商高高，黃 超

SHANG Gao-gao，HUANG Chao

(江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 212013)

0 引言

傳統(tǒng)農(nóng)用機(jī)械都是使用柴油和汽油作為動(dòng)力燃料，因此，尾氣污染是一個(gè)不可避免的問(wèn)題，在空間狹小的溫室蔬菜大棚，尾氣不僅影響人的健康，而且污染農(nóng)作物。同時(shí)，輪式機(jī)械在潮濕松軟的土壤上運(yùn)行時(shí)容易打滑，影響了牽引性能和駕駛的安全性。而以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的履帶式作業(yè)機(jī)組，既能夠?qū)崿F(xiàn)工作過(guò)程中的零污染，又由于履帶接地面積大，接地比壓小，跨溝能力強(qiáng)，使履帶式車(chē)輛的牽引性能更加優(yōu)越。因此，設(shè)計(jì)一種適合設(shè)施大棚的電動(dòng)履帶式作業(yè)機(jī)組非常有意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)履帶式車(chē)輛和農(nóng)用電動(dòng)機(jī)械的研究很廣泛，對(duì)履帶式車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)的驅(qū)動(dòng)力和功率進(jìn)行了研究[1～3]，對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的傳動(dòng)系提出了一些設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)力與傳動(dòng)效率試驗(yàn)[4～7]。但是對(duì)于電動(dòng)履帶式農(nóng)用機(jī)械的研究很少。本文提出了一種電動(dòng)履帶式設(shè)施大棚作業(yè)機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)方案，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件進(jìn)行了選型和參數(shù)匹配，通過(guò)Cruise進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)履帶式作業(yè)機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)不僅要滿(mǎn)足車(chē)輛的行走，而且要能夠提供足夠的功率帶動(dòng)農(nóng)機(jī)具工作，設(shè)計(jì)方案如圖1所示，由電池組、履帶、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱、提升電機(jī)、提升裝置等組成。電機(jī)控制器由電池組供電，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。電池組同時(shí)給提升電機(jī)供電，控制農(nóng)具的升降。電機(jī)動(dòng)力一部分通過(guò)變速器傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上驅(qū)動(dòng)履帶運(yùn)行，一部分通過(guò)分動(dòng)器驅(qū)動(dòng)動(dòng)力輸出軸，通過(guò)調(diào)節(jié)懸掛裝置檔位控制動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)速。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2 不同模式下的行駛阻力計(jì)算模型

電動(dòng)履帶式作業(yè)機(jī)組普遍工作在平坦的農(nóng)田或者蔬菜大棚，行駛速度低（通常小于10km/h），可以忽略加速性能、爬坡性能以及空氣阻力。

2.1 運(yùn)輸工作模式

履帶式車(chē)輛的行走系一般由驅(qū)動(dòng)輪、支重輪、張緊輪、托帶輪和履帶組成，如圖2所示。履帶式作業(yè)機(jī)組在行走過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)履帶從后方卷起向前鋪設(shè)，接地部分的履帶給地面一個(gè)向后的作用力，使得地面給履帶一個(gè)向前的反作用力，驅(qū)動(dòng)履帶式車(chē)輛向前行駛。

圖2 履帶式車(chē)輛行走系簡(jiǎn)圖

運(yùn)輸模式下，履帶式作業(yè)機(jī)組的能量消耗主要來(lái)自正常行駛時(shí)的行走阻力，包括內(nèi)部阻力和外部阻力兩部分。內(nèi)部阻力主要來(lái)自支重輪和張緊輪與履帶的滾動(dòng)摩擦，驅(qū)動(dòng)輪與履帶齒嚙合時(shí)的摩擦等，一般取內(nèi)摩擦阻力系數(shù) f1為0.05～0.07[8]。外部阻力主要是履帶與路面的滾動(dòng)阻力，由車(chē)輛的重力和外部滾動(dòng)阻力系數(shù)f2表示。則履帶式車(chē)輛的行駛阻力為：

式中，G為作業(yè)機(jī)組的重力。

2.2 犁耕作業(yè)工作模式

履帶式作業(yè)機(jī)組犁耕作業(yè)時(shí)，行駛阻力由兩部分構(gòu)成，一部分是農(nóng)具在正常工作條件下所受到的平均阻力，另一部分是機(jī)組正常行走時(shí)履帶克服的行走阻力。

農(nóng)具在正常工作條件下所受的平均阻力為[9]：

式中，z為犁鏵數(shù)；b1為單犁鏵寬度；hk為耕深；k為土壤比阻。

考慮到因工作條件和農(nóng)具的變化所引起的阻力變化，一般應(yīng)該留有一定的儲(chǔ)備牽引能力。由式（1）、式（2）得犁耕作業(yè)時(shí)作業(yè)機(jī)組行駛阻力為：

式中，a為儲(chǔ)備能力系數(shù)，一般為1.1～1.2。

2.3 旋耕作業(yè)工作模式

旋耕模式下，旋耕機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向通常與驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向一致，土壤對(duì)刀輥的反作用力有助于推動(dòng)機(jī)組前進(jìn)，所以旋耕作業(yè)時(shí)無(wú)需考慮旋耕受到的阻力，作業(yè)機(jī)組所消耗的功率由兩部分構(gòu)成，一部分是機(jī)組正常行走時(shí)履帶克服的行走阻力功率，另一部分是機(jī)組動(dòng)力輸出軸輸出的功率。動(dòng)力輸出軸輸出的功率與土壤狀況、放耕深度以及轉(zhuǎn)速有關(guān)。

3 傳動(dòng)系主要部件選型和參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)

電機(jī)的選擇必須滿(mǎn)足履帶式作業(yè)機(jī)組對(duì)電機(jī)性能的要求：效率高，出力大，低頻轉(zhuǎn)矩大，高速性能好，尺寸小，質(zhì)量輕，免維護(hù)等[10]。通過(guò)對(duì)比不同類(lèi)型的電機(jī)，選擇永磁無(wú)刷直流電機(jī)。

運(yùn)輸工作模式下，沒(méi)有農(nóng)具的牽引和額外的動(dòng)力輸出，由公式（1）得電機(jī)功率為：

式中，V1為運(yùn)輸模式下的車(chē)速；ηtran為電機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)效率；ηm為電機(jī)效率。

犁耕作業(yè)時(shí)，由公式（3）得電機(jī)功率為：

式中，V2為犁耕工作模式下的車(chē)速。

旋耕作業(yè)時(shí)，作業(yè)機(jī)組的功率消耗由履帶克服的行走阻力功率和動(dòng)力輸出軸輸出功率兩部分構(gòu)成。我們由功率守恒得到，電機(jī)功率為：

所以電機(jī)額定功率取上述模式中的最大值，即Pmot=max(Pmot1，Pmot 2，Pmot 3)。

3.2 電池

作業(yè)機(jī)組的蓄電池必須具有比能量高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，安全性能好，自放電小，可快速充放電，工作溫度范圍高等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)選擇鋰離子電池。

由額定作業(yè)時(shí)間確定電池?cái)?shù)，鋰電池能量表示為：

式中，W為電池總能量；n為電池單體個(gè)數(shù)；u為電池單體電壓；C為電池容量；D為電池放電深度。

電池提供的能量必需滿(mǎn)足電機(jī)消耗的能量，則：

式中，t為續(xù)駛時(shí)間；ηmc為電機(jī)控制器效率。

3.3 傳動(dòng)比

電動(dòng)履帶式作業(yè)機(jī)組在犁耕、旋耕工作模式下的速度較低，在運(yùn)輸模式下的速度較高。因此，傳動(dòng)比根據(jù)作業(yè)機(jī)組不同工作模式的車(chē)速計(jì)算。履帶式車(chē)輛與輪式車(chē)輛的傳動(dòng)比計(jì)算方法相同。

式中，ig為變速箱傳動(dòng)比；nm為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速；Rq為驅(qū)動(dòng)輪半徑；vk為各種模式下的車(chē)速。

4 計(jì)算實(shí)例

作業(yè)機(jī)組的部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 作業(yè)機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

通過(guò)調(diào)研電池生產(chǎn)廠家，記錄電池的尺寸重量，考慮到電動(dòng)機(jī)組的工作條件、整機(jī)布置等因素，鋰離子電池的單體電壓為3.2V，確定電池組電壓等級(jí)為U0=3.2V×30=96V。

通過(guò)不同工作模式下電機(jī)功率的分析計(jì)算，電機(jī)功率范圍為4.39～7.33kW，以電機(jī)額定功率行駛3小時(shí)計(jì)算，由式（8）得所需容量C為155.5～259.7Ah，綜合考慮作業(yè)機(jī)組的實(shí)際作業(yè)速度，作業(yè)模式以及電池的尺寸重量和價(jià)格，選擇磷酸鐵鋰電池容量為180Ah，30個(gè)串聯(lián)。

根據(jù)作業(yè)機(jī)組實(shí)際速度的需求，變速箱檔位設(shè)計(jì)2檔，由公式（9）計(jì)算得出各檔傳動(dòng)比如表2所示。

表2 各檔傳動(dòng)比

5 Cruise仿真分析

Cruise軟件可以對(duì)純電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力性進(jìn)行仿真，根據(jù)作業(yè)機(jī)組在不同工作模式下的行駛阻力特點(diǎn)，對(duì)一次充電作業(yè)時(shí)間進(jìn)行仿真。

圖3為行駛阻力不變時(shí)，通過(guò)多次仿真得到的車(chē)速和一次充電運(yùn)行時(shí)間的擬合曲線(xiàn)。結(jié)果表明：運(yùn)輸模式下，以5km/h作業(yè)時(shí)間為5.26h，最高車(chē)速為11.7km/h；旋耕模式下，以3km/h機(jī)作業(yè)時(shí)間為3.09h，最高車(chē)速為5.1km/h；犁耕模式下，以3km/h作業(yè)時(shí)間為3.64h，最高車(chē)速為5.8km/h，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖3 速度和時(shí)間的關(guān)系

圖4為車(chē)速不變時(shí)，通過(guò)多次仿真得到的行駛阻力和一次充電運(yùn)行時(shí)間的擬合曲線(xiàn)。結(jié)果表明：在相同阻力下，旋耕和犁耕模式以3km/h作業(yè)的時(shí)間較長(zhǎng)；在行駛阻力超過(guò)4500N時(shí)，運(yùn)輸模式下的行駛速度小于5km/h，此時(shí)為旋耕或犁耕模式。

圖4 行駛阻力和時(shí)間的關(guān)系

6 結(jié)論

圖7 數(shù)據(jù)傳輸模塊流程圖

提出了一種以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的履帶式設(shè)據(jù)的讀取，滿(mǎn)足了多種通信方式的需求，具有極強(qiáng)的靈活性、可靠性、方便性，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和推廣價(jià)值。

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