電動遙控茶園管理機設計與試驗

摘要：針對目前貴州省茶園管護機具以手扶式為主，且農村勞動力短缺的現狀，結合尾氣排放對茶葉會產生一定的影響，為進一步解決好丘陵山區茶園機械化管護問題，設計一種電動遙控茶園管理機。通過對機具的行走傳動系統、作業傳動系統、齒輪等關鍵部件及遙控控制電路進行設計，并配套設計旋耕、開溝、除草模塊，各模塊之間可方便拆卸。使用Solidworks Simulation對機具的傳動齒輪、懸臂軸等進行仿真分析，并進一步對樣機的作業性能進行檢測。試驗表明，該機具目前能夠進行旋耕和開溝模塊的快速更換，旋耕作業深度為15.3 cm，開溝作業深度為20.7 cm，遙控距離大于200 m，初步實現“一個動力平臺+N個作業模塊”的作業模式。

關鍵詞：茶園；管理機；丘陵山地；履帶底盤；遙控

中圖分類號：S233.75

文獻標識碼：A

Design and experiment of electric remote control tea garden management machine

Abstract：

In response to the current situation in Guizhou Province where tea garden management equipment is mainly hand held and there is a shortage of rural labor， combined with the impact of exhaust emissions on tea， and to further solve the problem of mechanized management of tea gardens in hilly and mountainous areas， an electric remote control tea garden management machine was designed. Key components such as the walking transmission system， operating transmission system， gears， and remote control circuit of the machine were designed， and rotary tillage was also designed Ditching and weeding modules， each module can be easily disassembled. Use Solidworks Simulation to simulate and analyze the transmission gears， cantilever shafts， etc. of the equipment， and further test the operational performance of the prototype. Experiments have shown that the machine is currently capable of quickly replacing rotary tillage and trenching modules. The depth of rotary tillage operation is 15.3 cm， the depth of trenching operation is 20.7 cm， and the remote control distance is greater than 200 m. It has preliminarily achieved the operation mode of “one power platform+N operation modules”.

Keywords：

tea garden; management machine; hilly and mountainous areas; track chassis; remote control

0 引言

世界主要的茶葉產地分布在亞洲和非洲，中國是茶葉的發源地。中國茶葉收獲面積從1990—2020年連續30年位居世界第一，產量從2005—2020年連續15年位居世界第一［1］。但由于我國茶園機械化水平低、加工技術水平偏低，以名優茶采摘為主，夏秋茶則利用不足，導致中國茶葉單產明顯低于世界平均水平［2］，但國外多以大型機具為主，在茶園管護機械研究方面，日本相對較多，如撒施機、旋耕施肥機、NV60H型采茶機等，為茶葉的發展提供了更先進的平臺［3］。中國茶園種植面積雖廣，但由于茶園多建在丘陵山區，茶園管護的機械化和現代化水平依舊很低［45］。近年來國內學者針對丘陵山區茶園，尤其是在茶園管護機械輕簡化和智能化方面做了重點技術攻關，讓茶園管理從“無機可用”向“有機可用”的方式轉變，但是茶園管護的機械化率依舊不足30%［68］。從機具作業的方式看，一種是矮地隙的單行行走管護機具，有手扶式、自走式和遙控式等，如四川省農業機械研究設計院研制的一種手扶式茶園除草機［9］、農業農村部南京農業機械化研究所研制的KM3CG-30型小型茶園耕作機［10］、福建農林大學設計的丘陵山區茶園作業的開溝施肥覆土一體機［11］、安徽農業大學設計了一種小型自走式茶園除草機等。另一種是高地隙跨行行走的管護機具，多用于修剪、采茶等作業，如農業農村部南京農業機械化研究所研制的高地隙自走式多功能茶園管理機［12］、浙江工業大學乘用式智能采茶機［13］、西南大學研制了一款丘陵山區茶園管理機移動平臺［14］，均屬于高地隙自走式管護機械，這類機具在日本應用較多，主要適用于平坡茶園。

茶葉是貴州省12大農業特色產業之一，截至2022年底，貴州省茶園種植面積467 khm2以上，是全國茶園面積最大的省份，但全省95%以上的茶園都屬于緩坡茶園和陡坡茶園。近年來，貴州茶園一直面臨機械化水平低、夏秋茶下樹率低、茶葉資源浪費等問題［15］。貴州省內茶園管護機具以手扶式、小型化為主，跨行乘坐式難以應用，小型手扶式管護機具應用相對廣泛，但是手扶式管護機具振動大、舒適性差、勞動力消耗大等問題沒有根本性解決。除此之外，油動管護機具的尾氣對茶葉品質會產生一定的影響，如鄭茂鐘等［16］通過對比茶園無行道樹和有行道樹的2個區域茶葉中重金屬含量，發現行道樹的截留對于重金屬的相關性和主成分分析結果有重要影響；吳永剛等［17］研究了國道旁茶樹不同器官中重金屬含量和分布規律，結果表明汽車尾氣排放的鉛污染影響范圍可達60 m左右。

針對當前手扶式管護機具勞動強度大，且勞動力老齡化及短缺的現實，同時避免管護機具尾氣排放對茶葉品質產生影響，設計一種電動遙控茶園管理機，通過“電動動力底盤+作業模塊”的模式，以期為解決丘陵山區茶園管護勞動力短缺問題和建設干凈茶園作參考。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

電動遙控茶園管理機主要由行走履帶、機架及外殼、控制器、蓄電池、防護罩、作業模塊等部件組成，如圖1所示。行走履帶由小型三角履帶構成，增加機具的通過性；控制器主要是接收遙控器的信號同時發出相應的作業指令，達到控制機具完成相應的動作；作業模塊可以是深松模塊、旋耕模塊、除草模塊或開溝模塊，可根據需要進行掛接對應的作業模塊。整機的設計尺寸為200 cm×69 cm×60 cm，以適應茶園行寬的需求，動力電池容量為120 Ah，可方便拆卸，便于電池的快速更換。

1.2 工作原理

電動遙控茶園管理機為純電動設計，同側的兩個三角履帶通過皮帶連接，由電機驅動同步運動，前進或后退時兩側履帶同步運動，轉向時單側履帶運動完成轉向。工作時，后側電液缸控制作業模塊升降，動力電機驅動作業模塊運轉。

2 關鍵部件設計

2.1 傳動系統設計與布置

行走傳動系統如圖2所示，機具行走由2個電機驅動，電機經過減速箱減速后傳遞動力至前方履帶，同時通過帶傳動同步驅動后方履帶。轉向時單側履帶運動，原地掉頭時兩側履帶反向運動。作業傳動系統如圖3所示，動力輸出電機經錐齒輪變速箱后將動力通過兩側鏈傳動傳遞至動力輸出接口，動力輸出接口與作業模塊進行連接，實現“一個動力平臺+N個作業模塊”的“1+N”模式。

升降裝置傳動如圖4所示，工作時，升降驅動電機通過升降傳動系統將動力傳遞至扇形大齒輪，實現升降驅動軸帶動機具安裝架圓弧擺動，完成機具升降。利用蝸輪蝸桿傳動的自鎖功能，結合整機自身重量可以有效保證作業部件作業時下壓力足夠。

2.2 行走驅動組件設計

2.2.1 作業驅動功率估算

按照《農業機械設計手冊》［18］旋耕機的功率估算公式為

N=0.1KλdBvm

式中：

Kλ——旋耕比阻，N/cm2，根據查表得：Kλ=9.98 N/cm2；

d——除草深度，一般除草深度為6～8 cm，考慮電驅動功率相對較低，取耕深15 cm；

B——除草寬度，根據設計為茶園行間作業，寬度應小于80 cm，取除草寬度0.7 m；

vm——作業機具前進速度，設計機具作業速度為0.15 m/s。

代入數據計算得，旋耕機的功率為1.57 kW。

依據圖3作業傳動系統設計，動力輸出電機經過一級錐齒輪傳動與一級鏈傳動，作業驅動電機功率

式中：

η齒——錐齒輪傳動效率，取0.93；

η鏈——鏈傳動效率，取0.95。

則計算作業驅動電機功率為1.78 kW，考慮沖擊載荷等情況，選取作業驅動電機功率為2.2 kW。

2.2.2 行走履帶電機選型

按照設計樣機設計模型，結合各零部件和輔助配件參數，通過計算預估電動遙控茶園管理機重量約為300 kg，結合驅動功率計算公式

式中：

P2——最大驅動功率，kW；

FT——牽引配套農機具牽引力，N；

v——最大作業速度，本文取作業速度為0.5 m/s；

η——傳動效率，本文設計底盤采用同步鏈傳動和減速器，效率取為0.96。

按照《農業機械設計手冊》，牽引配套農機具牽引力計算為

FT=Fq+Ff

式中：

Fq——實際作業牽引力，N；

Ff——行走摩擦力，N。

式中：

θ——作業機具與土壤接觸點連線與地面夾角，根據作業中心高度變化，采用除草刀實測，θ=44.3°。

代入數據計算得，Fq=7 348.36 N。

Ff=Mgμ

式中：

M——整機重量，估取為300 kg；

μ——摩擦系數，由于采用履帶行走方案，履帶與濕土地摩擦系數μ=0.1；

g——重力系數，9.8 N/kg。

代入數據計算得，Ff=294 N。

進一步，可得FT=7 642.36 N，P2=1 172.61 W，采用雙側獨立同步驅動，所以單側采用600 W直流調速電機驅動。

2.2.3 蓄電池選型

消耗電量計算公式為

W=P3t

式中：

P3——驅動總功率，kW；

t——放電時間，根據設計要求電池保證4～5 h放電，取工作時間t=4 h。

根據2.2.2節電機計算，所需作業驅動功率P1=1.78 kW，所需行走功率P2=1.17 kW，確定驅動總功率P3=2.95 kW。代入計算得，W=11.8 kW·h。

根據計算單量計算公式

W=UIt=UQ放電

式中：

U——驅動電壓，本文選用60 V鋰電池。

代入計算得Q放電=186.33 AH。根據蓄電池使用需求，需要10%～20%的余量保證電池壽命，故而電池容量

Q電池=1.2Q放電=223.6Ah

因此選擇電容量為兩節60 V 120 AH鋰電池即可滿足要求。

2.3 主要傳動零件設計與校核

2.3.1 傳動齒輪設計與校核

動力電機輸出轉速為600r/min，按照扭矩計算公式

T=9 550P/n

式中：

T——傳動扭矩；

P——電機功率，2.2 kW；

n——電機轉速，600 r/min。

代入計算得，傳動扭矩為35.02 N·m。

按照《農業機械設計手冊》，旋耕機轉速需小于300 r/min，錐齒輪的傳動比i≥2，選取傳動比為i=2.1，估取齒輪模數m=3。則計算得出：小齒輪齒數Z1=20，大齒輪齒數Z2=42，齒寬b=30 mm。由于齒輪在工作時是逐齒進行嚙合，在強度校核時只需要對單齒的強度進行校核［19］，小齒輪與大齒輪材料均選擇40Cr，齒輪加工后進行調質處理后，齒輪最大許用強度σ齒為785 MPa。使用Solidworks Simulation進行仿真分析，結果如圖5、圖6所示。小齒輪的最大應力為227 MPa，大齒輪的最大應力為518 MPa，所以齒輪設計強度滿足載荷要求。

2.3.2 懸臂軸設計及校核

懸臂軸是電機輸出軸上安裝錐齒輪傳動的組件，懸臂軸不僅要支撐錐齒輪，同時還要傳遞力矩到小齒輪，由于軸傳遞力矩是主要的作用，所以只需要對懸臂軸的扭力進行校核。根據小齒輪尺寸，設計連接軸徑d小為320 cm，材料選用40Cr，軸最大許永應力σ軸為785 MPa。對懸臂軸進行仿真分析，結果如圖7所示，懸臂軸最大應力為532 MPa，所以懸臂軸設計滿足要求。

2.4 控制系統設計

2.4.1 控制系統總體方案

本文履帶作業底盤采用無線遙控的方式進行控制，其系統主要包括主控模塊、收/發控制模塊、電機驅動模塊（直流行走電機驅動、三相異步電機驅動）。主控電路采用MSP430單片機，數據處理量更加穩定。而遙控電路的數據處理量相對較小，信號控制采用STC12單片機。作業模塊包括了行走電機和PTO輸出電機，其中，PTO輸出電機功率大，需采用三相異步電機，因此，PTO輸出電機驅動模塊需要配合SPWM逆變電路實現。電動遙控茶園管理機控制系統如圖8所示。

2.4.2 硬件電路設計

硬件電路主要包括主控模塊、無線收/發模塊、工作電機驅動模塊（三相異步電機）、行走電機驅動模塊4部分核心模塊。其中，行走電機采用AQMD3620NS-A2直流電機驅動器即可，對無線收/發模塊、工作電機驅動模塊、行走電機驅動模塊進行設計分析如下。

1）" 無線收/發電路模塊選擇。無線收發控制主要是控制作業過程中狀態監測和狀態控制，PT2262發出的編碼信號由地址碼、數據碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經過兩次比較核對后，VT腳輸出高電平，與此同時相應的數據腳也輸出高電平，如果發送端一直發送，編碼芯片也會連續發射。

當發射機沒有數據發送時，PT2262不接通電源，其17腳為低電平，所以315 MHz的高頻發射電路不工作；當有數據發送時，PT2262得電工作，其第17腳輸出經調制的串行數據信號，當17腳為高電平期間315 MHz的高頻發射電路起振并發射等幅高頻信號，當17腳為低平期間315 MHz的高頻發射電路停止振蕩，所以高頻發射電路完全受控于PT2262的17腳輸出的數字。本文選擇成品遙控器及接收端進行控制。

2） 工作驅動電機模塊設計。工作輸出電機的驅動為三相異步電機，而整機采用直流供電，所以本文需要采用三相逆變電路，如圖9所示。其工作原理：全橋的6個橋臂Q1、Q2為一組，Q3、Q4為一組，Q5、Q6為一組，分別對應U、V、W三相段子，相位相差60°的三路SPWM波分別加載到三組橋臂上。輸出采用LC電源濾波，將一系列的脈沖轉換成三相交流電壓。然后通過變壓器，實現三相異步電機的驅動電機逆變。

本文為了簡化設計采用HT3117逆變控制芯片為電路控制核心，橋臂采用IRFP2907場效應管，驅動芯片采用IR2110S。

3） 行走驅動模塊。行走電機涉及同步驅動問題，本文采用閉環控制模式，采用外接霍爾傳感器對單側電機旋轉速度進行采集比對，配合PWM矩形波無級調速實現左右同步，為了保證作業時牽引力問題，在控制策略上，低速優先，保證基本輸出功率，本文選擇KYDBL4850-2E驅動器，其可實現48 V、單電機功率1 kW電機驅動，滿足本設計要求。

2.4.3 系統軟件設計

系統程序主要包括基本控制程序和遙控程序，其中遙控程序包括發射控制程序、接收處理程序等組成。功能流程如圖10所示，工作時，搖桿電位器具有8個方向，分別為左、右、前、后、左前、左后、右前、右后。通過比較器對輸出電壓信號進行比較，從而確定輸出控制方向，與接收端通信，實現控制。

3 田間性能測試

3.1 試驗條件

對設計的樣機進行加工，為了便于作業模塊田間快速更換，作業模塊的安裝采用了六角驅動軸配合銷軸的結構，更換時，退出驅動軸完成作業機具的更換。通過銷軸來進行安裝限位和傳遞扭矩給機具，同時過載時銷軸剪斷可以有效保護驅動電機。2023年9月24日，在貴州省長順縣某試驗田開展了田間試驗，按照設計參數情況，對機具的遙控操作距離、旋耕深度、開溝深度等進行試驗，如圖11所示。

3.2 試驗指標及方法

3.2.1 遙控距離

如圖12所示，開展遙控距離測試時，樣機與遙控器處于同一水平線，樣機垂直于起始水平線行駛，樣機與遙控器連線與樣機所在位置作起始水平線的垂線夾角最大為30°。試驗時，操作人員每遠離5～10 m對機具進行1次操作，距離越遠操作間隔越小，左右最大角度、垂直角度分別測量1次，做出相應動作，則遙控距離有效，直至遙控操作失效距離時，記錄上一次有效操控距離，分別測量3次［20］。

3.2.2 旋耕深度

安裝旋耕作業模塊，在茶園進行旋耕作業，至少作業3行，每行至少選取3個點進行耕深測量，記錄作業深度，共測量9個數據，計算平均值。

3.2.3 開溝深度

安裝開溝作業模塊，在茶園進行開溝作業，至少作業3行，每行至少選取3個點進行耕深測量，記錄作業深度，共測量9個數據，計算平均值。

3.3 試驗結果

試驗數據結果如表1所示，平均遙控距離大于200 m，平均旋耕深度為15.3 cm，平均開溝深度為20.7 cm基本滿足茶園作業需求，但是由于茶園對信號存在明顯遮擋，選擇操作位置時，要求操作人員可目視樣機作業。

4 結論

1） 針對當前茶園管護中手扶式管護機具勞動強度大，且勞動力老齡化及短缺的現實，設計了一種電動遙控茶園管理機，該機具具有結構簡單緊湊，適宜丘陵山地作業的履帶式行走機構，電動遙控式設計能夠減少油動尾氣對茶園的污染，同時能減小人工操作機具的勞動強度，同時能夠實現旋耕、開溝和除草作業模塊的快速更換。

2） 結合作業實際，對機具的行走傳動系統、作業傳動系統、齒輪等關鍵部件及遙控控制電路進行設計計算，并利用Solidworks Simulation對機具的傳動齒輪、懸臂軸等進行仿真分析，設計強度基本滿足要求。

3） 試制樣機后，對樣機開展遙控距離、旋耕深度、開溝深度等作業測試，試驗結果表明：樣機遙控距離大于200 m，旋耕深度為15.3 cm，開溝深度為20.7 cm。但是目前作業模塊功能還不夠多，需要在后續開發過程中增加施肥、植保、修剪等作業模塊，實現“一個動力平臺+N個作業模塊”的作業模式。

參 考 文 獻

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