多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺研究

蔣榮妹

【摘 ?要】針對以上一系列棘手問題，研制一種低能耗、無污染、高效率的綠色環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能遙控的多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺，對補強農(nóng)業(yè)生產(chǎn)薄弱環(huán)節(jié)，全面促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)機械化快速發(fā)展有著很強的現(xiàn)實和指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】多功能;農(nóng)機;平臺

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)機械化和計算機云平臺數(shù)據(jù)處理技術(shù)的快速發(fā)展，智能化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)被逐步提上議程，國家對智慧農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的期許越來越高，但在現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，基于計算機云平臺數(shù)據(jù)采集的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地理信息系統(tǒng)構(gòu)建還不夠完備，可進(jìn)行作物生產(chǎn)地理信息采集的智能化媒介裝備仍未成型，多數(shù)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)裝備多為粗放型生產(chǎn)，無法進(jìn)行有效的智能化時時信息采集，而通過人工取樣采集的數(shù)據(jù)多存在偏差較大、精準(zhǔn)程度不足的問題，大大制約了智能化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的有效推進(jìn)。

1.多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺設(shè)計要求

近年來隨著科技的不斷進(jìn)步，我國越來越多農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已基本實現(xiàn)機械化生產(chǎn)，但是部分現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機械如配套傳統(tǒng)拖拉機的農(nóng)機具在相對狹小的空間或分散地塊上無法有效地進(jìn)行耕整、播種、田間管理等作業(yè)。因此，根據(jù)我國的實際國情出發(fā)，在設(shè)計中將機械設(shè)計與自動化控制等相關(guān)知識結(jié)合起來，設(shè)計一款靈活、多功能、經(jīng)濟實用的多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺。

結(jié)合我國目前多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺的制作經(jīng)驗，多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺需要具備以下基本功能：

行走功能：多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺要求能夠完成果園、林地的采摘運輸作業(yè)，果園、林地的地面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，平臺需要能夠方便、準(zhǔn)確的在果園、林地靈活的行走，從而來實現(xiàn)果園、林地輔助管理機械的功能。獨立浮動雙側(cè)行走方式是平臺技術(shù)突破的核心，平臺兩側(cè)電機相互獨立，工作時不相互影響，從而實現(xiàn)平臺的移動與差速轉(zhuǎn)向。

田間管理作業(yè)功能：多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺要求能夠適應(yīng)芝麻等典型經(jīng)濟作物的田間管理尤其是噴藥環(huán)節(jié)，由于此類作物的生長環(huán)境特殊，平臺需要能夠穩(wěn)定地完成高地隙噴藥作業(yè)。平臺縱向高度可進(jìn)行調(diào)節(jié)，帶有可拆卸的藥箱，能配套噴藥設(shè)備對芝麻，棉花等作物進(jìn)行噴藥。拆下藥箱，降低高度后可配套農(nóng)具，實現(xiàn)牽引功能。同時，機具整體橫向跨度也可進(jìn)行調(diào)節(jié)，適用于不同作物的行距。

橫向縱向調(diào)節(jié)功能：基于目前果園、丘陵等地區(qū)地形復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境多樣性的基本情況，多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺為適應(yīng)不同地段幅寬與離地間隙多變的情況，研制了作業(yè)幅寬更換的通用單體分離獨立控制機構(gòu)，以滿足不同幅寬的作業(yè)要求。平臺由兩側(cè)的行走裝置與中間連接機架構(gòu)成，通過中間連接機架的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)平臺寬度與高低的調(diào)節(jié)。在對不同農(nóng)作物進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時，根據(jù)農(nóng)作物的種植寬度與生長高度，調(diào)節(jié)橫向跨度與縱向高度，實現(xiàn)模塊化組合。

無線遙控功能：多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺具有自主研發(fā)的遙控裝置，能夠利用無線技術(shù)及配套操作系統(tǒng)實現(xiàn)100米范圍內(nèi)無線遙控作業(yè)。并且平臺能夠通過控制液壓電磁閥兩端電磁鐵的開關(guān)量，來對液壓懸掛系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，極大地提高液壓懸掛系統(tǒng)操作的舒適性和操縱簡便性以及實現(xiàn)迅速并且準(zhǔn)確地使用和調(diào)節(jié)平臺的液壓懸掛系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)效率和工作質(zhì)量。

2.多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺主要由行走裝置、驅(qū)動裝置、縱向高度調(diào)節(jié)裝置、可拆卸藥箱、橫向左右調(diào)節(jié)裝置、支撐輪等組成。

平臺的行走方式是履帶式，后面兩側(cè)分別有一個驅(qū)動輪，每個驅(qū)動輪和一個電動機通過鏈條連接，兩個電動機的鏈輪半徑相同，比驅(qū)動輪上的鏈輪半徑小。整個機器利用差速原理實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，后退時利用電動機的反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。履帶上方是升降臺，用于整機的縱向高度調(diào)節(jié)和支撐機器上部的重量。主要的工作原理如下：

（1）用于噴藥時的工作原理

當(dāng)多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺實現(xiàn)噴藥功能時，升降臺上板安裝有四根支撐軸，整機為高地隙動力平臺，中間放置可拆卸的藥箱。機器上部安裝三點懸掛裝置，用來配套噴藥設(shè)備。機器中間可通過作物，通過調(diào)節(jié)升降臺和輪距，可以適應(yīng)不同的作物。

（2）用于牽引時的工作原理

當(dāng)多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺實現(xiàn)牽引功能時，拆下升降臺上部的方軸、藥箱和上部的懸掛架。把升降臺降到最低，機器頂部鋼板直接和升降臺上板連接，安裝用于牽引的懸掛裝置。

3.多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺傳動系統(tǒng)方案設(shè)計

現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)相對成熟的多功能平臺基本都是輪式的，而且這些機器的動力傳動系統(tǒng)都是利用現(xiàn)有的純電動汽車的動力傳動系統(tǒng)。多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺是采用履帶式行走方式。有三種可應(yīng)用于多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺的傳動系統(tǒng)，對此進(jìn)行研究確定采用之中最適合多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺的方案。

第一種方案是直線行駛電動機和轉(zhuǎn)向電動機相結(jié)合的驅(qū)動傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)是可應(yīng)用在履帶式多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺的傳動裝置系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺的直駛和轉(zhuǎn)向是相互獨立的，既能夠保證整機直線行駛的穩(wěn)定性，又易于整機轉(zhuǎn)向的控制。當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向電機所輸出的動力促使錐齒輪轉(zhuǎn)動并因而產(chǎn)生兩個完全相反的旋轉(zhuǎn)方向經(jīng)由傳動軸傳遞到外圍的行星齒輪上，使其一端履帶加速運動，一端履帶減速運動，從而產(chǎn)生速度差，實現(xiàn)了多功能平臺的轉(zhuǎn)向運動。這個方案有一個很大的弊端，在多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺需要轉(zhuǎn)向運動時由于轉(zhuǎn)向功率流和直線行駛功率流分別獨立輸出，且轉(zhuǎn)向功率單憑轉(zhuǎn)向電機給予，使其操控難度較高不易控制且對電機的結(jié)構(gòu)和配置要求過高增加了設(shè)計成本，并且由于安裝了轉(zhuǎn)向驅(qū)動軸和直駛驅(qū)動軸，增加了整機空間布置的難度，降低了整機的空間利用率。

第二種方案是單電動機驅(qū)動的動力傳動系統(tǒng)

一種單電機動力傳動系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的工作原理是電動機的動力經(jīng)由機械傳動裝置（可由帶傳動、變速箱、減速器和錐齒輪齒輪箱等任意組合而成）后，再通過履帶式平臺的轉(zhuǎn)向機構(gòu)傳遞給兩側(cè)的驅(qū)動輪。這個方案雖然節(jié)省空間，但機械傳動裝置的存在使多功能平臺無法做到針對不同農(nóng)作物進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時，根據(jù)農(nóng)作物的種植寬度與生長高度，調(diào)節(jié)橫向跨度與縱向高度，實現(xiàn)模塊化組合，并且成本太高并且安裝難度較大，設(shè)計周期太長。

第三種方案是雙電動機同步驅(qū)動傳動系統(tǒng)

雙電機同步驅(qū)動傳動系統(tǒng)中，兩側(cè)的電動機上有鏈輪，驅(qū)動輪上也有鏈輪，電動機通過鏈條與鏈輪連接。這樣把電機的動力直接傳遞給驅(qū)動輪，能夠盡可能地使平臺輸出更大的牽引力。在整車轉(zhuǎn)向方面，兩條履帶的速度差就需要依靠控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)兩側(cè)電動機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。這種傳動系統(tǒng)方案無差速器、變速箱、中央傳動、末端傳動，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強，并且占用空間比較小。

4.多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺能量源的選取

多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺采用電能作為驅(qū)動能源，具有綠色環(huán)保、智能高效的特點。在構(gòu)建整個多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺的過程中，能量源的種類對電機運轉(zhuǎn)起到了至關(guān)重要的作用。我們可將以上幾種電池分為兩大類一類是可循環(huán)利用類能量源，另一類是不可循環(huán)利用類能量源，即便不可循環(huán)類能量源有點多，例如燃料電池具有極高的能效和極低的排放多種有點，卻因為使用成本和后期的維護(hù)較高而難以在多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺中使用。對于多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺來說并不適用。經(jīng)過測評后我們發(fā)現(xiàn)，超級電容器和超高速飛輪雖說其有點較多，例如可循環(huán)利用次數(shù)較多，效能極高，但是由于它裝置操作過于困難，構(gòu)造成本極高，對于多功能智能農(nóng)機作業(yè)平臺不實用，所以我們需要將目光之中到電化學(xué)蓄電池上。

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（作者單位：廣西桂林咸水鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心）