棚式電動(dòng)微耕機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

曹中華 馮 偉 張先鋒 湛小梅 李 平 周玉華 李亞麗

(重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329)

1 研究意義

我國(guó)現(xiàn)有微耕機(jī)主要以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力，環(huán)境污染重，操作強(qiáng)度大，噪聲大，成本高，而溫室大棚等設(shè)施農(nóng)業(yè)的耕作環(huán)境比較特殊，空間有限且比較封閉，對(duì)耕作機(jī)械的要求一般是體積小、噪聲低和沒(méi)有廢氣污染等。因此電動(dòng)微耕機(jī)的研究成為現(xiàn)階段迫切的需求，且電動(dòng)微耕機(jī)由電力控制可以向智能化方向發(fā)展，擁有更好的發(fā)展前景。因此，電動(dòng)微耕機(jī)成為未來(lái)微耕機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

電動(dòng)微耕機(jī)整體的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由扶手、機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、蓄電池、控制器、傳動(dòng)裝置、旋耕裝置、限深桿等組成。扶手上布置有電源開(kāi)關(guān)、調(diào)速裝置等，調(diào)速裝置是通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)輸出不同轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)旋耕刀耕作時(shí)的不同轉(zhuǎn)速。傳動(dòng)裝置主要是齒輪傳動(dòng)，由一對(duì)錐齒輪進(jìn)行直傳式傳動(dòng)。電動(dòng)微耕機(jī)是由蓄電池給電動(dòng)機(jī)提供電能，電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)電機(jī)輸出軸與傳動(dòng)裝置連接傳送到傳動(dòng)裝置，然后從傳動(dòng)裝置中的齒輪輸出軸傳至刀軸帶動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使旋耕刀進(jìn)行耕作。由刀片切土?xí)r，土壤對(duì)刀片的反作用力推動(dòng)電動(dòng)微耕機(jī)前進(jìn)，進(jìn)而完成電動(dòng)微耕機(jī)的旋耕作業(yè)。電動(dòng)微耕機(jī)是通過(guò)電源的開(kāi)啟與閉合實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞與切斷來(lái)控制電動(dòng)微耕機(jī)的工作狀態(tài)，通過(guò)對(duì)限深桿的入土深度的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)微耕機(jī)的耕作深度及行進(jìn)速度，保證整機(jī)耕作過(guò)程安全可靠。

1.扶手;2.控制器;3.電機(jī);4.蓄電池;5.傳動(dòng)裝置;6.旋耕裝置;7.機(jī)架;8.限深桿圖1 電動(dòng)微耕機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

(1)棚式電動(dòng)微耕機(jī)基本結(jié)構(gòu)研究。棚式電動(dòng)微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)從其整機(jī)輕便性、電動(dòng)技術(shù)部分的密封安全性等方面綜合考慮設(shè)計(jì)。①整機(jī)輕便性。采用新電動(dòng)技術(shù)作為動(dòng)力源的微耕機(jī)在工作中應(yīng)考慮其因自重而造成的能耗損失，因此在設(shè)計(jì)上可采用新材料、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)等方法以減輕自重。②電動(dòng)技術(shù)部分的密封安全性。應(yīng)綜合考慮新電動(dòng)技術(shù)的密封要求和微耕機(jī)的作業(yè)環(huán)境，確保電動(dòng)技術(shù)部分在微耕機(jī)工作過(guò)程中的安全可靠性。在完成棚式電動(dòng)微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，利用軟件或硬件，對(duì)其結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試、仿真分析、檢驗(yàn)，并根據(jù)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以確保整機(jī)結(jié)構(gòu)的安全可靠和穩(wěn)定性。

(2)新電動(dòng)技術(shù)的最優(yōu)組合技術(shù)研究。棚式電動(dòng)微耕機(jī)擬采用新電動(dòng)技術(shù)取代內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)微耕機(jī)工作，凸顯環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，因此新電動(dòng)技術(shù)這一部分將作為電動(dòng)微耕機(jī)的核心技術(shù)進(jìn)行突破。新電動(dòng)技術(shù)主要由儲(chǔ)能裝置(電池)、能量轉(zhuǎn)換裝置、傳動(dòng)裝置三部分組成。儲(chǔ)能裝置的選擇，該部分主要考慮微耕機(jī)工作所需的能耗以及工作時(shí)長(zhǎng)。能量轉(zhuǎn)換裝置的研發(fā)或選擇，這一裝置的作用是將儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)微耕機(jī)工作的機(jī)械能，該部分與傳動(dòng)裝置綜合考慮，要從以下幾個(gè)方面考慮：①能量的轉(zhuǎn)換效率；②微耕機(jī)刀輥工作所需要的扭矩；③傳動(dòng)裝置的高效、可靠、簡(jiǎn)單、安全等。綜合考慮微耕機(jī)工作性質(zhì)和工作條件，包括其工作需滿足的農(nóng)藝要求如耕深、耕寬等，合理選擇或研制適合棚式電動(dòng)微耕機(jī)的裝置，并將各裝置進(jìn)行合理組合以完成棚式電動(dòng)微耕機(jī)新電動(dòng)技術(shù)這一核心部分的最優(yōu)組合。

(3)耕作裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究。綜合考慮新電動(dòng)技術(shù)在動(dòng)力等方面的制約，對(duì)微耕機(jī)工作的耕作部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低其作業(yè)功耗。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括耕作部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和形狀優(yōu)化：對(duì)單個(gè)刀片進(jìn)行形狀優(yōu)化，如采用特殊材料、運(yùn)用仿生或仿形設(shè)計(jì)等，以提高其入土和切土性能，降低作業(yè)功耗；對(duì)整個(gè)耕作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)可從刀片的組合排列等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終達(dá)到降低功耗的目的。

(4)電池管理系統(tǒng)技術(shù)研究。該部分主要涉及電池輸出電壓的控制、電池能量的顯示、預(yù)警等，使得操作者能夠簡(jiǎn)便地操作和及時(shí)了解電池狀態(tài)，從而保證電動(dòng)微耕機(jī)作業(yè)的順利進(jìn)行，同時(shí)確保電池在健康狀態(tài)下作業(yè)，以免損傷電池。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)微耕機(jī)整體結(jié)構(gòu)及工作原理分析，進(jìn)行了電動(dòng)微耕機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、新電動(dòng)技術(shù)組合、耕作部件設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)研究，為電動(dòng)微耕機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。