新能源電動耕作機(jī)的設(shè)計研究

宋樹民，湛小梅，崔晉波，佘小明，王圓明

(重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，重慶 401329)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，工業(yè)化城鎮(zhèn)化進(jìn)程和全面建設(shè)小康社會的不斷推進(jìn)，對資源能源的消耗不斷增長，面臨資源能源枯竭、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的雙重困境。傳統(tǒng)燃油型農(nóng)業(yè)機(jī)械，不僅消耗能源資源還排放大量廢氣、制造噪聲，成為環(huán)境污染的重要因素，已引起人們的高度重視，進(jìn)而尋找綠色新能源替代化石燃料，以促進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

電能作為一種常見的綠色能源，在人們的日常生產(chǎn)和生活中作用越來越大，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，新能源電動農(nóng)機(jī)的研發(fā)之風(fēng)又悄然興起。我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的電動化研究相對較少且起步較晚，大多停留在研究階段。在電動拖拉機(jī)研究方面，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等高等院校及研究院所開展了一系列探索，先后研發(fā)出由電網(wǎng)供電交流電機(jī)提供動力的1GD-900型電動旋耕機(jī)、運(yùn)用蓄電池作為動力源驅(qū)動直流電機(jī)為機(jī)組提供動力的電動四輪拖拉機(jī)、采用干電池或蓄電池作為動力源的手持式電動噴霧機(jī)械、由蓄電池提供能源驅(qū)動直流電機(jī)的微型背負(fù)式電動采茶機(jī)、微型電動播種機(jī)、電動水稻插秧機(jī)，以及精密電動播種機(jī)等電動新能源農(nóng)業(yè)裝備。

隨著電機(jī)技術(shù)尤其是低速大扭矩電機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和日趨成熟，電動農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展具備了堅實的基礎(chǔ)條件。本文依托西南丘陵山地目前廣泛使用的微型耕整機(jī)，采用磷酸鐵鋰動力蓄電池和永磁無刷直流電機(jī)高性能動力部件，開展新能源電動技術(shù)集成研究、傳動系統(tǒng)研究設(shè)計與開發(fā)和整機(jī)開發(fā)，并進(jìn)行了試驗驗證。

1 新能源電動耕作機(jī)的構(gòu)想

傳統(tǒng)耕作機(jī)大多采用內(nèi)燃機(jī)(柴油機(jī)或汽油機(jī))作為動力，使用過程中都需要消耗燃料(柴油或汽油)，使用成本較高，并且污染環(huán)境、制造噪聲；操作控制一般采用操作強(qiáng)度較大的機(jī)械式，集成智能化的控制系統(tǒng)較難實現(xiàn)；很多機(jī)型沒有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，增加了操作者的勞動強(qiáng)度。隨著新能源電能的廣泛應(yīng)用和新能源電動汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源電能在耕作機(jī)上的應(yīng)用成為可能。

王合、張金輝、步文峰等人研究設(shè)計了溫室電動翻地、卷簾、播種施肥多用機(jī)，并進(jìn)行了試驗研究[1]。高輝松、朱思洪等人進(jìn)行了溫室大棚用電動微耕機(jī)的研制，并進(jìn)行了試驗研究[2]。上述兩種機(jī)型均采用電纜供應(yīng)交流電，要求使用環(huán)境具有電網(wǎng)供電輔助設(shè)施，使用范圍和適應(yīng)性受到極大限制。朱思洪的研究團(tuán)隊以基于鉛酸電池和串勵直流電機(jī)的電動拖拉機(jī)為設(shè)計實例，對其動力性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了試驗研究[3-5]。楊福增等設(shè)計了溫室遙控電動拖拉機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)試驗和分析研究[6]。這幾種基于鉛酸電池和電機(jī)驅(qū)動機(jī)型較大，動力在中型以上，在丘陵山區(qū)作業(yè)的適應(yīng)性較差；同時，鉛酸電池存在能效低、安全性能差、循環(huán)壽命短、體積大而笨重等缺點，推廣使用受到很大制約。本研究采用磷酸鐵鋰電池和永磁無刷直流電機(jī)作為動力，既不消耗化石燃料，又做到零排放、小噪音、綠色環(huán)保無污染；能夠通過控制電能來控制整機(jī)，使得耕作機(jī)的操作控制更加輕便和智能化，且使用壽命長、成本低，能夠適應(yīng)多種環(huán)境作業(yè)。

2 新能源電動耕作機(jī)的設(shè)計

2.1 動力總成的研究

新能源電動耕作機(jī)的動力總成由電源組件、能源轉(zhuǎn)換部件及能源控制系統(tǒng)3大部件組成，是新能源電動耕作機(jī)的核心部件。根據(jù)耕作機(jī)的使用情況，動力總成應(yīng)具有使用方便、穩(wěn)定可靠、能耗低效率高、使用壽命長及經(jīng)濟(jì)性能好等特點。因此，電源選用磷酸鐵鋰動力蓄電池，能源轉(zhuǎn)換部件選用低功耗高效率永磁無刷直流電機(jī)，并集成智能化電池管理系統(tǒng)，以滿足新能源電動耕作機(jī)對動力的需求。

磷酸鐵鋰動力蓄電池是用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，具有以下特點：一是輸出效率高。標(biāo)準(zhǔn)放電為2～5C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，瞬間脈沖放電(10s)可達(dá)20C。二是高溫安全性能良好。外部溫度65℃時內(nèi)部溫度則高達(dá)95℃，電池放電結(jié)束時溫度可達(dá)160℃，電池的結(jié)構(gòu)完好；即使電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸，安全穩(wěn)定可靠。三是循環(huán)壽命長。長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，而磷酸鐵鋰動力電池的循環(huán)壽命可達(dá)2 000次以上，理論壽命將達(dá)到7～8年；經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%，過放電到0V也無損壞。四是可快速充放電。大電流2C快速充放電，1.5C充電40min內(nèi)即可使電池充滿。五是無記憶效應(yīng)。可隨充隨用，無須先放完再充電。六是體積小、質(zhì)量輕、容量大。同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的1/3，質(zhì)量是鉛酸電池的1/3，單體容量可達(dá)5～1 000Ah。七是綠色環(huán)保無污染。該電池不含任何重金屬與稀有金屬，無毒、無污染[7]。本研究采用電壓48V、容量80Ah的磷酸鐵鋰電池組，如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

永磁無刷直流電機(jī)是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，電機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。電機(jī)驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能：一是接受電機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電機(jī)的啟動、停止和制動；二是接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，改變轉(zhuǎn)向和產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；三是接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速等。其性能與恒定勵磁電流的他勵直流電機(jī)相似，可以由改變電樞電壓來方便調(diào)速；與他勵式直流電機(jī)相比，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用壽命長及噪聲低等優(yōu)點，是小功率直流電機(jī)的主要類型[8]。本研究選用額定電壓48V、額定轉(zhuǎn)速3 000r/min、額定功率2.5kW的永磁無刷直流電機(jī)，如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖1 磷酸鐵鋰動力蓄電池Fig.1 Lithium iron phosphate battery表1 磷酸鐵鋰動力蓄電池組的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main parameters of the Lithium iron phosphate battery

指標(biāo)單位參 數(shù)標(biāo)稱容量Ah80標(biāo)稱電壓V48充電截止總電壓V58.4放點截止總電壓V40標(biāo)準(zhǔn)放電電流A15充電截至電流A2最大脈沖電流A80工作溫度范圍℃-20～50

圖2 永磁無刷直流電機(jī)Fig.2 Permanent magnet brushless DC motor表2 永磁無刷直流電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main parameters of the permanent magnet brushless DC motor

指標(biāo)單位參 數(shù)額定電壓V48額定功率kW2.5最大瞬時功率kW6.3額定扭矩N·m28最大扭矩N·m62額定電流A62額定轉(zhuǎn)速r/min3000最大轉(zhuǎn)速r/min3600

電池管理系統(tǒng)(BMS，Battery Management System)，主要是為了智能化管理及維護(hù)各個電池單元，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。其具有以下功能：一是電池電壓、電流的測量與顯示；二是單體電池間的能量均衡；三是準(zhǔn)確估測動力電池組的荷電狀態(tài)；四是動態(tài)監(jiān)測動力電池組的工作狀態(tài)；五是數(shù)據(jù)記錄及分析[9]。本研究選用的電池管理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 電池管理系統(tǒng)Fig.3 Battery management system(BMS)

2.2 變速傳動部件設(shè)計

新能源電動耕作機(jī)的變速傳動部件簡單來講就是變速箱，同樣由箱體、齒輪、傳動軸、換檔桿等零件組成，但操作控制方式又不同于傳統(tǒng)變速箱。新能源電動耕作機(jī)的變速控制：一是通過變擋桿變換快慢擋來調(diào)節(jié)速度的快慢；二是通過控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制耕作機(jī)的前進(jìn)和后退；三是通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)耕作機(jī)的無極調(diào)速。其操作控制方式與傳統(tǒng)耕作機(jī)相比，更輕便、更省力。

為了滿足田間作業(yè)、轉(zhuǎn)運(yùn)和道路運(yùn)輸?shù)榷喾矫鎸λ俣鹊囊螅履茉措妱痈鳈C(jī)的變速傳動部件與直流電機(jī)直接相連，設(shè)計有快、慢兩擋，左右轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)前進(jìn)、后退。變速傳動部件結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

1.永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸 2.連接配對錐齒輪 3.快擋傳動齒輪 4.慢擋傳動齒輪 5.轉(zhuǎn)向傳動齒輪 6.動力輸出半軸圖4 變速傳動部件簡圖Fig.4 Diagram of transmission components

變速傳動部件的結(jié)構(gòu)采用常用的齒輪傳動結(jié)構(gòu)，近而設(shè)計零部件及整體結(jié)構(gòu)，確定零件及整體參數(shù)[10-11]。根據(jù)永磁無刷直流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速參數(shù)和變速傳動部件中傳動齒輪參數(shù)，可分別計算得出所研究設(shè)計的動力輸出軸的額定轉(zhuǎn)速。

已知，永磁無刷直流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為n0=3 000r/min，變速傳動部件的快速擋的傳動比為i1=21.4，慢速擋的傳動比為i2=39.8，則快速擋額定轉(zhuǎn)速為n1=n0/i1=140.2r/min，慢速擋額定轉(zhuǎn)速為n2=n0/i2=75.4r/min。

由于新能源電動耕作機(jī)的前進(jìn)、后退是通過改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，所以新能源電動耕作機(jī)后退擋與前進(jìn)擋的動力輸出軸轉(zhuǎn)速大小相等，只是方向正好相反。

2.3 輔助零部件設(shè)計

新能源電動耕作機(jī)的輔助零部件主要包括扶手機(jī)架、操作控制手柄及拉線和電子控制系統(tǒng)等。扶手機(jī)架是耕作機(jī)的載體，起到安裝固定、連接各零部件及人機(jī)交互的的作用。操作控制手柄及拉線由換擋桿、工作(行走)離合手柄及拉線及轉(zhuǎn)向離合手柄及拉線等組成，是耕作機(jī)正常安全操作的必備零部件。電子控制系統(tǒng)由正反轉(zhuǎn)控制、無極調(diào)速控制、電壓電量測量與顯示模塊等幾部分組成，是實現(xiàn)耕作機(jī)操作輕便化、智能化的重要手段。正反轉(zhuǎn)控制的實現(xiàn)是采用雙向按鈕改變直流電機(jī)的電流流向從而改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，無極調(diào)速控制則是通過控制電樞電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

2.4 整機(jī)集成開發(fā)

根據(jù)以上研究設(shè)計結(jié)果，集成磷酸鐵鋰動力蓄電池、永磁無刷直流電機(jī)、電池管理系統(tǒng)、變速傳動機(jī)構(gòu)和輔助部件，開發(fā)出新能源電動耕作機(jī)。新能源電動耕作機(jī)如圖5所示，主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖5 新能源電動耕作機(jī)Fig.5 New energy electric tillage machine表3 新能源電動耕作機(jī)的主要設(shè)計參數(shù)Table 3 Main parameters of the new energy electric tillage machine

指標(biāo)單位參數(shù)電池容量Ah80電池電壓V48電機(jī)額定功率kW2.5電機(jī)額定轉(zhuǎn)速r/min3000耕深cm≥10耕寬cm100生產(chǎn)率hm2/h≥0.05半軸額定轉(zhuǎn)速快擋(i1=21.4)慢擋(i2=39.8)r/min0～140.20～75.4

3 實驗測試

3.1 實驗測試環(huán)境

針對新設(shè)計的新能源電動耕作機(jī)，課題組分別進(jìn)行了實驗室臺架實驗測試、旋耕作業(yè)和轉(zhuǎn)運(yùn)實驗測試與驗證[12]。作業(yè)測試如圖6所示。

3.2 實驗測試結(jié)果

實驗測試結(jié)果如表4和表5所示。

圖6 實驗測試Fig.6 Experimental testing表4 實驗室臺架實驗測試結(jié)果Table 4 Results of laboratory bench test

測試指標(biāo)單位測試結(jié)果直流電機(jī)轉(zhuǎn)速r/min0～3600動力輸出軸轉(zhuǎn)速快擋慢擋r/min0～1680～90

動力由磷酸鐵鋰蓄電池提供，電池電壓48V、容量80Ah，充滿電。

表5 田間作業(yè)及轉(zhuǎn)運(yùn)實驗測試結(jié)果

①動力由磷酸鐵鋰蓄電池提供，電池電壓48V、容量80Ah，充滿電；②續(xù)航能力是指從一次充電完成開始，持續(xù)工作到放電80%的時間；③測試結(jié)果系多次測量的平均值；④前進(jìn)速度由道路測量后推算獲得。

從測試結(jié)果可以看出：新能源電動耕作機(jī)田間作業(yè)時，最大耕深穩(wěn)定在11.2cm，大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[12]設(shè)定的最低指標(biāo)10cm耕深；耕深變異系數(shù)17.5%，小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的最大指標(biāo)20%；耕后地表平整度5.5cm，小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的最大指標(biāo)6cm；碎土率58.5%，大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的最低指標(biāo)50%；噪聲低于60dB，遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的最高指標(biāo)93dB。同時，該機(jī)的續(xù)航能力較長，生產(chǎn)效率較高，是微耕機(jī)理想的替代產(chǎn)品。

4 結(jié)論

設(shè)計研究與實驗驗證表明：新能源電動耕作機(jī)設(shè)計合理、速度調(diào)節(jié)范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)，主要技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計預(yù)期及國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；選用磷酸鐵鋰動力電池和永磁無刷直流電機(jī)作為動力，契合新能源、綠色環(huán)保機(jī)械發(fā)展方向，實現(xiàn)節(jié)能降耗和零排放無污染；采用電子控制操作方式吸收了智能化的控制因素，整機(jī)操作更加輕便、控制更加簡便靈活；設(shè)有快慢擋、左右轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，滿足田間作業(yè)與轉(zhuǎn)運(yùn)、道路運(yùn)輸?shù)榷喾N使用條件要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王合,張金輝,步文峰.溫室電動翻地、卷簾、播種施肥多用機(jī)的研究設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2008(7):52-53．

[2] 高輝松,朱思洪,史俊龍,等.溫室大棚用電動微耕機(jī)的研制[J].機(jī)械設(shè)計,2012,29(12):83-86.

[3] 高輝松,朱思洪,呂寶占.電動拖拉機(jī)發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2007,34(6):4-7.

[4] 高輝松.電動拖拉機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)研究[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[5] 高輝松,朱思洪.電動拖拉機(jī)傳動系設(shè)計理論與方法研究[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,32(1):140-145.

[6] 王元杰,劉永成,楊福增,等.溫室微型遙控電動拖拉機(jī)的研制與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(22):23-28.

[7] 李哲.純電動汽車磷酸鐵鋰電池性能研究[D].北京:清華大學(xué),2011.

[8] 譚建成.永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[9] 孫豪賽.純電動汽車電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計[D].天津:天津大學(xué),2015.

[10] 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊(上)[K].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社, 2007.

[11] 程乃士.減速器和變速器設(shè)計與選用手冊[K].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[12] JB/T10266-2013,微型耕耘機(jī)[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.