一種小型電動微耕機的設計

摘要 針對傳統微耕機抖動大、噪音大、行走不方便以及保護措施欠缺等問題，設計了一種小型電動微耕機，設計機具作業幅寬60 cm，作業深度大于8 cm。通過計算，微耕機的動力輸出電機選取功率2.2 kW、電壓72 V的直流電機，按照作業工況，對微耕機的變速箱、傳動比以及齒輪進行了設計，并對關鍵零部件進行了校核，強度滿足設計要求。按照實際工作要求，對電池容量進行估算選型，選用120 A·h鋰電池作為供電電池，最終建立整機的三維模型。相比傳統的汽油動力和柴油動力，電動式微耕機在茶園、大棚種植等方面優勢更加明顯，除了無污染，還有振動小、轉速可調性等優勢，具有廣闊的市場應用前景。

關鍵詞 微耕機;機械化;丘陵山地;設計

中圖分類號 S220.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）14-0174-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.14.038

Design of a Small Electric Micro Tiller

QI Xing-yuan，LIN Shu-yun，WANG Ying-fen et al

（Guizhou Mountainous Agricultural Machinery Research Institute，Guiyang，Guizhou 550001）

Abstract In response to the problems of large shaking，high noise，inconvenient walking，and lack of protective measures in traditional micro tillers，a small electric micro tiller was designed，with a designed width of 60 cm and a depth of more than 8 cm.Through calculation，a DC motor with a power of 2.2 kW and a voltage of 72 V was selected as the power output motor of the micro tiller.According to the operating conditions，the gearbox，transmission ratio，and gears of the micro tiller were designed，and key components were verified to meet the design requirements.According to actual work requirements，estimate and select the battery capacity，select 120 A·h lithium battery as the power supply battery，and ultimately establish a three-dimensional model of the entire machine.Electric micro tillers have more obvious advantages compared to traditional gasoline and diesel power in tea gardens and greenhouse planting.In addition to being pollution-free，they also have advantages such as low vibration and adjustable speed，which have broad market prospects.

Key words Micro tiller;Mechanization;Hilly and mountainous areas;Design

基金項目 貴州山地高效農機創新試驗基地建設項目（黔科合服企〔2023〕005）;黔南州科技攻關計劃項目（黔南科合〔2023〕03號）。

作者簡介 齊興源（1991—），男，甘肅酒泉人，工程師，碩士，從事山地農機裝備研究。*通信作者，女，貴州遵義人，正高級畜牧師，從事畜牧及畜牧機械裝備研究。

收稿日期 2023-10-10

旋耕機作為一種耕作機械，誕生于19世紀中期，在國外經歷了將近150多年的發展，現在技術相對趨于完善［1-2］。在我國其發展歷程大致如下：南北方地區大面積使用，在部分地區甚至替代了傳統的翻伐犁，其耕作幅寬和功率變化較大，1.6～80.0 kW的旋耕機均有。在北方或平原為主的省份，采用的基本都是懸掛式拖拉機牽引的組合方式，而針對南方丘陵山地這一組合方式限制頗多，使用相對較少［3-5］。在這種情況下，2000年前后，小于7.5 kW的微型耕耘機誕生，除了傳統旋耕以外，還可用于田間管理、果園園藝等領域，由于其高適應性被大面積應用［4］。但是，微耕機在使用過程中，抖動大、保護措施欠缺等問題逐漸凸顯，尤其是在一些對排放要求較高的作業地區，微耕機的弊端則暴露更加明顯［5-6］，比如：茶園、大棚等，微耕機的排放多是不達標的，對作物品質影響較大，而電驅動相比傳統的汽油動力和柴油動力優勢更加明顯，除了無污染，還有振動小、轉速可調性等優勢［7-8］。按照這種思路，筆者設計了一款小型電動微耕機，在蔬菜大棚、茶園等領域擁有廣闊的應用前景，供行業領域人員參考。

1 結構方案與工作原理

1.1 常規微耕機的構造及工作原理

如圖1所示，常規動力微耕機主要由動力組件、傳動組件、作業組件、機架及扶手等組成，工作時，通過發動機旋轉，驅動傳動組件完成減速，一般轉速不超過300 r/min。旋耕組件一般為1～4組刀輥組成，動力越大，旋耕刀越多，常規小動力旋耕機以2～3組最多，可以兼顧效率和便攜性，作業時，操作人員通過下壓扶手或上提扶手來控制耕深，限深阻尼棒可以有效限制最大深度和前進速度，保證作業安全性。微耕機在作業時抖動極大，對操作人員雙手傷害較大［9］。由于其沒有主動行走裝置，所以行走依靠旋耕組件帶動整機前進。

從上面的闡述可以看出，微耕機組成相對比較簡單，但是微耕機目前還面臨較多技術問題有待解決。比如：微耕機作業時，刀輥既是耕作部件又是驅動部件和行走部件。刀輥是微耕機主要振動源，主要由刀片切削土壤時土壤對刀片的沖擊振動引起。微耕機的振動問題及其使用和操作不便問題較多［10］。

1.2 電動微耕機的設計方案

微耕機一般采用兩輪和四輪2種驅動方案。兩輪驅動方案與常規旋耕機一致，也就是作業旋耕組件兼顧行走和旋耕2個功能，轉場時，通過更換旋耕組件為行走輪，便于路面行走，作業時，同樣依靠旋耕組件帶動整機行走，依靠限深阻尼棒限制前進速度，這種方案結構簡單，成本低，但是大量能量消耗在限深組件上，同時不易操作，所以，近年來也有部分兩輪驅動旋耕機增加輔助輪來便于控制，但是改進有限［11］。四輪驅動方案則是行走與作業組件分開，前輪或后輪長期存在1對行走輪，另外1對為作業輪組，可以更換行走輪來作業，作業時1對主動行走，1對作業，由于有專用行走輪，不需要旋耕組件兼顧行走，所以操作更為簡單，也無需額外設置阻尼組件來限制速度，可以通過離合和調速來控制行走速度。因電動微耕機要求作業穩定，減少電池振動，顯然四輪的設計對于減震效果更佳，穩定性更好，便于轉向，操作人員更加舒適，故該研究采用四輪驅動方案。在布局上，一般分為前置和后置2種方式，前置主要是旋耕作業組件處于前行走輪，后置則類似，旋耕作業組件處于后行走輪，無論哪一種方式，都可以實現行走，前置則是通過上提扶手實現耕深控制，反之則是通過下壓控制，所以在本質上差別不大。考慮到前置行走輪可以在轉向時更加容易操作，后輪行走在部分邊角位置，作業邊界更大，針對部分邊角作業效果更好，故該設計采用前置旋耕組件。

如圖2所示，該設計的小型電動微耕機主要由旋耕組件、蓄電池、傳動組件、電機、行走組件、控制組件等部件組成，其中旋耕組件選擇2～3組旋耕刀，傳動組件則是齒輪傳動機構，也是該設計重要機構，控制組件則是包括扶手、控制桿等零件組成，完成對整機的操控。

2 關鍵零部件的設計

2.1 電機的選型

2.1.1 作業參數計算。

按照一般微耕機的作業標準［12］，耕作深度設計為8～10 cm，幅寬設計為60 cm，作業效率0.1 hm2/h。按照作業效率，計算機具作業前進速度（Vm）：

Vm=0.19×15×sB

式中：s為生產效率（hm2/h），本設計為0.1 hm2/h;B為作業幅寬（m），本設計為0.6 m。

通過計算得出機具作業前進速度Vm=0.48 m/s。進一步，按照行走輪設計直徑為320 mm，可以確定行走轉速為28.7 r/min，考慮空載行走速度要達到1.2 m/s左右，行走轉速要達到71.8 r/min，為便于計算，可取75.0 r/min。作業轉速一般為190.0～380.0 r/min，取250.0 r/min。

2.1.2 電機功率估算。

旋耕機作業功率與切削深度、切削寬度、作業深度、土壤黏度等多個因素都存在直接關系，難以直接進行估算，所以在獲得微耕機功率過程中，一般是假定理想狀態進行求解，首先假定作業為水平田地面，而不是坡度，然后根據以下公式計算作業所需功率：

P=0.1×Kλ×d×Vm×B

式中：Kλ為旋耕比阻（N/cm2），即為單位長度的阻力大小;d為耕深（cm），根據該設計平均耕深計算，取9 cm;

Vm為作業速度（m/s），根據前文計算，為0.48 m/s;B為作業幅寬（m），本設計為0.6 m。

進一步計算Kλ，根據《農業機械設計手冊》［13］，按照比阻計算公式Kλ=KgK1K2K3K4，查得Kg=16 N/cm2，K1=1.00，K2=0.90，K3=0.80，K4=0.66，則可計算得出Kλ=7.6 N/cm2。再計算得出P=0.1×7.6×9×0.48×0.6=1.97 kW。按照行走功率為0.1～0.3倍作業功率，取0.1倍，則所需功率為Pca=1.1 P=2.18 kW。

根據計算結果，初步選擇電動機：合力ZLCF直流有刷電機，額定功率2.2 kW；額定轉速3 000 r/min；凈重15 kg。

2.2 旋耕刀的設計及布局

旋耕刀是旋耕機的主要工作部件，刀片的形狀和參數直接影響旋耕的工作質量，目前國內外對旋耕刀刃口曲線形狀和結構參數作了大量研究，就橫軸旋機上的刀齒而言主要有剛性和彈性兩大類。如圖3所示，在排列刀片的過程中，為了解決旋耕機工作時向側邊輸土的問題，可以使左右刀片的2條螺旋線不連續，而且旋向不一樣，并且相鄰區段螺旋線的旋向相反；在焊接左右刀片的時候，同一回轉平面的左右彎刀的間隔夾角應該在90°～180°，因此確定一個刀座上同一回轉平面的兩把刀的間隔夾角為180°。

2.3 變速箱傳動設計

2.3.1 傳動方案設計。從電動機到旋耕機刀軸，效率傳遞包括離合器、聯軸器、滾動軸承、圓柱齒輪、皮帶輪、鏈輪等的傳遞，所以需要充分考慮功率。初步擬定傳動方案如圖4所示，其中行走驅動軸為8軸，作業驅動軸為5軸。

2.3.2 各軸輸入功率計算。按照《農業機械設計手冊》［13］中傳遞效率定義，離合器η1=0.99，聯軸器η2=0.99，軸承η3=0.99，圓柱齒輪η4=0.96，皮帶輪η5=0.96，則計算得出各軸的輸入功率（kW）分別為：

P1=P0η1η3=2.20×0.99×0.99=2.16

P2=P1η3η4=2.16×0.99×0.96=2.05

P3=P2η3η4=2.05×0.99×0.96=1.95

P4=P3η5η2=1.95×0.96×0.99=1.85

P5=P4η5η3=1.85×0.96×0.99=1.76

2.3.3 傳動比確定。按照電機選型設計及行走和作業轉速要求，電機轉速為3 000 r/min，行走轉速75 r/min，作業轉速為250 r/min，則行走總傳動比為40.0，作業總傳動比為12.0。進一步，按照經驗設計，帶傳動傳動比設計為2.0，則作業傳動比設計：2軸和3軸傳動比為1.2，3軸和4軸傳動比為2.5，4軸和5軸傳動比為2.0。行走傳動比設計：2軸和6軸傳動比為2.0，6軸和7軸傳動比為3.0，7軸和8軸傳動比為3.5。

2.4 齒輪設計與校核 首先，根據傳動方案選用直齒圓柱齒輪傳動，齒輪選用8級精度。因第1組齒輪傳遞功率最大，所以只對第1組齒輪進行強度校核［14］。按照設計，動力電機輸出轉速為3 000 r/min，因帶傳動傳動比為2.0，則2軸的轉速為1 500 r/min，按照扭矩計算公式：

T=9 550 P/n

式中：P為2軸輸入功率，為2.05 kW；n為2軸轉速，為1 500 r/min。計算得2軸的扭矩T=13.05 N·m，估取齒輪模數m=2，選擇齒輪的材料為40 Cr，調質后表面淬火，硬度280 HBS，最大許用強度為σHlim=785 MPa。選擇小齒輪齒數為z1=30，則大齒輪的齒數z2=i1×z1=1.2×30=36，齒寬b=15 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，使用solidworks simulation進行仿真分析，結果如圖5、6所示，小齒輪的最大應力為σ小=417.2 MPa，大齒輪的最大應力為σ大＝611.8 MPa，所以齒輪設計強度滿足載荷要求。

2.5 電池選型與容量計算

2.5.1 電池類型選型。蓄電池供電又分為多種普通硫酸電池、鎳基電池、鋰電池等多種電池，其中以低成本的鉛酸電池使用最多，除此以外，成本相對較高的鋰電池使用較多，考慮到體積小、重量輕等需求，鋰電池壽命長、瞬時電流大等優勢突出，故采用鋰電池供電。

2.5.2 電池容量計算。按照電池容量估算公式［15-16］：

Q=A×qL×N×Tσx

式中：Q為蓄電池設計容量；A為放電修正系數或安全次數，取值1.1；qL為1 h耗電量，按照電機功率為2.2 kW、72 V，則其值為30.2 A·h；N為工作時間，按照連續工作3 h計算；Tσ為低溫修正系數，當高于0 ℃為1；x為放電深度，取值為0.9。計算得電池容量為

Q（A·h）=1.1×30.2×3×10.9=110.7

選取電池容量為120 A·h、電壓72 V的蓄電池作為微耕機供電電池，蓄電池重量約為40 kg。

3 三維模型構建

3.1 變速箱設計 如圖7所示，變速器組件主要包括保護殼、軸、軸承、齒輪等零件，完成零件繪制以后，通過面面重合、同心、平行、固定、垂直等多種方式進行模擬裝配，整體變速箱設計為倒“V”型，滿足行走和作業動力需求及空間布置。

3.2 旋耕刀組件設計 旋耕刀組件主要包括旋耕刀、六方軸等零件，其中螺栓為標準件，傳動軸為非標準組件，需要根據實際安裝進行設計，對旋耕刀、軸等零件進行模擬裝配，如圖8所示。

3.3 整機模型建立 完成電機、電池、機架、輪胎等配件模型建立，進行整體裝配，整機模型如圖9所示，在作業刀軸上方加裝擋泥板，有效防止作業時泥土甩出，電池安裝在作業部件上方，一方面可以增加重量，在旋耕作業時方便刀具入土；另一方面可以方便充電時拆卸更換。

4 結論

為了解決傳統微耕機抖動大、噪音大、行走不方便以及保護措施欠缺等問題，設計了一種小型電動微耕機，通過計算，對微耕機的電機功率進行了確定，按照作業工況，對微耕機的變速箱、傳動比以及齒輪進行了設計，并對關鍵零部件

進行了校核，強度滿足設計要求。按照實際工作狀況，對電池容量進行估算選型，最終建立整機的三維模型。相比傳統的汽油動力和柴油動力，電動式微耕機在茶園、大棚種植等方面優勢更加明顯，除了無污染，還有振動小、轉速可調性等優勢，因而具有廣闊的市場應用前景。

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