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新型环保电动微型旋耕机的设计与研究

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第3O卷第1期 盐城工学院学报(自然科学版) Vol|30 No.1 2017年03月 Journal of Yancheng Institute of Technology(Natural Science Edition) Mar.2017 doi:10.16018/j.cnki.cn32—1650/n.201701002 新型环保电动微型旋耕机的设计与研究 李 亮,陆 聪,戴明露,赵 薇 (盐城工学院机械优集学院,江苏盐城224005) 摘要:针对温室大棚、果园、茶园等设施农业的特点,在传统旋耕机的基础上,以锂电池+直流电 机代替汽油机驱动,增设变速箱、差速装置、离合器等机构,优化旋耕刀具排列,组成新型环保电 动微型旋耕机。旋耕机电机功率1.5 kW,耕幅O.48 m,旋耕速度60—360 r/min,旋耕深度0~ 12 em,旋耕前进速度0.2~0.6 m/s,一档一次充电可满载连续工作6 h,耕地0.173 hm ;二档一 次充电可满载连续工作1.5 h,耕地0.156 hm 。该旋耕机具有节能环保、方便灵活、噪声低、旋 耕效率高、安全可靠、成本低等优点,显著降低了农耕工作强度和操作难度,应用前景广阔。 关键词:旋耕机;电动;环保;微型 中图分类号:¥222.3 文献标识码:A 文章编号:1671—5322(2017)01—0009—05 设施农业是在环境相对可控条件下,采用工 节能环保、方便灵活、耕作成本低等特点,适合当 程技术手段,进行动植物高效生产的一种现代农 今设施农业发展的需求。 业…。设施农业是现代农业发展的必然趋势和 发展方向,是传统农业产业升级的基础。经过20 l旋耕机设计 多年的快速发展,我国设施农业取得了巨大的进 1.1工作原理与总体布局 展,到2014年,以生产蔬菜为主体的温室、大棚等 旋耕机动力源采用锂电池组驱动的直流无刷 设施农业面积已发展到450多万公顷,总面积达 电动机,通过带传动与齿轮变速箱连接,驱动旋 世界第一。 耕机前进的同时,通过传动机构带动旋耕刀具旋 然而随着农业经济作物种植规模不断扩大和 转,实现旋耕、除草等功能。其工作原理如图1 农业棚室技术的进一步推广,与设施农业的快速 所示。 发展相比,我国设施农业的机械化作业水平较低。 新型环保电动旋耕机的整机布局如图2所 目前国内的传统旋耕机自重偏重、外型尺寸大,在 示,主要参数如表1所示。机器工作时,由电机提 棚室及果园内转向、窄田埂上转移较困难,边角地 供动力,通过带传动传递给齿轮箱,最终传递到旋 带无法作业、漏耕多;即使有的机型选用轻型内燃 耕刀组。齿轮箱包括5根轴15个齿轮,可以实现 机配套使自重减轻,但是动力价格昂贵、成本高, 4个档位、2个变速;通过调速旋钮还可以对每个 农民也难以接受;国外进口产品,不仅成本高,性 档位的转速进行微调,以适应不同土壤的需求。 能与国内农业设施也不匹配,实际推广十分困难。 此外,带传动张紧轮离合器不仅可以实现电 因此,开发一款适合大棚或者茶园使用的小型农 机的无负载启动,也起到过载保护作用;操作杆高 用机械迫在眉睫。 度调节装置和旋耕深度调节装置,可提高操作舒 本文所设计的环保电动微型旋耕机,以锂电 适性,实现旋耕深度直观化;旋耕刀可以更换为除 池+直流电机代替汽油机驱动,并增设变速箱、差 草轮或开沟器,进行除草开沟作业。 速装置、离合器等机构,优化旋耕刀具排列,具有 收稿日期:2016-06—13 基金项目:江苏省产学研前瞻陛联合研究项目(BY2016065—16) 作者简介:李亮(1981一),男,江苏盐城人,副教授,博士生,主要研究方向为农业自动化及深孔加工。 ・1O・ 盐城工学院学报(自然科学版) 第3O卷 动力系统 传动系统图1工作原理图 Fig.1 Working principle diagram 执行系统 环境及所需的转速转矩,选择合适转速转矩、功率 因数高的直流电机。作业时电动机的额定功率应 大于或等于旋耕作业所需要的功率口],即: P ≥K , (1) 式中:P 为电动机额定功率,kW;K为电动 机功率储备系数;Pf为旋耕作业所需功率,kw;叼 为电动旋耕机传动效率。 旋耕作业所需功率P 主要由旋耕刀所消耗 的功率确定。查《农业机械设计手册》E3],P 可由 1一车轮;2一机架;3一离合器;4一电机;5一电池; 6一控制机构;7一齿轮箱;8一旋耕刀;9一深度调节机构 图2整机布局 Fig.2 Overall arrangement 经验公式得: P = d B (2) 式中:d为耕深,取0.15 m; 为机组前进 速度,取0.2 m/s; 为耕幅,取0.46 m; 为旋耕 比阻,N/cm 。 的计算公式为 = Kl , 其中各参数的选取见表2[3]。 表2旋耕比阻 Table 2 Speciifc resistance of rotary tillage 表1 环保电动微型旋耕机相关参数 Table 1 Relevant parameters of the new environmental motor-driven micro rotary tiller 参 耕幅/m 数 数值 10o.56 0.48 1.5 0.6 作业能耗/(kJ・m ) 参 数 数值 l3~16(切土节距6—9 cm) l1~13(切土节距12—15 cm) 5—10(切土节距l8~21 cm) 额定输出功, ̄/kW 最大前进速度/(m・s ) 旋耕作业时前进速度范围/m・S ) 旋耕刀具最大转速/(r・min ) 旋耕深度调节范围/cm 一0.2~0.6 360 0~0.12 耕深修正 0.8~1.0(耕深12 cm) 系数 1.0—1.2(耕深18 cm) 0.95(土壤含水率30%) 次充电连续最长工作时间/h 次充电可耕地的面积/m 6 1 733.3 10 修土壤含水率 修正系数 残茬植被 一0.92(土壤含水率40%) 1.0~1.2(稻茬) 0.8~1.0(绿肥) 充满电所需时间/h 外形尺寸(含扶手长度)/mm 整机重量/kg 1 160×545×1 048 60 修正系数 作业方式 修正系数 0.66—0.71(旱耕后旋耕) 整机成本/元 3 5oo 6×10一 每平方米花费/元 0.66—0.73(灌水后旋耕) 0.3—0.5(水耕后旋耕) 1.2动力系统设计 因此,由表2可知,当K 取11 N/cm 、K。取 1.0、 取0.95、K3取1.O、 取0.71时,K^: K1 =11×1.0×0.95×1.0×0.71=7.42 电动机参数主要包括电动机类型、额定功率 和额定转速等。针对电动微型旋耕机的特殊作业 第1期 李亮,等:新型环保电动微型旋耕机的设计与研究 N/cm ,代人(2)式可得P =1.02 kW。考虑到电 动微型旋耕机复杂的耕作环境,取电动机功率储 备系数K=1.2;传动系主要采用齿轮传动,取传 动效率叼 =O.95,代人(1)式得: PPN _L .1.2× -1_29 kw(3) 钉 叼U. 3 扭矩计算公式: Tm m= 9 550 × : = 9 550 × := l"lmax I/'mi“ 9 550×1.29× × 14× 20× 11 60 12.34 N・m 查《机械设计手册》 ],选择满足该要求的直 流电机,型号为OKD80.302.0一B5。结合直流电机 电压、电流及转矩的相关特性,确定其额定功能为 1.5 kW、额定转速为1 500 r/min、额定电压为48 V,扭矩1O N・m,满足设计要求。 1.3传动系统设计 旋耕刀具要求低转速大扭矩,且耕作时须有 过载保护。根据以上要求,从动力源至执行端,依 次设计带传动、齿轮传动以及差速装置。 1.3.1带传动张紧轮离合器 如图3所示,带传动张紧轮离合器通过带有 张紧轮的带轮传动实现离合功能、通过拉线实现 张紧轮工作位置的调节。当张紧轮处于松弛状态 (图3实线位置)时,电机带动小带轮旋转,皮带 处于空套状态;张紧轮处于工作状态(图3虚线 位置)时,小带轮带动大带轮,实现动力传递。该 传动方式优点是:通过带传动,既实现了动力传 输,又实现旋耕机构与动力源之间的离合控制,优 化了结构尺寸,避免了电机的负载启动。 8 7 2 3 4 1一主动轮;2一张紧轮;3~支架;4一从动轮;5一杠杆; 6一皮带;7一离合拉线;8一离合把手 图3带传动张紧轮离合器示意图 Fig.3 Sketch map of belt drive tensioner clutch 1.3.2齿轮变速机构 因旋耕机电机额定功率1.5 kW、额定转速 1 500 r/min、扭矩10 N・in,齿轮箱须实现以下 功能: (1)为达到耕种效果,旋刀转速须为60~400 r/min,旋耕时扭矩在20~60 N・in之间波动,所 以旋刀扭矩必须大于60 N・in。 (2)耕作的工序可以分为粗耕和精耕。粗耕 或开垦土地时所需扭矩大;精耕时所需扭矩小,需 要刀具有较高的转速将泥土打碎。所以在设计齿 轮箱时需设计2种工作档位,以保证车轮行走速 度、旋刀转速及扭矩。不同耕作工序旋耕机行走 速度及旋刀速度如表3所示。 (3)为了防止误操作,齿轮箱设计上下2行 操作档位。上侧档位用于切换行走速度,下侧档 位用于切换旋刀运转,既安全可靠,又避免旋刀空 转,导致能量损耗。 表3不同耕作工序旋耕机行走速度及旋刀速度 Table 3 Travel speed and rotary blade speed under different tillage procedure 齿轮变速机构传动简图如图4所示,电动机 输出的动力经过带轮一级减速,动力由动力输入 轴(Ⅲ轴)分为2路,经过齿轮减速分别输出到车 轮轴(I轴)和链轮轴(V轴)。图中罗马数字I、 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V分别表示齿轮箱的5根传动轴,数字 表示齿轮齿数。 件 I车轮轴、Ⅱ换向轴、Ⅲ动力输入轴、 Ⅳ花键轴、V链轮轴 图4传动简图 Fig.4 Transmission diagram 盐城 l:学院学报(自然科学版) 第30卷 1.3.3差速装置 针对大棚空间狭小的特点,结合汽车后轴的 差速原理,旋耕机减速箱部分配备了差速装置。 通过差速装置,操作者可以轻松自如地让旋耕机 薹T ., ,, , ,  、 、 .、 、 、 ~ , ,。 、. 、 .在田问完成转弯掉头作业,大大减轻了人力劳作, 非常适用于梯田、小块地等难耕地的旋耕作业。 差速装置如图5、 6所示,由行星轮架10、 , , , 、 ‘、 、 ,。 .半轴齿轮1l、动力输入轴1、动力输f{J齿轮3、拨 , 又5组成。拉动差速手柄,拨叉杆左移,拨叉拨动 动力输入齿轮,使之与离合街轮啮合,发动机的动 力经传动轴上的输入齿轮进入差速装置,直接驱 动行星轮架,再F}1行星轮带动左、右2条半轴,分 别耳Ⅸ动左、右车轮。其特点在于结构精巧、方便省 力、差速切换迅速。 柄9 r平轴齿 。。o。。 搠姗姗 动力输 出轴4 离合齿轮2动力输出齿轮3 图5差速装置原理图 Fig.5 Schematic diagram of diferential device 图6差速装置三维图 Fig.6 3D-drawing of diferential device 1.4旋耕刀具排列设计 旋耕机刀片合理排列,有利于耕作质量的提 高、降低功率消耗、节省能源,使整机受力平衡,刀 片磨损均匀,减少振动与冲击,从而提高旋耕机传 动件的使用寿命。因此刀片的合理排列成为旋耕 机设计的关键环节 j。综合全同各地土壤的含 水量分布情况,选用旋耕刀具、设计刀具排列如网 7所示,其j维装配图见图8。 图8 旋耕刀轴三维装配图 Fig.8 3 D・assembly drawing of rotary blades 旋耕刀耕幅48 cm,左右弯刀各6把。刀片 安装在刀盘 ,两端4个刀盘各同定1把刀片,rf1 问4个刀盘的每个刀盘分别固定2把刀片;每个 切削区内配置2把刀片.单刀切削宽度4 cm,恰好 与相邻切削面的问距4 cm相等。刀片按“人”字 形,以刀辊中问为起点向两端按左右旋2组螺旋 线、每格30度均分的方式排列。刀片沿圆周方r口】 隔2格,基本左右交错等分入土,间隔均匀(只有一 次同向刀片相继入土,占刀片总数8.3%)。 如此排列的优点在于:(1)刀片基本为左右 交错入土,同向刀片相继入土的几率小,产生大振 动的次数少,横向平衡好,优于国内旧系列旋耕 机;(2)切土比大部分为l:1,只有极少数切削 的切土比不等,故刀片的磨损均匀,碎土的均匀性 也较好;(3)人字形刀片排列方式(尤其是微型旋 耕机),对整机偏转力矩小,保证直线行驶、操作 方便。 2经济性对比 与相同功率的汽油旋耕机或者柴油旋耕机相 比较,微型电动旋耕机耕作成本大大减少,具体见 表4。 第1期 李亮,等:新型环保电动微型旋耕机的设计与研究 表4节能创新性对比 Table 4 Comparison of Energy Saving Property 3 结论 针对当前国内外旋耕机械在复杂地域环境使 用过程中暴露出的一些问题,如:不同工况的适应 类型的柴油或汽油旋耕机,具有零污染、低能耗、 低噪声等特点。 (2)通过齿轮箱的变速与旋耕深度及速度的 合理调节,可实现黑钙土、沙土等多种工况的正常 作业;通过刀具的更换,可实现耕地、除草等多种 形式的作业。 (3)结构简单、使用方便,符合农业智能化发 展的需求,体现了现代“绿色低碳”的生产生活理 念,具有极其广阔的应用前景。 性较差、能耗高、废气污染多及噪音大等问题,研 发出一款环保电动微型旋耕机。通过实验室和温 室大棚内测试,结果如下: (1)通过锂电池+直流电机驱动的动力输 出,新型旋耕机在耕作效率及经济性方面优于同 参考文献: [1]王志成.我国微耕机现状及发展趋势[J].农机市场,2015(4):29-30. [2]高辉松,朱思洪,史俊龙,等.温室大棚用电动微耕机研制[J].机械设计,2012,29(11):83-87. [3]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[M].北京:中国农业科学技术出版社,2007. [4]闻邦椿.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2010. [5]毕晓伟.影响旋耕机作业质量和功耗的主要因素[J].农业机械,2009(2):109-110. The Design and Research of New Environmental Motor-driven Micro Rotary Tiller LI Liang,LU Cong,DAI Minglu,ZHAO Wei (School of Mechanical Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng Jiangsu 224005,China) Abstract:According to the characteristics of greenhouse facilities such as greenhouse,orchard and tea garden,on the basis of the traditional rotary filler,the lihium batttery and DC motor is used instead of the gasoline engine,additional gearbox,differentil adevices,clutches and other institutions to optimize the rotation of cutting tools which are arranged to form a new type of envion—r mentllay friendly electric rotary tiler.Rotary motor power is 1.5kW.Working width is 0.48 m.Rotary speed is 60—360r/m. Rotary depth is 0~12 cm.Rotary forward velocity is 0.2~0.6 m/s.The fully loaded rotary tiller call work continuously for 6 hours On a single chargeinfirst gear,it can plough0.173 hectareland.Thefullyloadedrotarytiller canwork continuouslyfor1. 5 hours on a single charge in second gear,it can plough 0.156 hectare land.The rotary tiller has the advantages of energy saving nd enviraonmental protection,convenient and flexible,low noise,high efficiency of rotary tilge,safae and reliable,low cost, and it signiifcantly reduces the diiculfty of agricultural work and the diiculfty of operation.The application prospect is wide. Keywotds:ortary tiller;motor.dirven;environmentla;micro (责任编辑:李华云) 

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