪軸和后輪輪軸距離車輛的橫向中軸線為a=b=0.75 m，質心距離地面為0.5 m，軸距L=1.5 m，φ=0.8，f=0.024，作業平臺的縱向坡道運動得角度25.6°。

2.2 橫向坡道運動

作業平臺在坡道上橫向運動時，需計算作業平臺的最大橫向坡道角度，以此確保作業平臺不會從斜坡上滑下。作業平臺橫向坡道運動時受力情況見圖6。

圖6 橫向爬坡受力分析Fig.6 The stress analysis of horizontal climbing

變輪距農用電動作業平臺橫向在坡道上運動，摩擦力幫助平臺在斜坡上運動，計算總的力大小：F=Fx1+Fx2=φ(Fy1+Fy2)。保持作業平臺在斜坡上運動的條件為φGcosθ≥Gsinθ，要求橫向爬坡角θ≥artctanφ，當φ為0.55時，極限橫向坡道角度為θ≥28.8。同時，極限橫向坡道角度僅和附著系數相聯系，故作業平臺采取越野輪胎相較于采取普通輪胎可以得到較大的橫向坡道角度。

3 結語

我國丘陵地區小型地塊農業機械的應用長期不足，變輪距農用電動作業平臺根據地形和農作物種植現狀實現了高度調整和輪距調整，可以有效降低農業勞作強度，提高勞動生產率，對區域經濟發展有著積極作用。未來，變輪距農用電動作業平臺將朝著大負載和長續航等方向發展。