變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

田宇航，葉 鑫，黃 汀，孫付春，李曉曉，楊向莙

（成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106）

西南丘陵山區(qū)普遍存在地塊小、地形復(fù)雜且大型農(nóng)機(jī)不利于應(yīng)用推廣的難題，更為嚴(yán)重的是農(nóng)業(yè)人口老齡化使得我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展形勢(shì)更加嚴(yán)峻[1]。為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低務(wù)農(nóng)人員作業(yè)強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研究適用于狹小地形的小型農(nóng)機(jī)，而農(nóng)用作業(yè)平臺(tái)作為搭載和集成其他農(nóng)用作業(yè)功能的基礎(chǔ)件已經(jīng)得到了關(guān)注。胡志勇[2]研制的自行式植保機(jī)械車輛，擁有調(diào)節(jié)軸距、輪距和距離地面高度的液壓系統(tǒng)，但是這款作業(yè)平臺(tái)距離地面高度較大，整車穩(wěn)定性不足。徐琪蒙[3]設(shè)計(jì)了一款自走式農(nóng)用移動(dòng)平臺(tái)，采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位測(cè)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了田間搭載農(nóng)具和無(wú)人作業(yè)功能，具有重復(fù)性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，但是不適用于小型地塊、且成本高。陳斌[4]為了實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”的目的，對(duì)農(nóng)用履帶動(dòng)力平臺(tái)進(jìn)行改造，形成了履帶式旋耕機(jī)和履帶式運(yùn)輸車等產(chǎn)品，對(duì)提高農(nóng)機(jī)資源利用率具有很大的啟發(fā)意義。張磊[5]為了降低機(jī)械損耗，結(jié)合常見(jiàn)拖拉機(jī)型號(hào)，對(duì)拖拉機(jī)輪距進(jìn)行改造，以適應(yīng)不同地隙要求。考慮到傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)易引起環(huán)境污染，李俊達(dá)[6]設(shè)計(jì)了一款變輪距的農(nóng)用電動(dòng)平臺(tái)，可以搭載其他農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)施肥、采摘等勞動(dòng)，具有很好的應(yīng)用前景，但該電動(dòng)平臺(tái)適用于種植玉米、甘蔗等，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小地塊農(nóng)地作業(yè)的全覆蓋。在當(dāng)前環(huán)境保護(hù)導(dǎo)向下，針對(duì)丘陵小型地塊設(shè)計(jì)一種變輪距的農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)以滿足農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足現(xiàn)狀非常有意義。

1 變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)種植的農(nóng)作物高度和行距的不同，農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)的高度和輪距也需相應(yīng)調(diào)整以滿足地形需求。西南地區(qū)小型地塊主要以種植辣椒、萵筍和白菜為主，參考辣椒、萵筍和白菜的高度和行距，擬定的變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)主要參數(shù)Tab.1 The main parameters of variable track agricultural electric operation platform

1.1 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)用作業(yè)平臺(tái)移動(dòng)方式有很多，根據(jù)移動(dòng)方式不同可以粗略分為車輪移動(dòng)方式、履帶移動(dòng)方式、機(jī)械腿移動(dòng)方式和混合移動(dòng)方式。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣泛的作業(yè)平臺(tái)，具有移動(dòng)平穩(wěn)、能耗小，容易控制移動(dòng)速度和方向等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用。綜合西南地區(qū)地理環(huán)境，輪式移動(dòng)平臺(tái)更加適用于西南地區(qū)的實(shí)際情況。變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)需要在農(nóng)田中直線移動(dòng)而且還需要在農(nóng)田中轉(zhuǎn)向，為了使平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，修理容易，降低故障率，所以在每個(gè)輪腿上面安裝一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)，使其能夠單獨(dú)轉(zhuǎn)向，減小轉(zhuǎn)彎時(shí)的半徑，有利于操作。平臺(tái)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)力平臺(tái)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.1 The power platform wheel type mobile mechanism

1.1.1 輪轂電機(jī)選擇

整個(gè)作業(yè)平臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)取決于動(dòng)力機(jī)構(gòu)的選擇。相對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，電力動(dòng)力是清潔能源，具有對(duì)環(huán)境污染小，噪音低等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理為：電流流入電動(dòng)機(jī)，由機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)減速器，然后通過(guò)聯(lián)軸器和輸出軸把動(dòng)力輸出給輪胎。但是這種電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)會(huì)減小作業(yè)平臺(tái)的底盤空間，不適合在環(huán)境較為復(fù)雜的田地工作。輪轂電機(jī)把動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)全都設(shè)置在輪轂里，省去了大部分的傳動(dòng)構(gòu)件，可以為平臺(tái)內(nèi)部騰出更大的空間，電池包更容易放置在平臺(tái)上，傳動(dòng)效率高、質(zhì)量輕，可以適應(yīng)不同的地形環(huán)境。

1.1.2 轉(zhuǎn)向電機(jī)選擇

在變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)執(zhí)行農(nóng)業(yè)任務(wù)期間，需要作業(yè)平臺(tái)在狹小的地塊作業(yè)，對(duì)作業(yè)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向要求很嚴(yán)格。伺服電機(jī)精度高，但價(jià)格較貴，而且保養(yǎng)成本高，且在復(fù)雜環(huán)境中伺服電機(jī)容易損壞，故轉(zhuǎn)向電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)。為了減輕作業(yè)平臺(tái)整體質(zhì)量，選取一款體積小、質(zhì)量輕的步進(jìn)電機(jī)來(lái)提供作業(yè)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向。在作業(yè)平臺(tái)中轉(zhuǎn)向電機(jī)通過(guò)車輪架和車輪連結(jié)在一起，且裝有蝸輪蝸稈減速器。

1.2 高度調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

作業(yè)平臺(tái)調(diào)節(jié)高度的方式有很多，常用方法是使用液壓裝置對(duì)高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是該方法使用范圍比較小。作業(yè)平臺(tái)高度調(diào)節(jié)范圍400～600 mm，若直接采用液壓升降，會(huì)使作業(yè)平臺(tái)的機(jī)構(gòu)變得笨重，增加動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)荷?？紤]作業(yè)平臺(tái)的動(dòng)力來(lái)源是電力，最后使用液壓缸與連稈機(jī)構(gòu)組合的方式實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)的高度調(diào)節(jié)，調(diào)整機(jī)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。每個(gè)輪轂電機(jī)有2 組四連稈機(jī)構(gòu)組合，安裝在平臺(tái)兩側(cè)的車輪連接板上。通過(guò)液壓缸的伸縮調(diào)整作業(yè)平臺(tái)高度。

圖2 地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.2 The ground clearance adjusting mechanism

1.3 輪距調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，需要根據(jù)地形地塊來(lái)調(diào)節(jié)農(nóng)用作業(yè)平臺(tái)的輪距。輪距調(diào)整機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖3。輪距調(diào)整機(jī)構(gòu)工作時(shí)，輪距調(diào)整電動(dòng)推稈為調(diào)整輪距提供全部的力，輪腿連接板的2 個(gè)導(dǎo)向軸為主要用于確保平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)，通過(guò)此方式實(shí)現(xiàn)農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)輪距調(diào)整。

圖3 輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.3 The track adjustment mechanism

1.4 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、高度調(diào)整機(jī)構(gòu)和輪距調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，利用三維建模軟件SolidWorks 實(shí)現(xiàn)整機(jī)的裝配。變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)裝配模型見(jiàn)圖4。

圖4 變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)總裝配Fig.4 The general assembly of variable track agricultural electric operation platform

2 變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析

變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)的工作地形起伏不定。平臺(tái)坡道運(yùn)動(dòng)時(shí)存在縱向坡道運(yùn)動(dòng)和橫向坡道運(yùn)動(dòng)，計(jì)算平臺(tái)的坡道運(yùn)動(dòng)能力，可以較為全面地估算平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能。

2.1 縱向坡道運(yùn)動(dòng)

變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)在縱向坡道運(yùn)動(dòng)時(shí)，坡道給平臺(tái)車輪施加一個(gè)切線方向的反作用力。若反作用力比平行于斜坡重力的分力大，則作業(yè)平臺(tái)無(wú)法向下移動(dòng)；若反作用力比作業(yè)平臺(tái)平行于斜坡重力的分力小，驅(qū)動(dòng)力足夠也無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)的輪子，且會(huì)滑倒，將不能在坡道上移動(dòng)。計(jì)算作業(yè)平臺(tái)的縱向坡道運(yùn)動(dòng)，可以得出作業(yè)動(dòng)平臺(tái)的最大坡道運(yùn)動(dòng)角度。變輪距農(nóng)用作業(yè)平臺(tái)縱向坡道運(yùn)動(dòng)受力情況見(jiàn)圖5。

圖5 縱向坡道受力分析Fig.5 The stress analysis of longitudinal ramp

作業(yè)平臺(tái)在坡道上運(yùn)動(dòng)時(shí)靠摩擦力在坡道上運(yùn)動(dòng)，摩擦力就是平臺(tái)沿著坡道運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，主要受到坡道地面的附著系數(shù)和車輛對(duì)地面的作用力影響，根據(jù)力平衡和力矩平衡關(guān)系，有：

由公式（1）得：

圖中，F(xiàn)x1、Fx2——車輪與地面之間的切向反作用力；Fy1、Fy2——車輪與地面之間的法向反作用力；G——平臺(tái)重力；——坡道角度；H——平臺(tái)質(zhì)心的高度；L——平臺(tái)的軸距；a、b——前、后軸與平臺(tái)質(zhì)心的距離；φ——附著系數(shù)。

當(dāng)作業(yè)平臺(tái)在坡道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，作為從動(dòng)輪的前輪還會(huì)受到一個(gè)力，這個(gè)力就是滾動(dòng)阻力Fx1，根據(jù)力平衡和力矩平衡關(guān)系，有：

式中：f——滾動(dòng)阻力系數(shù)，根據(jù)公式（2）得：

作業(yè)平臺(tái)在縱向坡道上運(yùn)動(dòng)，車輪的滾動(dòng)阻力Ff=Fx1+Fx2；坡道阻力Fh是平行于坡道往下的力：Fh=Gsinθ；由于移動(dòng)平臺(tái)速度慢，迎風(fēng)面積小，忽略空氣阻力，所以Fp=0。故變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力符合：F≥Ff+Fp+Fh。

作業(yè)平臺(tái)的總質(zhì)量G=70 kg，前輪輪軸和后輪輪軸距離車輛的橫向中軸線為a=b=0.75 m，質(zhì)心距離地面為0.5 m，軸距L=1.5 m，φ=0.8，f=0.024，作業(yè)平臺(tái)的縱向坡道運(yùn)動(dòng)得角度25.6°。

2.2 橫向坡道運(yùn)動(dòng)

作業(yè)平臺(tái)在坡道上橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，需計(jì)算作業(yè)平臺(tái)的最大橫向坡道角度，以此確保作業(yè)平臺(tái)不會(huì)從斜坡上滑下。作業(yè)平臺(tái)橫向坡道運(yùn)動(dòng)時(shí)受力情況見(jiàn)圖6。

圖6 橫向爬坡受力分析Fig.6 The stress analysis of horizontal climbing

變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)橫向在坡道上運(yùn)動(dòng)，摩擦力幫助平臺(tái)在斜坡上運(yùn)動(dòng)，計(jì)算總的力大小：F=Fx1+Fx2=φ(Fy1+Fy2)。保持作業(yè)平臺(tái)在斜坡上運(yùn)動(dòng)的條件為φGcosθ≥Gsinθ，要求橫向爬坡角θ≥artctanφ，當(dāng)φ為0.55時(shí)，極限橫向坡道角度為θ≥28.8。同時(shí)，極限橫向坡道角度僅和附著系數(shù)相聯(lián)系，故作業(yè)平臺(tái)采取越野輪胎相較于采取普通輪胎可以得到較大的橫向坡道角度。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)丘陵地區(qū)小型地塊農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用長(zhǎng)期不足，變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)根據(jù)地形和農(nóng)作物種植現(xiàn)狀實(shí)現(xiàn)了高度調(diào)整和輪距調(diào)整，可以有效降低農(nóng)業(yè)勞作強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著積極作用。未來(lái)，變輪距農(nóng)用電動(dòng)作業(yè)平臺(tái)將朝著大負(fù)載和長(zhǎng)續(xù)航等方向發(fā)展。