一種小型電動(dòng)微耕機(jī)的設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)傳統(tǒng)微耕機(jī)抖動(dòng)大、噪音大、行走不方便以及保護(hù)措施欠缺等問題，設(shè)計(jì)了一種小型電動(dòng)微耕機(jī)，設(shè)計(jì)機(jī)具作業(yè)幅寬60 cm，作業(yè)深度大于8 cm。通過計(jì)算，微耕機(jī)的動(dòng)力輸出電機(jī)選取功率2.2 kW、電壓72 V的直流電機(jī)，按照作業(yè)工況，對(duì)微耕機(jī)的變速箱、傳動(dòng)比以及齒輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了校核，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。按照實(shí)際工作要求，對(duì)電池容量進(jìn)行估算選型，選用120 A·h鋰電池作為供電電池，最終建立整機(jī)的三維模型。相比傳統(tǒng)的汽油動(dòng)力和柴油動(dòng)力，電動(dòng)式微耕機(jī)在茶園、大棚種植等方面優(yōu)勢(shì)更加明顯，除了無污染，還有振動(dòng)小、轉(zhuǎn)速可調(diào)性等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 微耕機(jī);機(jī)械化;丘陵山地;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) S220.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2024）14-0174-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.14.038

Design of a Small Electric Micro Tiller

QI Xing-yuan，LIN Shu-yun，WANG Ying-fen et al

（Guizhou Mountainous Agricultural Machinery Research Institute，Guiyang，Guizhou 550001）

Abstract In response to the problems of large shaking，high noise，inconvenient walking，and lack of protective measures in traditional micro tillers，a small electric micro tiller was designed，with a designed width of 60 cm and a depth of more than 8 cm.Through calculation，a DC motor with a power of 2.2 kW and a voltage of 72 V was selected as the power output motor of the micro tiller.According to the operating conditions，the gearbox，transmission ratio，and gears of the micro tiller were designed，and key components were verified to meet the design requirements.According to actual work requirements，estimate and select the battery capacity，select 120 A·h lithium battery as the power supply battery，and ultimately establish a three-dimensional model of the entire machine.Electric micro tillers have more obvious advantages compared to traditional gasoline and diesel power in tea gardens and greenhouse planting.In addition to being pollution-free，they also have advantages such as low vibration and adjustable speed，which have broad market prospects.

Key words Micro tiller;Mechanization;Hilly and mountainous areas;Design

基金項(xiàng)目 貴州山地高效農(nóng)機(jī)創(chuàng)新試驗(yàn)基地建設(shè)項(xiàng)目（黔科合服企〔2023〕005）;黔南州科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（黔南科合〔2023〕03號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介 齊興源（1991—），男，甘肅酒泉人，工程師，碩士，從事山地農(nóng)機(jī)裝備研究。*通信作者，女，貴州遵義人，正高級(jí)畜牧師，從事畜牧及畜牧機(jī)械裝備研究。

收稿日期 2023-10-10

旋耕機(jī)作為一種耕作機(jī)械，誕生于19世紀(jì)中期，在國(guó)外經(jīng)歷了將近150多年的發(fā)展，現(xiàn)在技術(shù)相對(duì)趨于完善［1-2］。在我國(guó)其發(fā)展歷程大致如下：南北方地區(qū)大面積使用，在部分地區(qū)甚至替代了傳統(tǒng)的翻伐犁，其耕作幅寬和功率變化較大，1.6～80.0 kW的旋耕機(jī)均有。在北方或平原為主的省份，采用的基本都是懸掛式拖拉機(jī)牽引的組合方式，而針對(duì)南方丘陵山地這一組合方式限制頗多，使用相對(duì)較少［3-5］。在這種情況下，2000年前后，小于7.5 kW的微型耕耘機(jī)誕生，除了傳統(tǒng)旋耕以外，還可用于田間管理、果園園藝等領(lǐng)域，由于其高適應(yīng)性被大面積應(yīng)用［4］。但是，微耕機(jī)在使用過程中，抖動(dòng)大、保護(hù)措施欠缺等問題逐漸凸顯，尤其是在一些對(duì)排放要求較高的作業(yè)地區(qū)，微耕機(jī)的弊端則暴露更加明顯［5-6］，比如：茶園、大棚等，微耕機(jī)的排放多是不達(dá)標(biāo)的，對(duì)作物品質(zhì)影響較大，而電驅(qū)動(dòng)相比傳統(tǒng)的汽油動(dòng)力和柴油動(dòng)力優(yōu)勢(shì)更加明顯，除了無污染，還有振動(dòng)小、轉(zhuǎn)速可調(diào)性等優(yōu)勢(shì)［7-8］。按照這種思路，筆者設(shè)計(jì)了一款小型電動(dòng)微耕機(jī)，在蔬菜大棚、茶園等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，供行業(yè)領(lǐng)域人員參考。

1 結(jié)構(gòu)方案與工作原理

1.1 常規(guī)微耕機(jī)的構(gòu)造及工作原理

如圖1所示，常規(guī)動(dòng)力微耕機(jī)主要由動(dòng)力組件、傳動(dòng)組件、作業(yè)組件、機(jī)架及扶手等組成，工作時(shí)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)組件完成減速，一般轉(zhuǎn)速不超過300 r/min。旋耕組件一般為1～4組刀輥組成，動(dòng)力越大，旋耕刀越多，常規(guī)小動(dòng)力旋耕機(jī)以2～3組最多，可以兼顧效率和便攜性，作業(yè)時(shí)，操作人員通過下壓扶手或上提扶手來控制耕深，限深阻尼棒可以有效限制最大深度和前進(jìn)速度，保證作業(yè)安全性。微耕機(jī)在作業(yè)時(shí)抖動(dòng)極大，對(duì)操作人員雙手傷害較大［9］。由于其沒有主動(dòng)行走裝置，所以行走依靠旋耕組件帶動(dòng)整機(jī)前進(jìn)。

從上面的闡述可以看出，微耕機(jī)組成相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是微耕機(jī)目前還面臨較多技術(shù)問題有待解決。比如：微耕機(jī)作業(yè)時(shí)，刀輥既是耕作部件又是驅(qū)動(dòng)部件和行走部件。刀輥是微耕機(jī)主要振動(dòng)源，主要由刀片切削土壤時(shí)土壤對(duì)刀片的沖擊振動(dòng)引起。微耕機(jī)的振動(dòng)問題及其使用和操作不便問題較多［10］。

1.2 電動(dòng)微耕機(jī)的設(shè)計(jì)方案

微耕機(jī)一般采用兩輪和四輪2種驅(qū)動(dòng)方案。兩輪驅(qū)動(dòng)方案與常規(guī)旋耕機(jī)一致，也就是作業(yè)旋耕組件兼顧行走和旋耕2個(gè)功能，轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，通過更換旋耕組件為行走輪，便于路面行走，作業(yè)時(shí)，同樣依靠旋耕組件帶動(dòng)整機(jī)行走，依靠限深阻尼棒限制前進(jìn)速度，這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但是大量能量消耗在限深組件上，同時(shí)不易操作，所以，近年來也有部分兩輪驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)增加輔助輪來便于控制，但是改進(jìn)有限［11］。四輪驅(qū)動(dòng)方案則是行走與作業(yè)組件分開，前輪或后輪長(zhǎng)期存在1對(duì)行走輪，另外1對(duì)為作業(yè)輪組，可以更換行走輪來作業(yè)，作業(yè)時(shí)1對(duì)主動(dòng)行走，1對(duì)作業(yè)，由于有專用行走輪，不需要旋耕組件兼顧行走，所以操作更為簡(jiǎn)單，也無需額外設(shè)置阻尼組件來限制速度，可以通過離合和調(diào)速來控制行走速度。因電動(dòng)微耕機(jī)要求作業(yè)穩(wěn)定，減少電池振動(dòng)，顯然四輪的設(shè)計(jì)對(duì)于減震效果更佳，穩(wěn)定性更好，便于轉(zhuǎn)向，操作人員更加舒適，故該研究采用四輪驅(qū)動(dòng)方案。在布局上，一般分為前置和后置2種方式，前置主要是旋耕作業(yè)組件處于前行走輪，后置則類似，旋耕作業(yè)組件處于后行走輪，無論哪一種方式，都可以實(shí)現(xiàn)行走，前置則是通過上提扶手實(shí)現(xiàn)耕深控制，反之則是通過下壓控制，所以在本質(zhì)上差別不大?？紤]到前置行走輪可以在轉(zhuǎn)向時(shí)更加容易操作，后輪行走在部分邊角位置，作業(yè)邊界更大，針對(duì)部分邊角作業(yè)效果更好，故該設(shè)計(jì)采用前置旋耕組件。

如圖2所示，該設(shè)計(jì)的小型電動(dòng)微耕機(jī)主要由旋耕組件、蓄電池、傳動(dòng)組件、電機(jī)、行走組件、控制組件等部件組成，其中旋耕組件選擇2～3組旋耕刀，傳動(dòng)組件則是齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，也是該設(shè)計(jì)重要機(jī)構(gòu)，控制組件則是包括扶手、控制桿等零件組成，完成對(duì)整機(jī)的操控。

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)的選型

2.1.1 作業(yè)參數(shù)計(jì)算。

按照一般微耕機(jī)的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［12］，耕作深度設(shè)計(jì)為8～10 cm，幅寬設(shè)計(jì)為60 cm，作業(yè)效率0.1 hm2/h。按照作業(yè)效率，計(jì)算機(jī)具作業(yè)前進(jìn)速度（Vm）：

Vm=0.19×15×sB

式中：s為生產(chǎn)效率（hm2/h），本設(shè)計(jì)為0.1 hm2/h;B為作業(yè)幅寬（m），本設(shè)計(jì)為0.6 m。

通過計(jì)算得出機(jī)具作業(yè)前進(jìn)速度Vm=0.48 m/s。進(jìn)一步，按照行走輪設(shè)計(jì)直徑為320 mm，可以確定行走轉(zhuǎn)速為28.7 r/min，考慮空載行走速度要達(dá)到1.2 m/s左右，行走轉(zhuǎn)速要達(dá)到71.8 r/min，為便于計(jì)算，可取75.0 r/min。作業(yè)轉(zhuǎn)速一般為190.0～380.0 r/min，取250.0 r/min。

2.1.2 電機(jī)功率估算。

旋耕機(jī)作業(yè)功率與切削深度、切削寬度、作業(yè)深度、土壤黏度等多個(gè)因素都存在直接關(guān)系，難以直接進(jìn)行估算，所以在獲得微耕機(jī)功率過程中，一般是假定理想狀態(tài)進(jìn)行求解，首先假定作業(yè)為水平田地面，而不是坡度，然后根據(jù)以下公式計(jì)算作業(yè)所需功率：

P=0.1×Kλ×d×Vm×B

式中：Kλ為旋耕比阻（N/cm2），即為單位長(zhǎng)度的阻力大小;d為耕深（cm），根據(jù)該設(shè)計(jì)平均耕深計(jì)算，取9 cm;

Vm為作業(yè)速度（m/s），根據(jù)前文計(jì)算，為0.48 m/s;B為作業(yè)幅寬（m），本設(shè)計(jì)為0.6 m。

進(jìn)一步計(jì)算Kλ，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》［13］，按照比阻計(jì)算公式Kλ=KgK1K2K3K4，查得Kg=16 N/cm2，K1=1.00，K2=0.90，K3=0.80，K4=0.66，則可計(jì)算得出Kλ=7.6 N/cm2。再計(jì)算得出P=0.1×7.6×9×0.48×0.6=1.97 kW。按照行走功率為0.1～0.3倍作業(yè)功率，取0.1倍，則所需功率為Pca=1.1 P=2.18 kW。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，初步選擇電動(dòng)機(jī)：合力ZLCF直流有刷電機(jī)，額定功率2.2 kW；額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min；凈重15 kg。

2.2 旋耕刀的設(shè)計(jì)及布局

旋耕刀是旋耕機(jī)的主要工作部件，刀片的形狀和參數(shù)直接影響旋耕的工作質(zhì)量，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)旋耕刀刃口曲線形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)作了大量研究，就橫軸旋機(jī)上的刀齒而言主要有剛性和彈性兩大類。如圖3所示，在排列刀片的過程中，為了解決旋耕機(jī)工作時(shí)向側(cè)邊輸土的問題，可以使左右刀片的2條螺旋線不連續(xù)，而且旋向不一樣，并且相鄰區(qū)段螺旋線的旋向相反；在焊接左右刀片的時(shí)候，同一回轉(zhuǎn)平面的左右彎刀的間隔夾角應(yīng)該在90°～180°，因此確定一個(gè)刀座上同一回轉(zhuǎn)平面的兩把刀的間隔夾角為180°。

2.3 變速箱傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2.3.1 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)。從電動(dòng)機(jī)到旋耕機(jī)刀軸，效率傳遞包括離合器、聯(lián)軸器、滾動(dòng)軸承、圓柱齒輪、皮帶輪、鏈輪等的傳遞，所以需要充分考慮功率。初步擬定傳動(dòng)方案如圖4所示，其中行走驅(qū)動(dòng)軸為8軸，作業(yè)驅(qū)動(dòng)軸為5軸。

2.3.2 各軸輸入功率計(jì)算。按照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》［13］中傳遞效率定義，離合器η1=0.99，聯(lián)軸器η2=0.99，軸承η3=0.99，圓柱齒輪η4=0.96，皮帶輪η5=0.96，則計(jì)算得出各軸的輸入功率（kW）分別為：

P1=P0η1η3=2.20×0.99×0.99=2.16

P2=P1η3η4=2.16×0.99×0.96=2.05

P3=P2η3η4=2.05×0.99×0.96=1.95

P4=P3η5η2=1.95×0.96×0.99=1.85

P5=P4η5η3=1.85×0.96×0.99=1.76

2.3.3 傳動(dòng)比確定。按照電機(jī)選型設(shè)計(jì)及行走和作業(yè)轉(zhuǎn)速要求，電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，行走轉(zhuǎn)速75 r/min，作業(yè)轉(zhuǎn)速為250 r/min，則行走總傳動(dòng)比為40.0，作業(yè)總傳動(dòng)比為12.0。進(jìn)一步，按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，帶傳動(dòng)傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為2.0，則作業(yè)傳動(dòng)比設(shè)計(jì)：2軸和3軸傳動(dòng)比為1.2，3軸和4軸傳動(dòng)比為2.5，4軸和5軸傳動(dòng)比為2.0。行走傳動(dòng)比設(shè)計(jì)：2軸和6軸傳動(dòng)比為2.0，6軸和7軸傳動(dòng)比為3.0，7軸和8軸傳動(dòng)比為3.5。

2.4 齒輪設(shè)計(jì)與校核 首先，根據(jù)傳動(dòng)方案選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，齒輪選用8級(jí)精度。因第1組齒輪傳遞功率最大，所以只對(duì)第1組齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核［14］。按照設(shè)計(jì)，動(dòng)力電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，因帶傳動(dòng)傳動(dòng)比為2.0，則2軸的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，按照扭矩計(jì)算公式：

T=9 550 P/n

式中：P為2軸輸入功率，為2.05 kW；n為2軸轉(zhuǎn)速，為1 500 r/min。計(jì)算得2軸的扭矩T=13.05 N·m，估取齒輪模數(shù)m=2，選擇齒輪的材料為40 Cr，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度280 HBS，最大許用強(qiáng)度為σHlim=785 MPa。選擇小齒輪齒數(shù)為z1=30，則大齒輪的齒數(shù)z2=i1×z1=1.2×30=36，齒寬b=15 mm。由于齒輪在工作時(shí)是逐齒進(jìn)行嚙合，在強(qiáng)度校核時(shí)只需要對(duì)單齒的強(qiáng)度進(jìn)行校核，使用solidworks simulation進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5、6所示，小齒輪的最大應(yīng)力為σ小=417.2 MPa，大齒輪的最大應(yīng)力為σ大＝611.8 MPa，所以齒輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足載荷要求。

2.5 電池選型與容量計(jì)算

2.5.1 電池類型選型。蓄電池供電又分為多種普通硫酸電池、鎳基電池、鋰電池等多種電池，其中以低成本的鉛酸電池使用最多，除此以外，成本相對(duì)較高的鋰電池使用較多，考慮到體積小、重量輕等需求，鋰電池壽命長(zhǎng)、瞬時(shí)電流大等優(yōu)勢(shì)突出，故采用鋰電池供電。

2.5.2 電池容量計(jì)算。按照電池容量估算公式［15-16］：

Q=A×qL×N×Tσx

式中：Q為蓄電池設(shè)計(jì)容量；A為放電修正系數(shù)或安全次數(shù)，取值1.1；qL為1 h耗電量，按照電機(jī)功率為2.2 kW、72 V，則其值為30.2 A·h；N為工作時(shí)間，按照連續(xù)工作3 h計(jì)算；Tσ為低溫修正系數(shù)，當(dāng)高于0 ℃為1；x為放電深度，取值為0.9。計(jì)算得電池容量為

Q（A·h）=1.1×30.2×3×10.9=110.7

選取電池容量為120 A·h、電壓72 V的蓄電池作為微耕機(jī)供電電池，蓄電池重量約為40 kg。

3 三維模型構(gòu)建

3.1 變速箱設(shè)計(jì) 如圖7所示，變速器組件主要包括保護(hù)殼、軸、軸承、齒輪等零件，完成零件繪制以后，通過面面重合、同心、平行、固定、垂直等多種方式進(jìn)行模擬裝配，整體變速箱設(shè)計(jì)為倒“V”型，滿足行走和作業(yè)動(dòng)力需求及空間布置。

3.2 旋耕刀組件設(shè)計(jì) 旋耕刀組件主要包括旋耕刀、六方軸等零件，其中螺栓為標(biāo)準(zhǔn)件，傳動(dòng)軸為非標(biāo)準(zhǔn)組件，需要根據(jù)實(shí)際安裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)旋耕刀、軸等零件進(jìn)行模擬裝配，如圖8所示。

3.3 整機(jī)模型建立 完成電機(jī)、電池、機(jī)架、輪胎等配件模型建立，進(jìn)行整體裝配，整機(jī)模型如圖9所示，在作業(yè)刀軸上方加裝擋泥板，有效防止作業(yè)時(shí)泥土甩出，電池安裝在作業(yè)部件上方，一方面可以增加重量，在旋耕作業(yè)時(shí)方便刀具入土；另一方面可以方便充電時(shí)拆卸更換。

4 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)微耕機(jī)抖動(dòng)大、噪音大、行走不方便以及保護(hù)措施欠缺等問題，設(shè)計(jì)了一種小型電動(dòng)微耕機(jī)，通過計(jì)算，對(duì)微耕機(jī)的電機(jī)功率進(jìn)行了確定，按照作業(yè)工況，對(duì)微耕機(jī)的變速箱、傳動(dòng)比以及齒輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵零部件

進(jìn)行了校核，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。按照實(shí)際工作狀況，對(duì)電池容量進(jìn)行估算選型，最終建立整機(jī)的三維模型。相比傳統(tǒng)的汽油動(dòng)力和柴油動(dòng)力，電動(dòng)式微耕機(jī)在茶園、大棚種植等方面優(yōu)勢(shì)更加明顯，除了無污染，還有振動(dòng)小、轉(zhuǎn)速可調(diào)性等優(yōu)勢(shì)，因而具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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