電動驅動農機設備的動力系統優化設計

農業機械化是現代農業發展的重要標志，而環保要求的日益提高促使傳統燃油農機向電動化方向轉型。電動農機設備具有零排放、噪聲低、維護成本低等優勢，但其動力系統的優化設計直接關系到設備的作業效率和經濟性。目前，電動農機動力系統在能量管理、動態響應和可靠性等方面仍存在諸多待解決的問題。因此，系統研究電動農機設備動力系統的優化設計方法，對提升農機裝備技術水平和推動農業可持續發展具有重要意義。

一、農機設備工況特性分析

農機設備工況特性分析是電動驅動農機設備動力系統優化設計的基礎環節。通過對水田耕整、旱地耕作、農作物收獲等典型農業機械作業場景的實地調研，獲取作業過程中的負載變化規律、環境影響因素以及能量消耗特征等關鍵數據。基于調研數據建立農機設備負載特性模型，分析負載轉矩、轉速、功率等參數在不同作業工況下的變化特征與分布規律。針對負載特性曲線，運用頻譜分析方法提取負載波動頻率特征，結合農機設備的機械傳動效率、路面阻力系數等因素，計算動力系統在額定工況和峰值工況下的動力需求。經計算表明，農機設備在旱地耕作工況下的峰值功率需求達到額定功率的1.8倍，而在水田作業工況下，由于土攘黏性增大，瞬時負載波動更為顯著[1]。

二、動力系統優化設計

（一）電機選型與參數優化

電機選型與參數優化是動力系統設計的核心環節，直接決定農機設備的作業性能和能量效率。基于農機作業工況特性分析結果，考慮永磁同步電機、異步電機和開關磁阻電機的性能特點，采用層次分析法對電機類型進行綜合評價。評價結果顯示，永磁同步電機在功率密度、調速范圍和效率等方面具有明顯優勢，更適合農機設備的變負載工況需求。通過建立電機數學模型，結合遺傳算法對電機定子內徑、氣隙長度、永磁體厚度等關鍵結構參數進行優化計算。優化后的電機在額定工況下效率達到94.5% ，峰值轉矩密度提升至 8.2N?m/kg ，滿足農機設備大轉矩啟動和寬調速運行要求[2]。

（二）傳動系統匹配設計

傳動系統匹配設計圍繞電機輸出特性與農機作業工況的精確匹配展開。根據永磁同步電機的轉矩-轉速特性曲線和農機設備負載要求，建立傳動系統動力學模型。通過動態規劃算法對減速器傳動比、齒輪模數、齒數等參數進行優化，實現電機工作點與最高效率區域的高效匹配。采用二級圓柱齒輪減速結構，總傳動比設計為18.5，齒輪模數分別選用 3mm 和 4mm ，傳動效率達到 95% 針對農機設備頻繁啟停工況，設計了具有緩沖功能的柔性傳動機構，有效降低沖擊載荷，延長系統使用壽命。通過多體動力學仿真驗證，優化后的傳動系統在標準作業工況下振動幅值降低 35% ，傳動平穩性顯著提升，為農機設備的高效穩定運行提供保障(圖1)。

圖1電動農機傳動系統結構與特性圖

（三）儲能系統容量優化

儲能系統容量優化基于農機設備工況特性和動力系統能量需求進行系統設計。建立工況能耗數學模型，表達式為：

式中：E(t)為時間t內的總能量消耗；P(t)為瞬時輸出功率；Ploss(t)為系統損耗功率。

通過蒙特卡羅法對各類作業工況下的能量消耗進行概率分析，引入能量波動系數：

Kf=Pmax/Pave

式中：Kf為能量波動系數； Pmax 為峰值功率；Pave為平均功率需求。

建立儲能容量優化目標函數：

8 SOC_min?SOC?SOC_maxV_min?V?V_maxC? E(t)_max/DOD} （204號

計算結果表明，儲能系統額定容量設計為 45kWh 時，在峰值負載工況下電壓波動率控制在 3% 以內，滿足農機設備連續作業要求。該優化方案實現了儲能系統投資成本與使用性能的最優平衡，系統荷電狀態工作區間控制在 20%～90% ，單次充電續航時間達到 4h^[3] 。

三、系統集成與驗證

(一)控制策略設計

控制策略設計從農機設備動力系統的運行特點出發，采用基于電機轉矩直接控制和能量優化管理的分層控制架構。轉矩控制層采用空間矢量脈寬調制技術，通過建立永磁同步電機數學模型和磁鏈觀測器，實現電機轉矩的快速精確控制。針對農機設備負載工況多變的特點，設計模糊自適應控制器，控制規則包含25條模糊推理規則，實現系統參數的在線辨識和控制參數的實時優化。能量管理層基于動態規劃算法，結合農機作業工況的能量需求預測，對電機輸出功率和電池放電功率進行協調控制，使系統始終工作在最優效率區域。經仿真驗證，該控制策略在標準作業工況下的系統響應時間小于 50ms ，超調量控制在 5% 以內，動態性能和穩態精度滿足農機設備作業要求，系統整體運行效率提升12% 。

（二）系統性能測試

系統性能測試通過搭建電動農機設備動力系統試驗平臺，對優化設計方案進行全面評估。試驗平臺包含永磁同步電機測試系統、傳動系統測試裝置和儲能系統性能測試設備，采用高精度傳感器采集轉速、轉矩、電壓、電流等關鍵參數。在標準工況和極限工況下進行測試，實測數據顯示系統啟動轉矩達到額定轉矩的2.5倍，滿足農機設備大轉矩起動要求；電機調速范圍達到1:2000，轉速波動率低于1% ，體現良好的調速性能。負載沖擊試驗結果表明，在 0%～10% 負載階躍工況下，系統動態響應時間為 45ms ，超調量為 4.2% ，驗證了控制策略的優異性能。臺架持續運行試驗數據顯示，系統綜合效率達到 92.3% ，相比優化前提升 11.5% ，證實了優化設計方案的有效性(表1)。

表1電動農機動力系統性能測試結果

(三)可靠性驗證

可靠性驗證圍繞農機設備動力系統的長期運行穩定性和耐久性開展。按照GB/T28997-2012《農業機械可靠性評定方法》進行測試，采用加速壽命試驗方法，在高溫、振動和濕熱等復合應力環境下對動力系統進行150h的耐久性試驗。測試結果表明，電機繞組溫升控制在75K以內，軸承溫度波動范圍為 35^°C～55^°C ，傳動系統齒輪磨損量低于0.2mm ，各關鍵部件均未出現異常。通過威布爾分布模型對系統可靠度進行分析，計算得出動力系統在額定工況下的平均無故障工作時間（MTBF）達到3500h，可靠度曲線符合農機設備使用要求[4]。經過鹽霧試驗和防護等級測試，系統防護等級達到IP65，具備良好的環境適應性。基于可靠性試驗數據建立了預防性維護策略，制定了核心部件的更換周期，為農機設備的長期可靠運行提供保障(表2）。

表2電動農機動力系統可靠性測試關鍵指標

四、結語

通過對電動農機設備動力系統的深人研究和系統優化，成功解決了能耗高、控制精度低等關鍵技術問題。優化設計方案在保證系統性能的同時，實現了成本和效率的最優平衡。研究成果不僅為電動農機設備的工程應用提供了重要參考，也為農業機械電動化發展積累了寶貴經驗。未來研究中，還需要進一步探索新型電機技術、智能控制算法等前沿技術在農機領域的應用，推動農業機械化向更高水平發展。

參考文獻：

[1]劉智博.農業機械故障診斷技術及在設備維護中的應用[J].中國農機裝備，2025（01）：34-37.

[2]焦華.農機工程機械設備管理中存在的問題及應對措施[J].南方農機，2024，55(23)：187-188+192.

[3]產立.綠色農機發展概述及未來趨勢[J].河北農機，2023(15):31-33.

[4]韓德康，孫振昌.基于內燃機熱能動力系統優化分析LJ].內燃機與配件，2021(01)：19-20.

（作者單位：樊江巖姜荻郭鑫承德市農業農村局；郭曉雨承德市農林科學院）