山地茶園多功能電動(dòng)動(dòng)力底盤的設(shè)計(jì)

摘 要：針對當(dāng)前手扶式管護(hù)機(jī)具勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)力老齡化及短缺的情況，同時(shí)避免管護(hù)機(jī)具尾氣排放對茶葉的影響，設(shè)計(jì)了一種山地茶園多功能電動(dòng)動(dòng)力底盤，整機(jī)的寬度為69 cm，設(shè)計(jì)配套動(dòng)力輸出電機(jī)為2.2 kW，目前可以實(shí)現(xiàn)開溝、除草、旋耕作業(yè)模塊快速更換，初步實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的目的。使用SolidWorks Simulation對機(jī)具的傳動(dòng)齒輪進(jìn)行受力仿真分析，仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求。遙控控制作業(yè)大幅減輕勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，新能源動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了尾氣零排放，對提升茶葉品質(zhì)具有重要意義。該裝置市場前景廣闊，具備良好的應(yīng)用推廣基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)底盤；茶園機(jī)械化；丘陵山地；多功能底盤

0 引言

中國是茶葉的發(fā)源地，也是全球主要產(chǎn)茶區(qū)。自 1990—2020年間，中國茶葉收獲面積一直位居世界第一，產(chǎn)量從2005—2020年也是位居世界第一［1］。中國茶葉單產(chǎn)較世界平均水平而言要低［2］，主要是國外在茶園管護(hù)機(jī)械化、采摘和加工技術(shù)方面進(jìn)行了規(guī)范管理，為茶葉的發(fā)展提供了更優(yōu)越的平臺(tái)［3］。中國茶園多建在丘陵山區(qū)，受地形地貌、種植模式以及采茶和飲茶習(xí)慣等因素影響，茶園管護(hù)的機(jī)械化和現(xiàn)代化水平難以大幅度提升［4-6］。宋志禹等［7-10］針對丘陵山區(qū)茶園，在管護(hù)機(jī)械輕簡化和智能化方面做了重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)，讓茶園管理從“無機(jī)可用”向“有機(jī)可用”的方式轉(zhuǎn)變，但是茶園管護(hù)的機(jī)械化率依舊不足30%。綜合現(xiàn)有茶園管護(hù)機(jī)具，從作業(yè)的方式來分：一種是單行行走管護(hù)機(jī)具，有手扶式、自走式和遙控式等，如四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院研制的一種手扶式茶園除草機(jī)［11］，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的KM3CG-30型小型茶園耕作機(jī)［12］，福建農(nóng)林大學(xué)設(shè)計(jì)的丘陵山區(qū)茶園作業(yè)的開溝施肥覆土一體機(jī)［13］，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的小型自走式茶園除草機(jī)等［14］；另一種是跨行行走的管護(hù)機(jī)具，多用于修剪、采茶等作業(yè)，如農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的高地隙自走式多功能茶園管理機(jī)［15］，浙江工業(yè)大學(xué)研制的乘用式智能采茶機(jī)［16］，西南大學(xué)研制設(shè)計(jì)的丘陵山區(qū)茶園管理機(jī)移動(dòng)平臺(tái)等［17］。高地隙自走式管護(hù)機(jī)械，在國外應(yīng)用較多，適用于平坡茶園，而在國內(nèi)以丘陵山地為主的茶園，適應(yīng)性較差。

貴州省種植茶葉歷史悠久，目前發(fā)現(xiàn)最早的茶籽化石就在貴州省晴隆縣。通過10多年的大力發(fā)展，貴州省茶園常年采收面積在466 669 hm2以上，面積居全國第一，但全省只有不到5%的茶園是在6°以下的耕地種植，機(jī)械化管護(hù)和采收面臨很大的問題，造成夏秋茶下樹率低、茶葉資源浪費(fèi)等問題［18］。目前，貴州茶園管護(hù)機(jī)具以手扶式、小型化為主，跨行乘坐式難以應(yīng)用；同時(shí)，油動(dòng)管護(hù)機(jī)具的尾氣對茶葉品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，如鄭茂鐘等［19］通過試驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)茶園無行道樹和有行道樹的2個(gè)區(qū)域茶葉中重金屬含量區(qū)別明顯，吳永剛等［20］研究表明國道旁汽車尾氣排放的鉛，對茶樹污染影響范圍可達(dá)60 m左右。

針對當(dāng)前手扶式油動(dòng)管護(hù)機(jī)具勞動(dòng)強(qiáng)度大，且勞動(dòng)力老齡化及短缺的現(xiàn)實(shí)，同時(shí)避免油動(dòng)管護(hù)機(jī)具尾氣排放對茶葉的影響，設(shè)計(jì)了一種山地茶園多功能電動(dòng)動(dòng)力底盤，通過動(dòng)力底盤掛接不同的作業(yè)機(jī)具，構(gòu)建“電動(dòng)動(dòng)力底盤+作業(yè)模塊”的作業(yè)模式。

1 結(jié)構(gòu)方案與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

山地茶園多功能電動(dòng)動(dòng)力底盤主要由保護(hù)殼、控制面板、防護(hù)擋板、行走履帶及作業(yè)部件等部件組成，如圖1所示。

行走履帶由4個(gè)小型三角履帶構(gòu)成，增加機(jī)具的行走穩(wěn)定性、爬坡性能和復(fù)雜地形的通過性。除此之外，機(jī)具內(nèi)部還有控制器、信號接收器、電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力電池等零部件。機(jī)具可以通過手持遙控器來操縱，手持遙控器與機(jī)具內(nèi)部的信號接收器負(fù)責(zé)下達(dá)與上傳信號，通過控制器發(fā)出相應(yīng)的作業(yè)指令，對應(yīng)的作業(yè)部件完成相應(yīng)的指令，達(dá)到遙控器控制整個(gè)動(dòng)力底盤的功能。作業(yè)部件可以是開溝、旋耕、除草等部件，作業(yè)時(shí)只需要更換相應(yīng)的作業(yè)部件，即可完成相關(guān)作業(yè)功能要求，在后續(xù)的開發(fā)過程中，還可以增加植保、修剪、施肥等作業(yè)模塊。真正達(dá)到“一機(jī)多用，遙控控制，綠色環(huán)保”的要求，既能節(jié)省勞動(dòng)力，又可以防止尾氣對茶葉的污染。

1.2 工作原理

山地茶園多功能電動(dòng)動(dòng)力底盤為純電動(dòng)設(shè)計(jì)，同側(cè)的2個(gè)三角履帶通過鏈傳動(dòng)連接，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)或后退時(shí)，兩側(cè)履帶同步運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向時(shí)單側(cè)履帶運(yùn)動(dòng)完成轉(zhuǎn)向。工作時(shí)，后側(cè)電液缸控制作業(yè)模塊升降，動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)作業(yè)模塊運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

行走傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。由圖2可知，機(jī)具行走由2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)經(jīng)過變速箱減速后傳動(dòng)動(dòng)力至前方履帶，同時(shí)通過鏈傳動(dòng)同步驅(qū)動(dòng)后方履帶。行進(jìn)間轉(zhuǎn)向時(shí)單側(cè)履帶運(yùn)動(dòng)，原地掉頭時(shí)兩側(cè)履帶反向運(yùn)動(dòng)。

作業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。

由圖3可知，動(dòng)力輸出電機(jī)經(jīng)錐齒輪變速箱后將動(dòng)力通過兩側(cè)鏈傳動(dòng)傳遞至動(dòng)力輸出接口，動(dòng)力輸出接口與作業(yè)模塊進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)“1個(gè)動(dòng)力平臺(tái)+N個(gè)作業(yè)模塊”的“1+N”模式。

2.2 輸出功率的計(jì)算

按照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》［21］旋耕機(jī)的功率估算公式為

N=0.1Kλ×d×vm×B（1）

Kλ為修正系數(shù)，查詢手冊取值為9.98 N/cm2；d為旋耕機(jī)耕作深度，設(shè)計(jì)翻耕深度為12 cm；vm為作業(yè)機(jī)具前進(jìn)速度，設(shè)計(jì)機(jī)具作業(yè)速度為0.15 m/s；B為旋耕機(jī)翻耕寬度，設(shè)計(jì)工作寬度為0.65 m。可計(jì)算出旋耕機(jī)功率N=1.17 kW。

依據(jù)圖3作業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，動(dòng)力輸出電機(jī)經(jīng)過一級錐齒輪傳動(dòng)與一級鏈傳動(dòng)，電機(jī)功率計(jì)算方式為

P=Nη齒η鏈（2）

η齒為錐齒輪傳動(dòng)效率，取0.93；η鏈為鏈傳動(dòng)效率，取0.95；則計(jì)算電機(jī)功率P=1.32 kW，考慮沖擊載荷等情況，選取電機(jī)功率為2.2 kW。

2.3 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)與校核

扭矩計(jì)算公式為

T=9 550P/n（3）

P為動(dòng)力輸出電機(jī)功率，2.2 kW；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，為600 r/min；則計(jì)算傳動(dòng)扭矩T=35 N·m。

設(shè)計(jì)旋耕機(jī)轉(zhuǎn)速為260 r/min左右，因?yàn)橐箦F齒輪的傳動(dòng)比i＞2，所以選取傳動(dòng)比為i=2.3，則可估取齒輪模數(shù)m=3。

計(jì)算得出：Z1=20，Z2=46，齒寬b=30 mm，由于齒輪在工作時(shí)是逐齒進(jìn)行嚙合，在強(qiáng)度校核時(shí)只需要對單齒的強(qiáng)度進(jìn)行校核［22］，齒輪材料選取40Cr，齒輪加工進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，最大許用強(qiáng)度為σHlim=785 MPa。使用SolidWorks Simulation進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，小齒輪的最大應(yīng)力為σ小=227 MPa，大齒輪的最大應(yīng)力為σ大=518 MPa，所以齒輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足載荷要求。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)總體方案

山地茶園多功能電動(dòng)動(dòng)力底盤采用無線遙控的方式進(jìn)行控制，其系統(tǒng)主要包括主控模塊、收/發(fā)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（直流行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)、三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)）。主控電路采用MSP430單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理量更加穩(wěn)定。而遙控電路的數(shù)據(jù)處理量相對較小，信號控制采用STC12單片機(jī)。作業(yè)模塊包括行走電機(jī)和PTO輸出電機(jī)，其中，PTO輸出電機(jī)功率大，需采用三相異步電機(jī)，因此，PTO輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要配合SPWM逆變電路實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)履帶式茶園多功能管理機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括：主控模塊、無線收/發(fā)模塊、工作電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（三相異步電機(jī)）、行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊四部分核心模塊，其中，行走電機(jī)采用AQMD3620NS-A2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，對無線收/發(fā)模塊、工作電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)分析如下。

設(shè)計(jì)無線收發(fā)控制主要是控制作業(yè)過程中狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)控制，PT2262 發(fā)出的編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272 接收到信號后，其地址碼經(jīng)過2次比較核對后，VT 腳輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直發(fā)送，編碼芯片也會(huì)連續(xù)發(fā)射。當(dāng)發(fā)射機(jī)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，PT2262 不接通電源，其17 腳為低電平，所以315 MHz 的高頻發(fā)射電路不工作，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，PT2262 得電工作，其第17 腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號，當(dāng)17 腳為高電平期間315 MHz 的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號，當(dāng)17腳為低平期間315 MHz 的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全受控于PT2262的17腳輸出的數(shù)字。選擇成品遙控器及接收端進(jìn)行控制。

工作輸出電機(jī)的驅(qū)動(dòng)為三相異步電機(jī)，而整機(jī)采用直流供電，所以本課題需要采用三相逆變電路，如圖6所示。其工作原理：全橋的6個(gè)橋臂Q1、Q2為一組，Q3、Q4為一組，Q5、Q6為一組，分別對象U、V、W三相段子，相位相差60°的3路SPWM波分別加載到3組橋臂上。輸出采用LC電源濾波，將一系列的脈沖轉(zhuǎn)換成三相交流電壓。然后通過變壓器，實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆變。本文為了簡化設(shè)計(jì)，采用HT3117逆變控制芯片為電路控制核心，橋臂采用IRFP2907場效應(yīng)管，驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2110S。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(fā)射控制程序、接收處理程序等組成。控制流程如圖7所示，工作時(shí)，搖桿電位器具有8個(gè)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(jìn)行比較，確定輸出控制方向，與接收端通信，實(shí)現(xiàn)控制。

4 應(yīng)用前景

茶產(chǎn)業(yè)是貴州省十二大農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)之一，以466 669 hm2面積計(jì)算，超過440 002 hm2茶園種植在緩坡和陡坡丘陵地帶，茶園管護(hù)機(jī)械化水平還有很大的提升空間。按照當(dāng)前全國茶園管護(hù)平均機(jī)械化率不足30%計(jì)算，貴州省有333 335 hm2左右茶園還需要解決機(jī)械化管護(hù)問題。

以山地茶園多功能電動(dòng)動(dòng)力底盤為基礎(chǔ)，配套相應(yīng)的作業(yè)模塊，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，節(jié)約機(jī)具采購成本。遙控控制作業(yè)大幅減輕勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，新能源動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了尾氣零排放，對減少茶葉中有害物質(zhì)殘留，提升茶葉品質(zhì)具有重要意義，可以極大地促進(jìn)貴州“干凈茶”產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市場前景廣闊，具備良好的應(yīng)用推廣基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

山地茶園多功能電動(dòng)動(dòng)力底盤具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊的特點(diǎn)，是適宜丘陵山地作業(yè)的履帶式行走機(jī)構(gòu)。純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)能夠減少油動(dòng)尾氣對茶園的污染，多種作業(yè)部件模塊化設(shè)計(jì)，方便快捷更換，具備一機(jī)多用的功能，減少使用者在機(jī)具方面的投入，電動(dòng)遙控式設(shè)計(jì)能減小人工操作機(jī)具的勞動(dòng)強(qiáng)度。該機(jī)具目前能夠?qū)崿F(xiàn)旋耕、除草和開溝模塊的快速更換，在后續(xù)開發(fā)過程中，將繼續(xù)圍繞多功能動(dòng)力底盤，設(shè)計(jì)植保、施肥、修剪等作業(yè)模塊，不斷拓展機(jī)具應(yīng)用場景，提升機(jī)具整體使用價(jià)值，構(gòu)建“電動(dòng)動(dòng)力底盤+作業(yè)模塊”的作業(yè)模式，解決當(dāng)前山地丘陵茶園管護(hù)勞動(dòng)力短缺問題，同時(shí)為貴州打造“干凈茶園”，構(gòu)建“干凈黔茶”體系奠定機(jī)械化基礎(chǔ)。

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