一種電動履帶耕整機的研制及試驗

周春健，俞志軒，唐寧靜，李一昕

（上海市農業機械研究所，上海市 201106）

0 引言

耕整作業是農業生產中重要的環節。目前的耕整作業主要以有人駕駛的耕整機作業為主，作業時駕駛人員需集中精力控制機具作業方向及時調整作業路徑，作業環境較惡劣，勞動強度較大。同時采用內燃機動力的耕整機在設施內作業時排放污染物較多，容易造成環境污染，影響駕駛人員健康及農產品質量。國內高校對于電動旋耕機的研究以理論為主，田碩對新型整體式電動旋耕機結構設計及輕量化進行了研究[1]；柴媛欣對電動微耕機動力系統的匹配進行了研究[2]；李亮等設計了一種新型環保電動微型旋耕機[3]。目前，以電動微耕機為代表的新能源機具在農業機械領域得到持續關注與研究，本文根據設施內旋耕作業需求，設計一種電動履帶耕整機以減少勞動作業強度，減少碳排放，提高設施內耕整作業質量，對于早日實現碳中和目標具有積極意義。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

電動履帶耕整機如圖1所示，主要有罩殼、履帶底盤、控制箱、動力電池、電動液壓推桿、旋耕部件組成。控制箱安裝于履帶底盤的前端，動力電池安裝于履帶底盤的中間位置，旋耕部件通過三點懸掛與履帶底盤相連接，旋耕部件的升降通過電動液壓推桿完成。

圖1 電動履帶耕整機結構簡圖

1.2 工作原理

電動履帶耕整機由電池提供底盤行走以及旋耕動力，通過遠程計算機下達作業指令使耕整機自動尋找工作點位按照預先規劃好的軌跡進行耕整作業或者采用手機遙控的方式控制耕整機進行自動耕整作業。耕整機作業時，根據不同作業要求，由電動液壓推桿自動控制旋耕深度，旋耕電機控制旋耕速度，以滿足不同作業需求。

電動履帶耕整機主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

2 關鍵部件設計

2.1 行走底盤設計

行走底盤是耕整機行走的關鍵部件，選用履帶底盤可以增大與土壤的接觸面積減少對土壤的鎮壓，保證土壤的疏松性。行走底盤的結構如圖2所示，主要有底盤車架、主動輪、驅動半橋、換向齒箱、聯軸器、減速器、行走電機、行走電池組成。

圖2 行走底盤部件

行走底盤由行走電池提供動力，由行走電機將動力傳遞至減速器，減速器通過聯軸器將動力傳遞至換向齒箱，換向齒箱通過半橋驅動主動輪作業，左右電機分別控制左右主動輪。預估整機質量1000kg，行走電機的選型參數計算如下：

式中，μ為摩擦系數，取0.5；

m為整機質量，取1 000 kg；

g為重力加速度，取 9.8 m/s2；

2010年平安夜，對于江帆來說卻是個不安的夜晚。那天，江帆回到家中，偌大的房子里空無一人，妻子的手機也處于關機狀態。平時，妻子總是準備好香噴噴的飯菜等著他。妻子究竟去哪里了呢？他心急如焚。終于，在臥室的床頭柜上，他發現了妻子吳霞的字條：“江帆：我愛上別人了。很抱歉！你別找我，忘了我吧！”江帆五雷轟頂，優秀如他，竟會遇上這等荒唐事？

η為電機效率，此處取0.8；

V為耕整機工作速度（km/h），取1.8。

經計算驅動電機為3.1 kW，由于田間情況較復雜，為保證耕整機作業性能，因此左右驅動電機選擇額度功率為3 kW的無刷直流電機，電機額定電壓48 V。為滿足作業時間要求，行走電池選型贛鋒鋰電GFLF-51.2V-206Ah型磷酸鐵鋰電池。

2.2 旋耕部件設計

旋耕部件是耕整機作業的關鍵部件，設施內作業空間小，邊角地多，以防出現漏耕，要求設計的旋耕機結構要緊湊；溫室內的土壤水分含量高，旋耕困難，要求旋耕機的動力要穩定有力，旋耕作業效果良好。旋耕部件如圖3所示，主要由旋耕部件機架、旋耕刀軸、側邊鏈箱、傳動軸、旋耕聯軸器、旋耕電機固定板、旋耕電機減速器、旋耕電機組成。

圖3 旋耕部件

旋耕部件由動力電池提供電源，旋耕電機通過電機減速器、旋耕聯軸器、傳動軸將動力輸送到側邊鏈箱，驅動旋耕刀軸轉動，完成旋耕作業。

由《農業機械設計手冊》可知，影響旋耕機功率的因素有很多，根據如下的經驗公式：

式中，Kλ為旋耕比組（N/cm2），取5.58；

Vm為機組前進速度（m/s），取1；

B為耕幅（m），取1.2。

計算得，N=0.1×5.58×15×1×1.2≈10（kW）。

選用德瑪克型號為DH180BLD15KW-96A-30S電機，功率為15.7 kW，額定電壓96 V，額定轉速3 000 rpm，實際使用效率為65%，作為旋耕電機滿足旋耕工作需求。旋耕電機由動力電池供電，為滿足耕整機連續作業時間，選擇贛鋒鋰電96V-400Ah型磷酸鐵鋰電池。

3 控制系統設計

電動履帶耕整機控制系統主要由路由器、控制器、左電機驅動器、右電機驅動器、單片機、繼電器組、驅動器組成。耕整機行走部分接線如圖4所示，旋耕部分接線圖如圖5所示。

圖4 行走部分接線圖

圖5 旋耕部分接線圖

電動履帶耕整機自動作業時，由計算機或者手機將控制信號發至路由器，再由路由器將信號傳遞至控制器，啟動旋耕電機；旋耕電機啟動后，電動液壓推桿伸長將旋耕部件下降至旋耕位置，旋耕部件到位后電液壓桿停止伸長并保持位置；耕整機前進進行旋耕作業。耕整機右轉彎時，控制器控制左行走電機轉速較快，右行走電機轉速較慢，進行右轉，耕整機左轉彎時則相反。田塊耕完后，旋耕電機自動停止轉動，而后電動液壓推桿回縮至運輸位置，然后進行轉場，無人駕駛作業原理如圖6所示。

圖6 無人駕駛作業原理

4 耕整機田間試驗

4.1 旋耕功率消耗測定

課題組選取百蒂凱蔬果種植專業合作社作為試驗基地，2021年1月份進行了耕整機旋耕功率消耗試驗，試驗田塊為青菜收割后的8 m單棚。由于旋耕機工作時動力電池只給旋耕電機供電，動力電池顯示器顯示的輸出電流即為旋耕電機消耗電流，實時記錄并計算旋耕消耗功率。田間試驗如圖7所示。

圖7 旋耕功率消耗試驗

試驗結果如表2所示。旋耕電機消耗功率與耕整機前進速度和旋耕深度正相關，前進速度越快旋耕功率消耗越大，旋耕深度越深旋耕功率消耗越大，同時，試驗驗證了耕整機所選旋耕電機、動力電池符合設計要求。

表2 旋耕功率消耗

4.2 旋耕深度穩定性

根據GB／T 5668-2017旋耕機械的試驗方法，對旋耕深度穩定性及合格率進行測試。設定耕整機前進速度1 m/s，旋耕深度15 cm，旋耕完成后，隨機選取3個行程，用鐵皮尺測定旋耕深度。測定時，沿機組前進方向每隔2 m測定一點，每個行程各測定5點，記錄數據，計算平均值、穩定性系數。無人駕駛旋耕深度試驗如圖8所示。

圖8 無人駕駛旋耕深度試驗

根據試驗方法將試驗數據記入表3，從表3的數據得出旋耕深度均值15.4 cm，穩定性系數93.5%，符合旋耕作業標準。

表3 旋耕深度

5 結論

根據設施內旋耕作業要求，設計一種電動履帶耕整機。通過左右電機驅動器控制耕整機作業速度，調整電動液壓推桿長度控制旋耕機耕深，采用旋耕電機驅動器控制旋耕電機轉速滿足不同旋耕作業要求。試驗結果表明在耕整機前進速度1 m/s，旋耕電機最大消耗功率11.8 kW，旋耕深度均值15.4 cm，穩定性系數93.5%，部件選型符合設計要求，旋耕作業質量合格。機具作業過程中，未發生土壤擁堵、菜茬纏繞旋耕刀軸現象，機具通過性能良好。