新能源電動耕作機的設(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)機械研究所，重慶 401329)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的持續(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)機的研發(fā)之風(fēng)又悄然興起。我國農(nóng)業(yè)機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)供電交流電機提供動力的1GD-900型電動旋耕機、運用蓄電池作為動力源驅(qū)動直流電機為機組提供動力的電動四輪拖拉機、采用干電池或蓄電池作為動力源的手持式電動噴霧機械、由蓄電池提供能源驅(qū)動直流電機的微型背負(fù)式電動采茶機、微型電動播種機、電動水稻插秧機，以及精密電動播種機等電動新能源農(nóng)業(yè)裝備。

隨著電機技術(shù)尤其是低速大扭矩電機技術(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，采用磷酸鐵鋰動力蓄電池和永磁無刷直流電機高性能動力部件，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)和整機開發(fā)，并進(jìn)行了試驗驗證。

1 新能源電動耕作機的構(gòu)想

傳統(tǒng)耕作機大多采用內(nèi)燃機(柴油機或汽油機)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度較大的機械式，集成智能化的控制系統(tǒng)較難實現(xiàn)；很多機型沒有轉(zhuǎn)向機構(gòu)，增加了操作者的勞動強度。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，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的研制，并進(jìn)行了試驗研究[2]。上述兩種機型均采用電纜供應(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。朱思洪的研究團隊以基于鉛酸電池和串勵直流電機的電動拖拉機為設(shè)計實例，對其動力性能和經(jīng)濟性能進(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，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驅(qū)動機型較大，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，使得耕作機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 新能源電動耕作機的設(shè)計

2.1 動力總成的研究

新能源電動耕作機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的核心部件。根據(jù)耕作機的使用情況，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，并集成智能化電池管理系統(tǒng)，以滿足新能源電動耕作機對動力的需求。

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。

永磁無刷直流電機是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電機，電機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，電機內(nèi)裝有位置傳感器。電機驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能：一是接受電機的啟動、停止、制動信號，以控制電機的啟動、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，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Fig.2 Permanent magnet brushless DC motor表2 永磁無刷直流電機的主要技術(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的正反轉(zhuǎn)來控制耕作機的前進(jìn)和后退；三是通過控制電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)耕作機的無極調(diào)速。其操作控制方式與傳統(tǒng)耕作機相比，更輕便、更省力。

為了滿足田間作業(yè)、轉(zhuǎn)運和道路運輸?shù)榷喾矫鎸λ俣鹊囊?，新能源電動耕作機的變速傳動部件與直流電機直接相連，設(shè)計有快、慢兩擋，左右轉(zhuǎn)向機構(gòu)，通過直流電機的正反轉(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的前進(jìn)、后退是通過改變直流電機轉(zhuǎn)子的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，所以新能源電動耕作機后退擋與前進(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

新能源電動耕作機的輔助零部件主要包括扶手機架、操作控制手柄及拉線和電子控制系統(tǒng)等。扶手機架是耕作機的載體，起到安裝固定、連接各零部件及人機交互的的作用。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的電流流向從而改變直流電機轉(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、電池管理系統(tǒng)、變速傳動機構(gòu)和輔助部件，開發(fā)出新能源電動耕作機。新能源電動耕作機如圖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Fig.5 New energy electric tillage machine表3 新能源電動耕作機的主要設(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電機額定功率kW2.5電機額定轉(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，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，該機的續(xù)航能力較長，生產(chǎn)效率較高，是微耕機理想的替代產(chǎn)品。

4 結(jié)論

設(shè)計研究與實驗驗證表明：新能源電動耕作機設(shè)計合理、速度調(diào)節(jié)范圍廣、適應(yīng)性強，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作為動力，契合新能源、綠色環(huán)保機械發(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)向機構(gòu)，滿足田間作業(yè)與轉(zhuǎn)運、道路運輸?shù)榷喾N使用條件要求。

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