自走式山地電動多功能作業機設計研究

楊銳琴，李昱廷

（太原市農業技術推廣服務中心，山西 太原 030000）

山西省共有115個農業縣（市、區），其中丘陵山區縣（市、區）有71 個。2016 年底，全省丘陵山區農作物耕種收綜合機械化水平為56.8%，而全省主要農作物綜合機械化水平為66.6%，全省丘陵山區機械化水平還較低。主要原因是丘陵山區耕地之間分割嚴重，巴掌田、雞窩田、窄條地塊等小山坡梯田多，大型農機具難以作業。因此，設計一種自走式山地多功能作業機，具有結構輕便緊湊、操作簡便、無尾氣噪音污染和維護成本低等特點，可解決丘陵山區勞動力短缺和機械化水平低的問題。

1 整機結構設計

自走式山地電動多功能作業機由動力主體部分及輔助作業部件兩大部分組成，其中主體部分為動力部件，包含有通用機架、電池組、電機、變速箱、驅動輪、操作裝置、電控裝置等（圖1），傳動部分全部為齒輪傳動，而且為全封閉形式，傳動平穩、可靠，噪音小，故障率低，而且在塵土較多的專業環境中可以可靠工作，使用壽命長。

圖1 整機結構圖Fig.1 Structure chart of the complete machine

工作中，操作者跟隨機具行走，手扶機具并操控進退、停止、方向和速度等功能，整機在電力作用下，電動機將動力通過傳動系統傳遞動力至驅動輪，驅動輪運轉與接觸地面產生摩擦力而向前行駛，牽引輔助作業機具完成農田工作。如果在田間行走，則尾輪與通用機架連接，與前面的兩個驅動輪呈三角形布置，支撐整個機具質量，與連接座鉸接的輔助作業部件則為提升狀態，有一定離地間隙，在操作者的操作下可在路面行駛；如果在田間作業，則尾輪與通用機架分離，與連接座鉸接的輔助作業部件呈作業狀態，在操作者的操作下可進行田間作業，整機主要參數見表1。

表1 主要參數Tab.1 Main parameter

2 關鍵技術及部件研究

2.1 配套功率的確定及電機選型

工作中，除需要克服自身的行走阻力外，還需要克服耕作阻力。本研究機具的耕作阻力主要用于播種作業的耕作阻力，計算引用犁耕阻力計算公式，則耕作阻力為：

式中：Z——開溝器個數；b——單個開溝器寬度，cm；h——播種深度，cm；k——土壤耕作比阻，kgf/cm2。

本研究中配套播種機的開溝器數量為2 個，開溝器寬度為6 cm，播種深度為3～8 cm（計算時以最大播種深度8 cm 計算），土壤比阻取0.4 kgf/cm2。

將參數代入上述公式中，計算得出耕作阻力F阻約384 N。

人的正常行走速度約4～5 km/h，但是在田間行走，由于地表較松軟，而且需要有一定的負重，田間平均行走速度約2.5～3.5 km/h，本研究機具在田間工作中需要操作者在后面跟隨，因此作業速度取值3.5 km/h，約0.97 m/s。

播種機工作所需功率，應由播種機的工作阻力和行走速度來求定，即播種機的驅動功率可由公式（2）給出：

式中：F——耕作阻力，384 N；v——作業速度，0.97 m/s。

將數值帶入上述公式，計算得到牽引功率為372.5 W。

為保持機具在較高牽引效率范圍內使用，延長行走機構及其他部件壽命，防止工作中地表狀況較差，秸稈量大、雜草多或者遇到石塊等狀況，此外在山區道路行駛，有的地塊坡度較大，土壤中行駛，滾動阻力也較大，通常需要保留一定的功率儲備，本研究取30%，則電機的功率為：

式中：N0——電機功率，W；η——牽引效率，本研究取80%；P——牽引功率，W。

將數值代入上式得N0=532.1 W

目前電動車電機主要有有刷電機和無刷電機兩種類型，有刷電機技術成熟，配件易購，配套的有刷速度控制器便宜，但是電刷嚴重磨損后，需要打開電機蓋更換。無刷電機沒有開蓋更換電刷的問題，比有刷電機省電，有力，壽命長，而且隨著近幾年關于無刷電機技術研究的深入，無刷控制器的價格大幅度下降，質量提高，因此，無刷電機逐步取代有刷電機主導地位。經綜合考慮，本研究機具根據市場現有電機參數選用了性價比較高的無刷直流中置電機，電機功率為650 W，使用60 V 的電壓，電路中電流較小，無需配置大電流專用電線，降低了電路成本。

2.2 機架設計

本研究要求機架可以滿足連接這些不同作業部件的通用接口，此外還需考慮到預留一些連接孔，方便后續工作需求。為保證結構的穩定性，機架主體結構為框架結構，并輔助板材、型材等其他零部件，最后經焊接形成一體結構，提高其強度，保證后期使用的可靠性、安全性。

機架整體結構見圖2。機架縱梁與機架橫梁構成矩形框架結構，機架縱梁外側與套管固定連接，機架縱梁下側與變速箱連接板固定連接，機架橫梁后側與立柱固定連接，固定軸穿過角度調節座與立柱上端固定連接，通用連接座與立柱后下方固定連接。為了減輕整機質量，滿足整機性能的情況下，機架縱梁、立柱、機架橫梁均采用40mm規格的方管。

圖2 機架結構圖Fig.2 Frame structure drawing

2.3 驅動部分設計

本設計驅動部分采用車輛上面使用較多的整體式丁字型結構驅動橋，見圖3，齒輪傳動，且傳動部件均在密閉空間內，齒輪接觸面有潤滑油或者潤滑脂潤滑，噪音低，傳動平穩且在粉塵較多的環境中也可以可靠作業。主要由電機、主減速器、差速器、半軸及連接座等部分組成，低速電機+高低檔驅動橋組裝成整套驅動橋，速度慢扭力大，適合載重大的場合使用。主減速器采用單級減速器，主減速器齒輪采用斜齒輪，差速器采用普通圓錐行星齒輪差速器，設置有半軸，橋殼采用鋁合金整體式橋殼。電機與驅動橋直連，不用鏈傳動，直接通過齒輪傳動經減速機構傳到驅動輪上，減少了功率在傳動過程中的能量損失，簡化了工藝流程和加工難度。整個驅動部分具有體積小、結構緊湊、適應能力強、傳動效率高、故障率低等優點。使用后，可以使整機質量減輕，方便布置其他部件、車輛控制操作簡單、成本大幅下除，它與機架之間的連接僅用U型卡就可以快速連接，降低了制造的成本。

圖3 驅動結構圖Fig.3 Drive structure diagram

2.4 輪胎選型及輪距確定

考慮到機具適用范圍，本研究選用了2 種不同類型的輪胎，一是500-10 人字花紋輪胎，輪輻直徑480 mm，輪輻寬度110 mm，最大負荷258 kg，層級6P，此輪胎胎面較寬，不易粘土，輪徑較小，行駛穩定性較好，適合田間行駛及播種等作業場合使用；另一種為鴨掌式實心窄邊輪胎，直徑650 mm，寬85 mm，花紋深40 mm，附著能力強，此輪胎輪徑較大，機具離地高度較高，可用于中耕噴藥等場合使用。

機具主要用于山區及大棚，轉彎半徑宜小，如果作物后期植株生長較高，機具無法橫跨作物外行走，只能將輪距縮小，適應在如玉米等作物行間行走，進行除草等作業，避免損傷作物。根據作物種植農藝標準，在不影響整機穩定性的前提及綜合考慮整機結構，并保證作業安全，最確定輪胎內側最窄可調節至40 cm，可適應種植面積較多的玉米、馬鈴薯等作物行間中耕除草作業；最寬輪胎內側可調至120 cm，以玉米常見種植行距60 cm為例，在噴藥時，為了使噴頭噴灑面積大，則離地高度需要高，考慮到整機穩定性問題，將輪胎橫跨兩行玉米外進行行駛作業，這樣就達到了較好的穩定性。

2.5 提升裝置設計

根據作業需求會配置不同類型的作業部件，后置機具在作業過程中或者道路行駛過程中需要升降，離開地面，否則影響機具行駛，因此設計了一種手動提升裝置，可有效降低操作人員的勞動強度，只需一個操作手柄，可快速控制后置機具升降。提升裝置主要由缺口板、止動銷、復位彈簧、拉線固定板、通用連接架及鋼絲拉線等部件組成，見圖4。

圖4 提升結構圖Fig.4 Diagram of lifting structure

缺口板上面以一定間隔角度均勻設置有若干個缺口，可使得后置農機具位于一定角度范圍內的某一位置。如需調整后置農機具與地面的夾角位置，則通過操作手柄控制拉線，通過拉線將止動銷從缺口板上設置的缺口中向后拉出，此時調整通用連接架的位置，當調整到合適位置后，將止動板設置的缺口與止動銷對齊，松開拉線操作手柄，在復位彈簧作用下，止動銷進入所對準的缺口，完成鎖定。經綜合考慮，確定提升的角度范圍為60°，止動銷直徑規格為Φ12 mm。

2.6 輔助尾輪及可調扶手設計

機具根據不同作業需求，后面需要配置不同質量的作業機具，在田間道路運輸過程中由于運輸距離較長，如果只靠2個行走輪支撐，通過操作者扶持扶手將后置機具以支撐輪為支點抬離地面，由于后置機具質量不同，整個機具重心無法集中至支撐輪支點鉛垂線附近，在崎嶇不平的田間道路行走，操作者難以保持平衡，操作者會感覺疲勞，行走速度受影響，嚴重影響使用。本研究設計了一種快速拆裝的尾輪機構，見圖5。由尾輪架、座椅、尾輪、腳蹬等部件組成，尾輪架端部設置有U 型連接座，通過一根連接銷即可將整個尾輪機構與主體機具連接，尾輪架后端設置有可前后調整位置的座椅，方便操作者乘坐駕駛行走，尾輪叉架兩側設置有可折疊腳蹬，方便操作者擱置雙腳，尾輪為萬向輪結構。通過上述結構的增置，極大地改善了機具的舒適性、適用性。

圖5 尾輪結構圖Fig.5 Diagram of tail wheel

為了適應不同身高的操作者操作，設計了可調整扶手，見圖6。扶手由扶手水平角度調整座、鎖定銷、一級扶手架、扶手豎直角度調整座、二級扶手架及立柱等部件構成。二級扶手架與扶手豎直角度調整座剛性連接，扶手豎直角度調整座上面設置有若干個銷孔，根據需求，扶手豎直角度調整座上面的不同銷孔與一級扶手架上面設置的銷孔相對應可組合成不同的高度的扶手位置，可在25 cm 范圍內調整；同理，在立柱上面也設置了一個360°范圍內均勻布置的若干個銷孔，可與水平角度調整座上面的銷孔相對應組合成不同水平轉角位置的扶手位置，在360°范圍內調整，方便操作者使用。

圖6 扶手結構圖Fig.6 Diagram of handrail

3 結論

本文研制了一種在大棚和溝梁山坡等地方兼用的自走式山地電動多功能作業機，可分別進行播種、噴藥、除草等多種作業。整機實現了小型電動力機代替傳統的牲畜耕牛耕或燃油機在山坡洼地、菜園子及大棚等地塊作業，其結構簡單、便于推廣應用，而且無廢氣排放，利用家用照明電路即可充電，省時、省力、省錢，樣機經多次試驗改進后，各方面性能均達到了設計要求。