摘 要：針對當前手扶式管護機具勞動強度大，勞動力老齡化及短缺的情況，同時避免管護機具尾氣排放對茶葉的影響，設計了一種山地茶園多功能電動動力底盤，整機的寬度為69 cm，設計配套動力輸出電機為2.2 kW，目前可以實現(xiàn)開溝、除草、旋耕作業(yè)模塊快速更換，初步實現(xiàn)一機多用的目的。使用SolidWorks Simulation對機具的傳動齒輪進行受力仿真分析，仿真結果表明設計強度滿足要求。遙控控制作業(yè)大幅減輕勞動作業(yè)強度，新能源動力實現(xiàn)了尾氣零排放，對提升茶葉品質具有重要意義。該裝置市場前景廣闊，具備良好的應用推廣基礎。

關鍵詞：電動底盤；茶園機械化；丘陵山地；多功能底盤

0 引言

中國是茶葉的發(fā)源地，也是全球主要產茶區(qū)。自 1990—2020年間，中國茶葉收獲面積一直位居世界第一，產量從2005—2020年也是位居世界第一［1］。中國茶葉單產較世界平均水平而言要低［2］，主要是國外在茶園管護機械化、采摘和加工技術方面進行了規(guī)范管理，為茶葉的發(fā)展提供了更優(yōu)越的平臺［3］。中國茶園多建在丘陵山區(qū)，受地形地貌、種植模式以及采茶和飲茶習慣等因素影響，茶園管護的機械化和現(xiàn)代化水平難以大幅度提升［4-6］。宋志禹等［7-10］針對丘陵山區(qū)茶園，在管護機械輕簡化和智能化方面做了重點技術攻關，讓茶園管理從“無機可用”向“有機可用”的方式轉變，但是茶園管護的機械化率依舊不足30%。綜合現(xiàn)有茶園管護機具，從作業(yè)的方式來分：一種是單行行走管護機具，有手扶式、自走式和遙控式等，如四川省農業(yè)機械研究設計院研制的一種手扶式茶園除草機［11］，農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所研制的KM3CG-30型小型茶園耕作機［12］，福建農林大學設計的丘陵山區(qū)茶園作業(yè)的開溝施肥覆土一體機［13］，安徽農業(yè)大學設計的小型自走式茶園除草機等［14］；另一種是跨行行走的管護機具，多用于修剪、采茶等作業(yè)，如農業(yè)農村部南京農業(yè)機械化研究所研制的高地隙自走式多功能茶園管理機［15］，浙江工業(yè)大學研制的乘用式智能采茶機［16］，西南大學研制設計的丘陵山區(qū)茶園管理機移動平臺等［17］。高地隙自走式管護機械，在國外應用較多，適用于平坡茶園，而在國內以丘陵山地為主的茶園，適應性較差。

貴州省種植茶葉歷史悠久，目前發(fā)現(xiàn)最早的茶籽化石就在貴州省晴隆縣。通過10多年的大力發(fā)展，貴州省茶園常年采收面積在466 669 hm2以上，面積居全國第一，但全省只有不到5%的茶園是在6°以下的耕地種植，機械化管護和采收面臨很大的問題，造成夏秋茶下樹率低、茶葉資源浪費等問題［18］。目前，貴州茶園管護機具以手扶式、小型化為主，跨行乘坐式難以應用；同時，油動管護機具的尾氣對茶葉品質會產生一定的影響，如鄭茂鐘等［19］通過試驗對比，發(fā)現(xiàn)茶園無行道樹和有行道樹的2個區(qū)域茶葉中重金屬含量區(qū)別明顯，吳永剛等［20］研究表明國道旁汽車尾氣排放的鉛，對茶樹污染影響范圍可達60 m左右。

針對當前手扶式油動管護機具勞動強度大，且勞動力老齡化及短缺的現(xiàn)實，同時避免油動管護機具尾氣排放對茶葉的影響，設計了一種山地茶園多功能電動動力底盤，通過動力底盤掛接不同的作業(yè)機具，構建“電動動力底盤+作業(yè)模塊”的作業(yè)模式。

1 結構方案與工作原理

1.1 整體結構的設計

山地茶園多功能電動動力底盤主要由保護殼、控制面板、防護擋板、行走履帶及作業(yè)部件等部件組成，如圖1所示。

行走履帶由4個小型三角履帶構成，增加機具的行走穩(wěn)定性、爬坡性能和復雜地形的通過性。除此之外，機具內部還有控制器、信號接收器、電機、傳動系統(tǒng)、動力電池等零部件。機具可以通過手持遙控器來操縱，手持遙控器與機具內部的信號接收器負責下達與上傳信號，通過控制器發(fā)出相應的作業(yè)指令，對應的作業(yè)部件完成相應的指令，達到遙控器控制整個動力底盤的功能。作業(yè)部件可以是開溝、旋耕、除草等部件，作業(yè)時只需要更換相應的作業(yè)部件，即可完成相關作業(yè)功能要求，在后續(xù)的開發(fā)過程中，還可以增加植保、修剪、施肥等作業(yè)模塊。真正達到“一機多用，遙控控制，綠色環(huán)?！钡囊螅饶芄?jié)省勞動力，又可以防止尾氣對茶葉的污染。

1.2 工作原理

山地茶園多功能電動動力底盤為純電動設計，同側的2個三角履帶通過鏈傳動連接，由電機驅動同步運動，前進或后退時，兩側履帶同步運動，轉向時單側履帶運動完成轉向。工作時，后側電液缸控制作業(yè)模塊升降，動力電機驅動作業(yè)模塊運轉。

2 關鍵部件設計及優(yōu)化

2.1 傳動系統(tǒng)的設計

行走傳動系統(tǒng)如圖2所示。由圖2可知，機具行走由2個電機驅動，電機經過變速箱減速后傳動動力至前方履帶，同時通過鏈傳動同步驅動后方履帶。行進間轉向時單側履帶運動，原地掉頭時兩側履帶反向運動。

作業(yè)傳動系統(tǒng)如圖3所示。

由圖3可知，動力輸出電機經錐齒輪變速箱后將動力通過兩側鏈傳動傳遞至動力輸出接口，動力輸出接口與作業(yè)模塊進行連接，實現(xiàn)“1個動力平臺+N個作業(yè)模塊”的“1+N”模式。

2.2 輸出功率的計算

按照《農業(yè)機械設計手冊》［21］旋耕機的功率估算公式為

N=0.1Kλ×d×vm×B（1）

Kλ為修正系數，查詢手冊取值為9.98 N/cm2；d為旋耕機耕作深度，設計翻耕深度為12 cm；vm為作業(yè)機具前進速度，設計機具作業(yè)速度為0.15 m/s；B為旋耕機翻耕寬度，設計工作寬度為0.65 m。可計算出旋耕機功率N=1.17 kW。

依據圖3作業(yè)傳動系統(tǒng)設計，動力輸出電機經過一級錐齒輪傳動與一級鏈傳動，電機功率計算方式為

P=Nη齒η鏈（2）

η齒為錐齒輪傳動效率，取0.93；η鏈為鏈傳動效率，取0.95；則計算電機功率P=1.32 kW，考慮沖擊載荷等情況，選取電機功率為2.2 kW。

2.3 傳動齒輪的設計與校核

扭矩計算公式為

T=9 550P/n（3）

P為動力輸出電機功率，2.2 kW；n為電機轉速，為600 r/min；則計算傳動扭矩T=35 N·m。

設計旋耕機轉速為260 r/min左右，因為要求錐齒輪的傳動比i＞2，所以選取傳動比為i=2.3，則可估取齒輪模數m=3。

計算得出：Z1=20，Z2=46，齒寬b=30 mm，由于齒輪在工作時是逐齒進行嚙合，在強度校核時只需要對單齒的強度進行校核［22］，齒輪材料選取40Cr，齒輪加工進行調質處理后，最大許用強度為σHlim=785 MPa。使用SolidWorks Simulation進行仿真分析，結果如圖4所示。由圖4可知，小齒輪的最大應力為σ小=227 MPa，大齒輪的最大應力為σ大=518 MPa，所以齒輪設計強度滿足載荷要求。

3 控制系統(tǒng)的設計

3.1 控制系統(tǒng)總體方案

山地茶園多功能電動動力底盤采用無線遙控的方式進行控制，其系統(tǒng)主要包括主控模塊、收/發(fā)控制模塊、電機驅動模塊（直流行走電機驅動、三相異步電機驅動）。主控電路采用MSP430單片機，數據處理量更加穩(wěn)定。而遙控電路的數據處理量相對較小，信號控制采用STC12單片機。作業(yè)模塊包括行走電機和PTO輸出電機，其中，PTO輸出電機功率大，需采用三相異步電機，因此，PTO輸出電機驅動模塊需要配合SPWM逆變電路實現(xiàn)。電動履帶式茶園多功能管理機控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

3.2 硬件電路設計

硬件電路主要包括：主控模塊、無線收/發(fā)模塊、工作電機驅動模塊（三相異步電機）、行走電機驅動模塊四部分核心模塊，其中，行走電機采用AQMD3620NS-A2直流電機驅動器驅動，對無線收/發(fā)模塊、工作電機驅動模塊進行設計分析如下。

設計無線收發(fā)控制主要是控制作業(yè)過程中狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)控制，PT2262 發(fā)出的編碼信號由地址碼、數據碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272 接收到信號后，其地址碼經過2次比較核對后，VT 腳輸出高電平，與此同時相應的數據腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直發(fā)送，編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射。當發(fā)射機沒有數據發(fā)送時，PT2262 不接通電源，其17 腳為低電平，所以315 MHz 的高頻發(fā)射電路不工作，當有數據發(fā)送時，PT2262 得電工作，其第17 腳輸出經調制的串行數據信號，當17 腳為高電平期間315 MHz 的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號，當17腳為低平期間315 MHz 的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全受控于PT2262的17腳輸出的數字。選擇成品遙控器及接收端進行控制。

工作輸出電機的驅動為三相異步電機，而整機采用直流供電，所以本課題需要采用三相逆變電路，如圖6所示。其工作原理：全橋的6個橋臂Q1、Q2為一組，Q3、Q4為一組，Q5、Q6為一組，分別對象U、V、W三相段子，相位相差60°的3路SPWM波分別加載到3組橋臂上。輸出采用LC電源濾波，將一系列的脈沖轉換成三相交流電壓。然后通過變壓器，實現(xiàn)三相異步電機的驅動電機逆變。本文為了簡化設計，采用HT3117逆變控制芯片為電路控制核心，橋臂采用IRFP2907場效應管，驅動芯片采用IR2110S。

3.3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)程序主要包括基本控制程序和遙控程序，其中遙控程序包括發(fā)射控制程序、接收處理程序等組成。控制流程如圖7所示，工作時，搖桿電位器具有8個方向，分別為左、右、前、后、左前、左后、右前、右后。通過比較器對輸出電壓信號進行比較，確定輸出控制方向，與接收端通信，實現(xiàn)控制。

4 應用前景

茶產業(yè)是貴州省十二大農業(yè)特色產業(yè)之一，以466 669 hm2面積計算，超過440 002 hm2茶園種植在緩坡和陡坡丘陵地帶，茶園管護機械化水平還有很大的提升空間。按照當前全國茶園管護平均機械化率不足30%計算，貴州省有333 335 hm2左右茶園還需要解決機械化管護問題。

以山地茶園多功能電動動力底盤為基礎，配套相應的作業(yè)模塊，可以實現(xiàn)一機多用，節(jié)約機具采購成本。遙控控制作業(yè)大幅減輕勞動作業(yè)強度，新能源動力實現(xiàn)了尾氣零排放，對減少茶葉中有害物質殘留，提升茶葉品質具有重要意義，可以極大地促進貴州“干凈茶”產業(yè)的發(fā)展，市場前景廣闊，具備良好的應用推廣基礎。

5 結語

山地茶園多功能電動動力底盤具有結構簡單緊湊的特點，是適宜丘陵山地作業(yè)的履帶式行走機構。純電動驅動能夠減少油動尾氣對茶園的污染，多種作業(yè)部件模塊化設計，方便快捷更換，具備一機多用的功能，減少使用者在機具方面的投入，電動遙控式設計能減小人工操作機具的勞動強度。該機具目前能夠實現(xiàn)旋耕、除草和開溝模塊的快速更換，在后續(xù)開發(fā)過程中，將繼續(xù)圍繞多功能動力底盤，設計植保、施肥、修剪等作業(yè)模塊，不斷拓展機具應用場景，提升機具整體使用價值，構建“電動動力底盤+作業(yè)模塊”的作業(yè)模式，解決當前山地丘陵茶園管護勞動力短缺問題，同時為貴州打造“干凈茶園”，構建“干凈黔茶”體系奠定機械化基礎。

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