設施農(nóng)業(yè)用履帶式電動車輛驅(qū)動電機主要參數(shù)匹配

沈文龍 匡文龍

針對溫室大棚這種相對狹小的工作環(huán)境，國內(nèi)研制并生產(chǎn)了以微耕機為主的小型農(nóng)機裝備[1]。這類農(nóng)業(yè)機械在使用過程中，存在排放物影響大棚作物的品質(zhì)和作業(yè)人員健康，操作者勞動強度大、易疲勞，路面適應能力差等問題[2]。采用無線操控獨立電驅(qū)動的履帶式車輛可以有效地解決上述問題。履帶式車輛不僅零排放、易操作，而且可以有效地降低接地比壓，減小下陷深度，減輕對土壤的壓實程度[3]。

履帶式電動車輛的驅(qū)動系統(tǒng)由電池和驅(qū)動電機組成。驅(qū)動電機的主要參數(shù)決定了車輛作業(yè)性能。驅(qū)動電機的性能參數(shù)主要包括電動機的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。采用永磁無刷電機作為車輛的動力源，需要滿足牽引需求和一定的爬坡能力。

1 驅(qū)動電機功率匹配

設施農(nóng)業(yè)用電動車輛主要進行犁耕旋耕和噴藥作業(yè)，整體速度較低且加速動作很少，因此可以忽略加速功率和空氣阻力功率的消耗。

1.1 犁耕工況

以平地上犁耕作業(yè)的電動車輛為研究對象，受力分析如圖1所示。

圖1 犁耕作業(yè)受力圖

圖1中，F(xiàn)T′為整機牽引犁耕作業(yè)時受到的總牽引阻力；G為電動車輛使用重量（作用在其質(zhì)心位置上）；ν為車輛前進速度；Fq為車輛驅(qū)動力；FN為車輛受到土壤反作用力在豎直方向上的分力；Ff為車輛行駛阻力。在犁耕作業(yè)過程中，驅(qū)動電機克服的阻力主要是總牽引阻力水平方向分力FT與行駛阻力 Ff。

式（1）中，PN1為雙電動機需要的功率；FT為車輛額定牽引力；ν1為車輛犁耕作業(yè)速度，最大值0.69 m/s；η1為從驅(qū)動電機到犁之間的傳遞效率，取值為0.5629；α為電動機功率儲備系數(shù)，按經(jīng)驗值取1.2；犁耕作業(yè)時的牽引阻力FT為單鏵犁受到的平均阻力。

式（2）中，k為土壤比阻，溫室大棚一般為輕壤土，查表取k=50kPa；e為犁鏵數(shù)，取 1；bn為犁體耕作幅寬30 cm；h為耕深25 cm。

將式（2）代入式（1），得PN1≥4.60 kW。

1.2 旋耕工況

旋耕作業(yè)時，作業(yè)機械的標定功率PN2主要由兩部分組成，一部分是驅(qū)動刀具作業(yè)所消耗的功率P1，另外一部分是整個機組行走滾動所消耗的功率P2。

先由經(jīng)驗公式計算刀具部分消耗的功率：

式（3）中，P1為動力輸出軸功率；B為耕幅60 cm；h為耕深10 cm；ν2為作業(yè)速度，0.83 m/s；kλ為旋耕作業(yè)時土壤比阻，kλ=kjk1k2k3k4。根據(jù)溫室大棚土壤條件，kj為平均土壤比阻，取50 kPa；k1為耕深修正系數(shù)，取0.8；k2為土壤含水率修正系數(shù)，取0.95；k3為殘茬植被修正系數(shù)，取0.8；k4為作業(yè)方式修正系數(shù)，取 0.66[4]。

作業(yè)機械滾動阻力消耗的功率P2可由式（4）確定：

式（4）中，f2為滾動阻力系數(shù)，取 0.12；m2為輛使用質(zhì)量，掛接旋耕犁時車輛的質(zhì)量為550 kg；傳動系統(tǒng)效率η2取值0.7；g為重力加速度，g=9.806 65 m/s2。

旋耕工況下電動機標定功率PN2，可由式（5）確定：

由式（5）得PN2≥ 1.766 kW。

1.3 爬坡工況

以現(xiàn)有市場上的農(nóng)業(yè)車輛15%的爬坡度為標準，對其進行受力分析。圖2為爬坡工況受力圖。重力沿路面向下的分力和滾動阻力為爬坡時主要阻力。驅(qū)動電機所需的功率：

由式（6）得，PN3≥3.13 kW。

式（6）中，m為空載車輛使用質(zhì)量，取490 kg；f3為滾動阻力系數(shù)，取0.07；α為路面的傾斜角，tanα=0.15；ν3為車輛速度，取1.11 m/s；爬坡時整車傳動系統(tǒng)效率η3，它由履帶驅(qū)動效率、整機滑轉(zhuǎn)效率、滾動效率、機械傳遞效率和電機效率共同構(gòu)成，取0.37。

由于整機額定功率PN應當取max（PN1,PN2,PN3），因此額定功率PN≥4.597 kW。

圖2 爬坡工況受力圖

2 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速匹配

電機的額定功率和額定轉(zhuǎn)速是影響電機成本和制造工藝的主要因素，它還影響整車重量、體積、布局、能耗和傳動方式。設施農(nóng)業(yè)用電動車輛本身不需要太高的行駛速度，但需要較大的行駛力矩，以滿足復雜的農(nóng)業(yè)作業(yè)和環(huán)境，因此為了滿足小速度、大力矩和低成本的要求，減速器采用蝸輪蝸桿減速器，且整機沒有其他改變傳動比的方式。蝸輪蝸桿的傳動比取值范圍一般≤60，采用減速比ic=50的NMRV減速機，而設計時本機最高速度ν4=1.39 m/s，rd為驅(qū)動輪半徑，取0.2 m；由式（7）得直流電動機的轉(zhuǎn)速n≤3 316 r/min。

3 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩匹配

對于直流伺服電動機來說，其最大轉(zhuǎn)矩為啟動轉(zhuǎn)矩，以犁耕工況和爬坡工況的轉(zhuǎn)矩需求進行分析。由圖1和式（1）可知，犁耕作業(yè)時電動機提供的扭矩TN1傳遞到農(nóng)機具上的力應大于牽引力，見式（8），計算得TN1≥26.65 N·m。在爬坡過程中，驅(qū)動電機扭矩應當能夠克服整機爬坡時的阻力。由圖2的受力分析可得式（9），計算得TN2≥10.75 N·m。電動機的額定轉(zhuǎn)矩TN需要取max(TN1,TN2)，因此額定轉(zhuǎn)矩TN≥26.65 N·m。

通過對驅(qū)動電機的額定功率PN、額定轉(zhuǎn)速n和額定扭矩TN的匹配計算，可為電動車輛驅(qū)動電機的選型提供方案。