自走式山地電動(dòng)多功能作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)研究

楊銳琴，李昱廷

（太原市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，山西 太原 030000）

山西省共有115個(gè)農(nóng)業(yè)縣（市、區(qū)），其中丘陵山區(qū)縣（市、區(qū)）有71 個(gè)。2016 年底，全省丘陵山區(qū)農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化水平為56.8%，而全省主要農(nóng)作物綜合機(jī)械化水平為66.6%，全省丘陵山區(qū)機(jī)械化水平還較低。主要原因是丘陵山區(qū)耕地之間分割嚴(yán)重，巴掌田、雞窩田、窄條地塊等小山坡梯田多，大型農(nóng)機(jī)具難以作業(yè)。因此，設(shè)計(jì)一種自走式山地多功能作業(yè)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)輕便緊湊、操作簡(jiǎn)便、無(wú)尾氣噪音污染和維護(hù)成本低等特點(diǎn)，可解決丘陵山區(qū)勞動(dòng)力短缺和機(jī)械化水平低的問(wèn)題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自走式山地電動(dòng)多功能作業(yè)機(jī)由動(dòng)力主體部分及輔助作業(yè)部件兩大部分組成，其中主體部分為動(dòng)力部件，包含有通用機(jī)架、電池組、電機(jī)、變速箱、驅(qū)動(dòng)輪、操作裝置、電控裝置等（圖1），傳動(dòng)部分全部為齒輪傳動(dòng)，而且為全封閉形式，傳動(dòng)平穩(wěn)、可靠，噪音小，故障率低，而且在塵土較多的專業(yè)環(huán)境中可以可靠工作，使用壽命長(zhǎng)。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of the complete machine

工作中，操作者跟隨機(jī)具行走，手扶機(jī)具并操控進(jìn)退、停止、方向和速度等功能，整機(jī)在電力作用下，電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞動(dòng)力至驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)與接觸地面產(chǎn)生摩擦力而向前行駛，牽引輔助作業(yè)機(jī)具完成農(nóng)田工作。如果在田間行走，則尾輪與通用機(jī)架連接，與前面的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪呈三角形布置，支撐整個(gè)機(jī)具質(zhì)量，與連接座鉸接的輔助作業(yè)部件則為提升狀態(tài)，有一定離地間隙，在操作者的操作下可在路面行駛；如果在田間作業(yè)，則尾輪與通用機(jī)架分離，與連接座鉸接的輔助作業(yè)部件呈作業(yè)狀態(tài)，在操作者的操作下可進(jìn)行田間作業(yè)，整機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要參數(shù)Tab.1 Main parameter

2 關(guān)鍵技術(shù)及部件研究

2.1 配套功率的確定及電機(jī)選型

工作中，除需要克服自身的行走阻力外，還需要克服耕作阻力。本研究機(jī)具的耕作阻力主要用于播種作業(yè)的耕作阻力，計(jì)算引用犁耕阻力計(jì)算公式，則耕作阻力為：

式中：Z——開(kāi)溝器個(gè)數(shù)；b——單個(gè)開(kāi)溝器寬度，cm；h——播種深度，cm；k——土壤耕作比阻，kgf/cm2。

本研究中配套播種機(jī)的開(kāi)溝器數(shù)量為2 個(gè)，開(kāi)溝器寬度為6 cm，播種深度為3～8 cm（計(jì)算時(shí)以最大播種深度8 cm 計(jì)算），土壤比阻取0.4 kgf/cm2。

將參數(shù)代入上述公式中，計(jì)算得出耕作阻力F阻約384 N。

人的正常行走速度約4～5 km/h，但是在田間行走，由于地表較松軟，而且需要有一定的負(fù)重，田間平均行走速度約2.5～3.5 km/h，本研究機(jī)具在田間工作中需要操作者在后面跟隨，因此作業(yè)速度取值3.5 km/h，約0.97 m/s。

播種機(jī)工作所需功率，應(yīng)由播種機(jī)的工作阻力和行走速度來(lái)求定，即播種機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率可由公式（2）給出：

式中：F——耕作阻力，384 N；v——作業(yè)速度，0.97 m/s。

將數(shù)值帶入上述公式，計(jì)算得到牽引功率為372.5 W。

為保持機(jī)具在較高牽引效率范圍內(nèi)使用，延長(zhǎng)行走機(jī)構(gòu)及其他部件壽命，防止工作中地表狀況較差，秸稈量大、雜草多或者遇到石塊等狀況，此外在山區(qū)道路行駛，有的地塊坡度較大，土壤中行駛，滾動(dòng)阻力也較大，通常需要保留一定的功率儲(chǔ)備，本研究取30%，則電機(jī)的功率為：

式中：N0——電機(jī)功率，W；η——牽引效率，本研究取80%；P——牽引功率，W。

將數(shù)值代入上式得N0=532.1 W

目前電動(dòng)車電機(jī)主要有有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)兩種類型，有刷電機(jī)技術(shù)成熟，配件易購(gòu)，配套的有刷速度控制器便宜，但是電刷嚴(yán)重磨損后，需要打開(kāi)電機(jī)蓋更換。無(wú)刷電機(jī)沒(méi)有開(kāi)蓋更換電刷的問(wèn)題，比有刷電機(jī)省電，有力，壽命長(zhǎng)，而且隨著近幾年關(guān)于無(wú)刷電機(jī)技術(shù)研究的深入，無(wú)刷控制器的價(jià)格大幅度下降，質(zhì)量提高，因此，無(wú)刷電機(jī)逐步取代有刷電機(jī)主導(dǎo)地位。經(jīng)綜合考慮，本研究機(jī)具根據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)有電機(jī)參數(shù)選用了性價(jià)比較高的無(wú)刷直流中置電機(jī)，電機(jī)功率為650 W，使用60 V 的電壓，電路中電流較小，無(wú)需配置大電流專用電線，降低了電路成本。

2.2 機(jī)架設(shè)計(jì)

本研究要求機(jī)架可以滿足連接這些不同作業(yè)部件的通用接口，此外還需考慮到預(yù)留一些連接孔，方便后續(xù)工作需求。為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，機(jī)架主體結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，并輔助板材、型材等其他零部件，最后經(jīng)焊接形成一體結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度，保證后期使用的可靠性、安全性。

機(jī)架整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。機(jī)架縱梁與機(jī)架橫梁構(gòu)成矩形框架結(jié)構(gòu)，機(jī)架縱梁外側(cè)與套管固定連接，機(jī)架縱梁下側(cè)與變速箱連接板固定連接，機(jī)架橫梁后側(cè)與立柱固定連接，固定軸穿過(guò)角度調(diào)節(jié)座與立柱上端固定連接，通用連接座與立柱后下方固定連接。為了減輕整機(jī)質(zhì)量，滿足整機(jī)性能的情況下，機(jī)架縱梁、立柱、機(jī)架橫梁均采用40mm規(guī)格的方管。

圖2 機(jī)架結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Frame structure drawing

2.3 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)部分采用車輛上面使用較多的整體式丁字型結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)橋，見(jiàn)圖3，齒輪傳動(dòng)，且傳動(dòng)部件均在密閉空間內(nèi)，齒輪接觸面有潤(rùn)滑油或者潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，噪音低，傳動(dòng)平穩(wěn)且在粉塵較多的環(huán)境中也可以可靠作業(yè)。主要由電機(jī)、主減速器、差速器、半軸及連接座等部分組成，低速電機(jī)+高低檔驅(qū)動(dòng)橋組裝成整套驅(qū)動(dòng)橋，速度慢扭力大，適合載重大的場(chǎng)合使用。主減速器采用單級(jí)減速器，主減速器齒輪采用斜齒輪，差速器采用普通圓錐行星齒輪差速器，設(shè)置有半軸，橋殼采用鋁合金整體式橋殼。電機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋直連，不用鏈傳動(dòng)，直接通過(guò)齒輪傳動(dòng)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)傳到驅(qū)動(dòng)輪上，減少了功率在傳動(dòng)過(guò)程中的能量損失，簡(jiǎn)化了工藝流程和加工難度。整個(gè)驅(qū)動(dòng)部分具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)能力強(qiáng)、傳動(dòng)效率高、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。使用后，可以使整機(jī)質(zhì)量減輕，方便布置其他部件、車輛控制操作簡(jiǎn)單、成本大幅下除，它與機(jī)架之間的連接僅用U型卡就可以快速連接，降低了制造的成本。

圖3 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Drive structure diagram

2.4 輪胎選型及輪距確定

考慮到機(jī)具適用范圍，本研究選用了2 種不同類型的輪胎，一是500-10 人字花紋輪胎，輪輻直徑480 mm，輪輻寬度110 mm，最大負(fù)荷258 kg，層級(jí)6P，此輪胎胎面較寬，不易粘土，輪徑較小，行駛穩(wěn)定性較好，適合田間行駛及播種等作業(yè)場(chǎng)合使用；另一種為鴨掌式實(shí)心窄邊輪胎，直徑650 mm，寬85 mm，花紋深40 mm，附著能力強(qiáng)，此輪胎輪徑較大，機(jī)具離地高度較高，可用于中耕噴藥等場(chǎng)合使用。

機(jī)具主要用于山區(qū)及大棚，轉(zhuǎn)彎半徑宜小，如果作物后期植株生長(zhǎng)較高，機(jī)具無(wú)法橫跨作物外行走，只能將輪距縮小，適應(yīng)在如玉米等作物行間行走，進(jìn)行除草等作業(yè)，避免損傷作物。根據(jù)作物種植農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)，在不影響整機(jī)穩(wěn)定性的前提及綜合考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)，并保證作業(yè)安全，最確定輪胎內(nèi)側(cè)最窄可調(diào)節(jié)至40 cm，可適應(yīng)種植面積較多的玉米、馬鈴薯等作物行間中耕除草作業(yè)；最寬輪胎內(nèi)側(cè)可調(diào)至120 cm，以玉米常見(jiàn)種植行距60 cm為例，在噴藥時(shí)，為了使噴頭噴灑面積大，則離地高度需要高，考慮到整機(jī)穩(wěn)定性問(wèn)題，將輪胎橫跨兩行玉米外進(jìn)行行駛作業(yè)，這樣就達(dá)到了較好的穩(wěn)定性。

2.5 提升裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)作業(yè)需求會(huì)配置不同類型的作業(yè)部件，后置機(jī)具在作業(yè)過(guò)程中或者道路行駛過(guò)程中需要升降，離開(kāi)地面，否則影響機(jī)具行駛，因此設(shè)計(jì)了一種手動(dòng)提升裝置，可有效降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，只需一個(gè)操作手柄，可快速控制后置機(jī)具升降。提升裝置主要由缺口板、止動(dòng)銷、復(fù)位彈簧、拉線固定板、通用連接架及鋼絲拉線等部件組成，見(jiàn)圖4。

圖4 提升結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of lifting structure

缺口板上面以一定間隔角度均勻設(shè)置有若干個(gè)缺口，可使得后置農(nóng)機(jī)具位于一定角度范圍內(nèi)的某一位置。如需調(diào)整后置農(nóng)機(jī)具與地面的夾角位置，則通過(guò)操作手柄控制拉線，通過(guò)拉線將止動(dòng)銷從缺口板上設(shè)置的缺口中向后拉出，此時(shí)調(diào)整通用連接架的位置，當(dāng)調(diào)整到合適位置后，將止動(dòng)板設(shè)置的缺口與止動(dòng)銷對(duì)齊，松開(kāi)拉線操作手柄，在復(fù)位彈簧作用下，止動(dòng)銷進(jìn)入所對(duì)準(zhǔn)的缺口，完成鎖定。經(jīng)綜合考慮，確定提升的角度范圍為60°，止動(dòng)銷直徑規(guī)格為Φ12 mm。

2.6 輔助尾輪及可調(diào)扶手設(shè)計(jì)

機(jī)具根據(jù)不同作業(yè)需求，后面需要配置不同質(zhì)量的作業(yè)機(jī)具，在田間道路運(yùn)輸過(guò)程中由于運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，如果只靠2個(gè)行走輪支撐，通過(guò)操作者扶持扶手將后置機(jī)具以支撐輪為支點(diǎn)抬離地面，由于后置機(jī)具質(zhì)量不同，整個(gè)機(jī)具重心無(wú)法集中至支撐輪支點(diǎn)鉛垂線附近，在崎嶇不平的田間道路行走，操作者難以保持平衡，操作者會(huì)感覺(jué)疲勞，行走速度受影響，嚴(yán)重影響使用。本研究設(shè)計(jì)了一種快速拆裝的尾輪機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖5。由尾輪架、座椅、尾輪、腳蹬等部件組成，尾輪架端部設(shè)置有U 型連接座，通過(guò)一根連接銷即可將整個(gè)尾輪機(jī)構(gòu)與主體機(jī)具連接，尾輪架后端設(shè)置有可前后調(diào)整位置的座椅，方便操作者乘坐駕駛行走，尾輪叉架兩側(cè)設(shè)置有可折疊腳蹬，方便操作者擱置雙腳，尾輪為萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)的增置，極大地改善了機(jī)具的舒適性、適用性。

圖5 尾輪結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Diagram of tail wheel

為了適應(yīng)不同身高的操作者操作，設(shè)計(jì)了可調(diào)整扶手，見(jiàn)圖6。扶手由扶手水平角度調(diào)整座、鎖定銷、一級(jí)扶手架、扶手豎直角度調(diào)整座、二級(jí)扶手架及立柱等部件構(gòu)成。二級(jí)扶手架與扶手豎直角度調(diào)整座剛性連接，扶手豎直角度調(diào)整座上面設(shè)置有若干個(gè)銷孔，根據(jù)需求，扶手豎直角度調(diào)整座上面的不同銷孔與一級(jí)扶手架上面設(shè)置的銷孔相對(duì)應(yīng)可組合成不同的高度的扶手位置，可在25 cm 范圍內(nèi)調(diào)整；同理，在立柱上面也設(shè)置了一個(gè)360°范圍內(nèi)均勻布置的若干個(gè)銷孔，可與水平角度調(diào)整座上面的銷孔相對(duì)應(yīng)組合成不同水平轉(zhuǎn)角位置的扶手位置，在360°范圍內(nèi)調(diào)整，方便操作者使用。

圖6 扶手結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Diagram of handrail

3 結(jié)論

本文研制了一種在大棚和溝梁山坡等地方兼用的自走式山地電動(dòng)多功能作業(yè)機(jī)，可分別進(jìn)行播種、噴藥、除草等多種作業(yè)。整機(jī)實(shí)現(xiàn)了小型電動(dòng)力機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的牲畜耕牛耕或燃油機(jī)在山坡洼地、菜園子及大棚等地塊作業(yè)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于推廣應(yīng)用，而且無(wú)廢氣排放，利用家用照明電路即可充電，省時(shí)、省力、省錢，樣機(jī)經(jīng)多次試驗(yàn)改進(jìn)后，各方面性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。