電動履帶式設(shè)施大棚作業(yè)機(jī)組傳動系統(tǒng)研究

商高高，黃 超

SHANG Gao-gao，HUANG Chao

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 212013)

0 引言

傳統(tǒng)農(nóng)用機(jī)械都是使用柴油和汽油作為動力燃料，因此，尾氣污染是一個不可避免的問題，在空間狹小的溫室蔬菜大棚，尾氣不僅影響人的健康，而且污染農(nóng)作物。同時，輪式機(jī)械在潮濕松軟的土壤上運(yùn)行時容易打滑，影響了牽引性能和駕駛的安全性。而以電動機(jī)作為動力源的履帶式作業(yè)機(jī)組，既能夠?qū)崿F(xiàn)工作過程中的零污染，又由于履帶接地面積大，接地比壓小，跨溝能力強(qiáng)，使履帶式車輛的牽引性能更加優(yōu)越。因此，設(shè)計一種適合設(shè)施大棚的電動履帶式作業(yè)機(jī)組非常有意義。

國內(nèi)外對履帶式車輛和農(nóng)用電動機(jī)械的研究很廣泛，對履帶式車輛轉(zhuǎn)向時的驅(qū)動力和功率進(jìn)行了研究[1～3]，對電動拖拉機(jī)的傳動系提出了一些設(shè)計方法，進(jìn)行了驅(qū)動力與傳動效率試驗[4～7]。但是對于電動履帶式農(nóng)用機(jī)械的研究很少。本文提出了一種電動履帶式設(shè)施大棚作業(yè)機(jī)組傳動系統(tǒng)方案，對傳動系統(tǒng)主要部件進(jìn)行了選型和參數(shù)匹配，通過Cruise進(jìn)行了仿真驗證。

1 傳動系統(tǒng)方案設(shè)計

電動履帶式作業(yè)機(jī)組傳動系統(tǒng)不僅要滿足車輛的行走，而且要能夠提供足夠的功率帶動農(nóng)機(jī)具工作，設(shè)計方案如圖1所示，由電池組、履帶、電機(jī)控制器、驅(qū)動電機(jī)、變速箱、提升電機(jī)、提升裝置等組成。電機(jī)控制器由電池組供電，控制驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。電池組同時給提升電機(jī)供電，控制農(nóng)具的升降。電機(jī)動力一部分通過變速器傳遞到驅(qū)動輪上驅(qū)動履帶運(yùn)行，一部分通過分動器驅(qū)動動力輸出軸，通過調(diào)節(jié)懸掛裝置檔位控制動力輸出軸的轉(zhuǎn)速。

圖1 傳動系統(tǒng)設(shè)計方案

2 不同模式下的行駛阻力計算模型

電動履帶式作業(yè)機(jī)組普遍工作在平坦的農(nóng)田或者蔬菜大棚，行駛速度低（通常小于10km/h），可以忽略加速性能、爬坡性能以及空氣阻力。

2.1 運(yùn)輸工作模式

履帶式車輛的行走系一般由驅(qū)動輪、支重輪、張緊輪、托帶輪和履帶組成，如圖2所示。履帶式作業(yè)機(jī)組在行走過程中，驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動帶動履帶從后方卷起向前鋪設(shè)，接地部分的履帶給地面一個向后的作用力，使得地面給履帶一個向前的反作用力，驅(qū)動履帶式車輛向前行駛。

圖2 履帶式車輛行走系簡圖

運(yùn)輸模式下，履帶式作業(yè)機(jī)組的能量消耗主要來自正常行駛時的行走阻力，包括內(nèi)部阻力和外部阻力兩部分。內(nèi)部阻力主要來自支重輪和張緊輪與履帶的滾動摩擦，驅(qū)動輪與履帶齒嚙合時的摩擦等，一般取內(nèi)摩擦阻力系數(shù) f1為0.05～0.07[8]。外部阻力主要是履帶與路面的滾動阻力，由車輛的重力和外部滾動阻力系數(shù)f2表示。則履帶式車輛的行駛阻力為：

式中，G為作業(yè)機(jī)組的重力。

2.2 犁耕作業(yè)工作模式

履帶式作業(yè)機(jī)組犁耕作業(yè)時，行駛阻力由兩部分構(gòu)成，一部分是農(nóng)具在正常工作條件下所受到的平均阻力，另一部分是機(jī)組正常行走時履帶克服的行走阻力。

農(nóng)具在正常工作條件下所受的平均阻力為[9]：

式中，z為犁鏵數(shù)；b1為單犁鏵寬度；hk為耕深；k為土壤比阻。

考慮到因工作條件和農(nóng)具的變化所引起的阻力變化，一般應(yīng)該留有一定的儲備牽引能力。由式（1）、式（2）得犁耕作業(yè)時作業(yè)機(jī)組行駛阻力為：

式中，a為儲備能力系數(shù)，一般為1.1～1.2。

2.3 旋耕作業(yè)工作模式

旋耕模式下，旋耕機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向通常與驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動的方向一致，土壤對刀輥的反作用力有助于推動機(jī)組前進(jìn)，所以旋耕作業(yè)時無需考慮旋耕受到的阻力，作業(yè)機(jī)組所消耗的功率由兩部分構(gòu)成，一部分是機(jī)組正常行走時履帶克服的行走阻力功率，另一部分是機(jī)組動力輸出軸輸出的功率。動力輸出軸輸出的功率與土壤狀況、放耕深度以及轉(zhuǎn)速有關(guān)。

3 傳動系主要部件選型和參數(shù)設(shè)計

3.1 電機(jī)

電機(jī)的選擇必須滿足履帶式作業(yè)機(jī)組對電機(jī)性能的要求：效率高，出力大，低頻轉(zhuǎn)矩大，高速性能好，尺寸小，質(zhì)量輕，免維護(hù)等[10]。通過對比不同類型的電機(jī)，選擇永磁無刷直流電機(jī)。

運(yùn)輸工作模式下，沒有農(nóng)具的牽引和額外的動力輸出，由公式（1）得電機(jī)功率為：

式中，V1為運(yùn)輸模式下的車速；ηtran為電機(jī)到驅(qū)動輪的傳動效率；ηm為電機(jī)效率。

犁耕作業(yè)時，由公式（3）得電機(jī)功率為：

式中，V2為犁耕工作模式下的車速。

旋耕作業(yè)時，作業(yè)機(jī)組的功率消耗由履帶克服的行走阻力功率和動力輸出軸輸出功率兩部分構(gòu)成。我們由功率守恒得到，電機(jī)功率為：

所以電機(jī)額定功率取上述模式中的最大值，即Pmot=max(Pmot1，Pmot 2，Pmot 3)。

3.2 電池

作業(yè)機(jī)組的蓄電池必須具有比能量高，循環(huán)壽命長，安全性能好，自放電小，可快速充放電，工作溫度范圍高等優(yōu)點，設(shè)計選擇鋰離子電池。

由額定作業(yè)時間確定電池數(shù)，鋰電池能量表示為：

式中，W為電池總能量；n為電池單體個數(shù)；u為電池單體電壓；C為電池容量；D為電池放電深度。

電池提供的能量必需滿足電機(jī)消耗的能量，則：

式中，t為續(xù)駛時間；ηmc為電機(jī)控制器效率。

3.3 傳動比

電動履帶式作業(yè)機(jī)組在犁耕、旋耕工作模式下的速度較低，在運(yùn)輸模式下的速度較高。因此，傳動比根據(jù)作業(yè)機(jī)組不同工作模式的車速計算。履帶式車輛與輪式車輛的傳動比計算方法相同。

式中，ig為變速箱傳動比；nm為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速；Rq為驅(qū)動輪半徑；vk為各種模式下的車速。

4 計算實例

作業(yè)機(jī)組的部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 作業(yè)機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

通過調(diào)研電池生產(chǎn)廠家，記錄電池的尺寸重量，考慮到電動機(jī)組的工作條件、整機(jī)布置等因素，鋰離子電池的單體電壓為3.2V，確定電池組電壓等級為U0=3.2V×30=96V。

通過不同工作模式下電機(jī)功率的分析計算，電機(jī)功率范圍為4.39～7.33kW，以電機(jī)額定功率行駛3小時計算，由式（8）得所需容量C為155.5～259.7Ah，綜合考慮作業(yè)機(jī)組的實際作業(yè)速度，作業(yè)模式以及電池的尺寸重量和價格，選擇磷酸鐵鋰電池容量為180Ah，30個串聯(lián)。

根據(jù)作業(yè)機(jī)組實際速度的需求，變速箱檔位設(shè)計2檔，由公式（9）計算得出各檔傳動比如表2所示。

表2 各檔傳動比

5 Cruise仿真分析

Cruise軟件可以對純電動車的動力性進(jìn)行仿真，根據(jù)作業(yè)機(jī)組在不同工作模式下的行駛阻力特點，對一次充電作業(yè)時間進(jìn)行仿真。

圖3為行駛阻力不變時，通過多次仿真得到的車速和一次充電運(yùn)行時間的擬合曲線。結(jié)果表明：運(yùn)輸模式下，以5km/h作業(yè)時間為5.26h，最高車速為11.7km/h；旋耕模式下，以3km/h機(jī)作業(yè)時間為3.09h，最高車速為5.1km/h；犁耕模式下，以3km/h作業(yè)時間為3.64h，最高車速為5.8km/h，滿足設(shè)計要求。

圖3 速度和時間的關(guān)系

圖4為車速不變時，通過多次仿真得到的行駛阻力和一次充電運(yùn)行時間的擬合曲線。結(jié)果表明：在相同阻力下，旋耕和犁耕模式以3km/h作業(yè)的時間較長；在行駛阻力超過4500N時，運(yùn)輸模式下的行駛速度小于5km/h，此時為旋耕或犁耕模式。

圖4 行駛阻力和時間的關(guān)系

6 結(jié)論

圖7 數(shù)據(jù)傳輸模塊流程圖

提出了一種以電動機(jī)作為動力源的履帶式設(shè)據(jù)的讀取，滿足了多種通信方式的需求，具有極強(qiáng)的靈活性、可靠性、方便性，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值和推廣價值。

[1]蘇波,黃新.基于多紅外傳感器的智能溫度測試裝置設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(12):117-119,123.

[2]沈文,Eagle lee,詹衛(wèi)前.AVR單片機(jī)C語言開發(fā)入門指導(dǎo)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[3]崔陸軍,尚會超.基于AVR單片機(jī)的無線測溫系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012,9:57-59.

[4]劉冰,許青松,杜娟,黨震宇.基于GPRS技術(shù)的熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2012,34(11):24-27.

[5]丁鵬飛.具備遠(yuǎn)程控制功能的油井加藥機(jī)控制器[J].制造業(yè)自動化,2013,35(8):38-41.

[6]許元,李華聰.航空發(fā)動機(jī)溫度測量電路設(shè)計[J].測控技術(shù),2012,31(11):123-126.

[7]陳海松,李益民.基于單片機(jī)的溫度檢測記錄儀的設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2011,(4):83-84,87.

[8]陳光建,何華平,賈金玲.基于虛擬儀器和USB的溫度測量系統(tǒng)的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010,(11):30-31,34.

[9]嚴(yán)雨,廉潔.AVR單片機(jī)C語言應(yīng)用100例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[10]李芙玲,張瑾,閆躍升.基于CH341的USB-UART的設(shè)計與實現(xiàn)[J].工礦自動化,2007,(3):121-122.