一種電動(dòng)履帶耕整機(jī)的研制及試驗(yàn)

周春健，俞志軒，唐寧?kù)o，李一昕

（上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，上海市 201106）

0 引言

耕整作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié)。目前的耕整作業(yè)主要以有人駕駛的耕整機(jī)作業(yè)為主，作業(yè)時(shí)駕駛?cè)藛T需集中精力控制機(jī)具作業(yè)方向及時(shí)調(diào)整作業(yè)路徑，作業(yè)環(huán)境較惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。同時(shí)采用內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的耕整機(jī)在設(shè)施內(nèi)作業(yè)時(shí)排放污染物較多，容易造成環(huán)境污染，影響駕駛?cè)藛T健康及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。國(guó)內(nèi)高校對(duì)于電動(dòng)旋耕機(jī)的研究以理論為主，田碩對(duì)新型整體式電動(dòng)旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輕量化進(jìn)行了研究[1]；柴媛欣對(duì)電動(dòng)微耕機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的匹配進(jìn)行了研究[2]；李亮等設(shè)計(jì)了一種新型環(huán)保電動(dòng)微型旋耕機(jī)[3]。目前，以電動(dòng)微耕機(jī)為代表的新能源機(jī)具在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域得到持續(xù)關(guān)注與研究，本文根據(jù)設(shè)施內(nèi)旋耕作業(yè)需求，設(shè)計(jì)一種電動(dòng)履帶耕整機(jī)以減少勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，減少碳排放，提高設(shè)施內(nèi)耕整作業(yè)質(zhì)量，對(duì)于早日實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有積極意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)履帶耕整機(jī)如圖1所示，主要有罩殼、履帶底盤(pán)、控制箱、動(dòng)力電池、電動(dòng)液壓推桿、旋耕部件組成?？刂葡浒惭b于履帶底盤(pán)的前端，動(dòng)力電池安裝于履帶底盤(pán)的中間位置，旋耕部件通過(guò)三點(diǎn)懸掛與履帶底盤(pán)相連接，旋耕部件的升降通過(guò)電動(dòng)液壓推桿完成。

圖1 電動(dòng)履帶耕整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理

電動(dòng)履帶耕整機(jī)由電池提供底盤(pán)行走以及旋耕動(dòng)力，通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)下達(dá)作業(yè)指令使耕整機(jī)自動(dòng)尋找工作點(diǎn)位按照預(yù)先規(guī)劃好的軌跡進(jìn)行耕整作業(yè)或者采用手機(jī)遙控的方式控制耕整機(jī)進(jìn)行自動(dòng)耕整作業(yè)。耕整機(jī)作業(yè)時(shí)，根據(jù)不同作業(yè)要求，由電動(dòng)液壓推桿自動(dòng)控制旋耕深度，旋耕電機(jī)控制旋耕速度，以滿(mǎn)足不同作業(yè)需求。

電動(dòng)履帶耕整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 行走底盤(pán)設(shè)計(jì)

行走底盤(pán)是耕整機(jī)行走的關(guān)鍵部件，選用履帶底盤(pán)可以增大與土壤的接觸面積減少對(duì)土壤的鎮(zhèn)壓，保證土壤的疏松性。行走底盤(pán)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要有底盤(pán)車(chē)架、主動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)半橋、換向齒箱、聯(lián)軸器、減速器、行走電機(jī)、行走電池組成。

圖2 行走底盤(pán)部件

行走底盤(pán)由行走電池提供動(dòng)力，由行走電機(jī)將動(dòng)力傳遞至減速器，減速器通過(guò)聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞至換向齒箱，換向齒箱通過(guò)半橋驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪作業(yè)，左右電機(jī)分別控制左右主動(dòng)輪。預(yù)估整機(jī)質(zhì)量1000kg，行走電機(jī)的選型參數(shù)計(jì)算如下：

式中，μ為摩擦系數(shù)，取0.5；

m為整機(jī)質(zhì)量，取1 000 kg；

g為重力加速度，取 9.8 m/s2；

2010年平安夜，對(duì)于江帆來(lái)說(shuō)卻是個(gè)不安的夜晚。那天，江帆回到家中，偌大的房子里空無(wú)一人，妻子的手機(jī)也處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。平時(shí)，妻子總是準(zhǔn)備好香噴噴的飯菜等著他。妻子究竟去哪里了呢？他心急如焚。終于，在臥室的床頭柜上，他發(fā)現(xiàn)了妻子吳霞的字條：“江帆：我愛(ài)上別人了。很抱歉！你別找我，忘了我吧！”江帆五雷轟頂，優(yōu)秀如他，竟會(huì)遇上這等荒唐事？

η為電機(jī)效率，此處取0.8；

V為耕整機(jī)工作速度（km/h），取1.8。

經(jīng)計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)為3.1 kW，由于田間情況較復(fù)雜，為保證耕整機(jī)作業(yè)性能，因此左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇額度功率為3 kW的無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)額定電壓48 V。為滿(mǎn)足作業(yè)時(shí)間要求，行走電池選型贛鋒鋰電GFLF-51.2V-206Ah型磷酸鐵鋰電池。

2.2 旋耕部件設(shè)計(jì)

旋耕部件是耕整機(jī)作業(yè)的關(guān)鍵部件，設(shè)施內(nèi)作業(yè)空間小，邊角地多，以防出現(xiàn)漏耕，要求設(shè)計(jì)的旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)要緊湊；溫室內(nèi)的土壤水分含量高，旋耕困難，要求旋耕機(jī)的動(dòng)力要穩(wěn)定有力，旋耕作業(yè)效果良好。旋耕部件如圖3所示，主要由旋耕部件機(jī)架、旋耕刀軸、側(cè)邊鏈箱、傳動(dòng)軸、旋耕聯(lián)軸器、旋耕電機(jī)固定板、旋耕電機(jī)減速器、旋耕電機(jī)組成。

圖3 旋耕部件

旋耕部件由動(dòng)力電池提供電源，旋耕電機(jī)通過(guò)電機(jī)減速器、旋耕聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸將動(dòng)力輸送到側(cè)邊鏈箱，驅(qū)動(dòng)旋耕刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成旋耕作業(yè)。

由《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，影響旋耕機(jī)功率的因素有很多，根據(jù)如下的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，Kλ為旋耕比組（N/cm2），取5.58；

Vm為機(jī)組前進(jìn)速度（m/s），取1；

B為耕幅（m），取1.2。

計(jì)算得，N=0.1×5.58×15×1×1.2≈10（kW）。

選用德瑪克型號(hào)為DH180BLD15KW-96A-30S電機(jī)，功率為15.7 kW，額定電壓96 V，額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm，實(shí)際使用效率為65%，作為旋耕電機(jī)滿(mǎn)足旋耕工作需求。旋耕電機(jī)由動(dòng)力電池供電，為滿(mǎn)足耕整機(jī)連續(xù)作業(yè)時(shí)間，選擇贛鋒鋰電96V-400Ah型磷酸鐵鋰電池。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)履帶耕整機(jī)控制系統(tǒng)主要由路由器、控制器、左電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、右電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)、繼電器組、驅(qū)動(dòng)器組成。耕整機(jī)行走部分接線如圖4所示，旋耕部分接線圖如圖5所示。

圖4 行走部分接線圖

圖5 旋耕部分接線圖

電動(dòng)履帶耕整機(jī)自動(dòng)作業(yè)時(shí)，由計(jì)算機(jī)或者手機(jī)將控制信號(hào)發(fā)至路由器，再由路由器將信號(hào)傳遞至控制器，啟動(dòng)旋耕電機(jī)；旋耕電機(jī)啟動(dòng)后，電動(dòng)液壓推桿伸長(zhǎng)將旋耕部件下降至旋耕位置，旋耕部件到位后電液壓桿停止伸長(zhǎng)并保持位置；耕整機(jī)前進(jìn)進(jìn)行旋耕作業(yè)。耕整機(jī)右轉(zhuǎn)彎時(shí)，控制器控制左行走電機(jī)轉(zhuǎn)速較快，右行走電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢，進(jìn)行右轉(zhuǎn)，耕整機(jī)左轉(zhuǎn)彎時(shí)則相反。田塊耕完后，旋耕電機(jī)自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而后電動(dòng)液壓推桿回縮至運(yùn)輸位置，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)，無(wú)人駕駛作業(yè)原理如圖6所示。

圖6 無(wú)人駕駛作業(yè)原理

4 耕整機(jī)田間試驗(yàn)

4.1 旋耕功率消耗測(cè)定

課題組選取百蒂凱蔬果種植專(zhuān)業(yè)合作社作為試驗(yàn)基地，2021年1月份進(jìn)行了耕整機(jī)旋耕功率消耗試驗(yàn)，試驗(yàn)田塊為青菜收割后的8 m單棚。由于旋耕機(jī)工作時(shí)動(dòng)力電池只給旋耕電機(jī)供電，動(dòng)力電池顯示器顯示的輸出電流即為旋耕電機(jī)消耗電流，實(shí)時(shí)記錄并計(jì)算旋耕消耗功率。田間試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 旋耕功率消耗試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。旋耕電機(jī)消耗功率與耕整機(jī)前進(jìn)速度和旋耕深度正相關(guān)，前進(jìn)速度越快旋耕功率消耗越大，旋耕深度越深旋耕功率消耗越大，同時(shí)，試驗(yàn)驗(yàn)證了耕整機(jī)所選旋耕電機(jī)、動(dòng)力電池符合設(shè)計(jì)要求。

表2 旋耕功率消耗

4.2 旋耕深度穩(wěn)定性

根據(jù)GB／T 5668-2017旋耕機(jī)械的試驗(yàn)方法，對(duì)旋耕深度穩(wěn)定性及合格率進(jìn)行測(cè)試。設(shè)定耕整機(jī)前進(jìn)速度1 m/s，旋耕深度15 cm，旋耕完成后，隨機(jī)選取3個(gè)行程，用鐵皮尺測(cè)定旋耕深度。測(cè)定時(shí)，沿機(jī)組前進(jìn)方向每隔2 m測(cè)定一點(diǎn)，每個(gè)行程各測(cè)定5點(diǎn)，記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值、穩(wěn)定性系數(shù)。無(wú)人駕駛旋耕深度試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 無(wú)人駕駛旋耕深度試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)方法將試驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表3，從表3的數(shù)據(jù)得出旋耕深度均值15.4 cm，穩(wěn)定性系數(shù)93.5%，符合旋耕作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 旋耕深度

5 結(jié)論

根據(jù)設(shè)施內(nèi)旋耕作業(yè)要求，設(shè)計(jì)一種電動(dòng)履帶耕整機(jī)。通過(guò)左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制耕整機(jī)作業(yè)速度，調(diào)整電動(dòng)液壓推桿長(zhǎng)度控制旋耕機(jī)耕深，采用旋耕電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制旋耕電機(jī)轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足不同旋耕作業(yè)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明在耕整機(jī)前進(jìn)速度1 m/s，旋耕電機(jī)最大消耗功率11.8 kW，旋耕深度均值15.4 cm，穩(wěn)定性系數(shù)93.5%，部件選型符合設(shè)計(jì)要求，旋耕作業(yè)質(zhì)量合格。機(jī)具作業(yè)過(guò)程中，未發(fā)生土壤擁堵、菜茬纏繞旋耕刀軸現(xiàn)象，機(jī)具通過(guò)性能良好。