設(shè)施栽培用小型電動(dòng)拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)及部件選配

1、設(shè)施栽培用小型電動(dòng)拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)及部件選配引言高效設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的顯著標(biāo)志， 是最有活力的農(nóng)業(yè)新產(chǎn)業(yè)。 近幾年， 我國(guó)設(shè)施栽培面積逐年增加。 2012年我國(guó)設(shè)施栽培面積為1.45Mhm2， 其中鋼架大棚占63.5%1。 我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)起步較晚， 機(jī)械化作業(yè)水平較低， 作業(yè)質(zhì)量也較差， 除耕整地大多采用機(jī)械化外， 施肥、 播種、 移栽等很多作業(yè)環(huán)節(jié)主要由人工完成。 由于我國(guó)目前溫室棚型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮機(jī)械作業(yè)裝備進(jìn)溫室的要求， 一些大中型自走式動(dòng)力拖拉機(jī)難以在溫室內(nèi)實(shí)施， 故而相應(yīng)的配套機(jī)具也難以在溫室內(nèi)發(fā)揮其效用， 直接制約著設(shè)施栽培產(chǎn)業(yè)的規(guī)模發(fā)展。 因此， 開發(fā)一種多功能小型化的高配套率溫室用

2、拖拉機(jī)顯得很有必要。1 電動(dòng)拖拉機(jī)現(xiàn)狀1.1國(guó)外現(xiàn)狀最早研究生產(chǎn)電動(dòng)拖拉機(jī)的是德國(guó)的西門子公司， 其在上世紀(jì)初就推出了36.8kW電驅(qū)動(dòng)乘坐式拖拉機(jī)， 采用電纜線供電方式， 配帶旋耕機(jī)具在田間作業(yè)。 但其工作效率受電纜長(zhǎng)度的限制， 并且還需配備升壓裝置2。 從上世紀(jì)70年代開始， 研制的電動(dòng)拖拉機(jī)都是選用電池電源或小型發(fā)電機(jī)組作為動(dòng)力源。 最早以電池組作為動(dòng)力的電動(dòng)拖拉機(jī)是由美國(guó)GeneralElectric公司 推出的Elec-Trak系列電動(dòng)拖拉機(jī)3， 功率從5.911kW不等， 主要用于草坪修剪作業(yè)。 直至上世紀(jì)90年代電力技術(shù)和電池技術(shù)有了很大的提高，電動(dòng)力拖拉機(jī)的研究得到了許多國(guó)家的

3、追捧。 美國(guó)Gorilla Vehicles 公司生產(chǎn)的 e-ATV 系列電動(dòng)拖拉機(jī) ，功率為4.8kW到6.2kW， 控制由智能控制器完成， 實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速4。 加拿 大Electric Tractor 公司 的ElectricOx系列電動(dòng)拖拉機(jī)采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的雙電機(jī)/齒輪箱機(jī)構(gòu)、 電子差速器等先進(jìn)設(shè)備， 具有制動(dòng)能量再生功能， 除實(shí)現(xiàn)割草功能外， 可直接掛接鏵式犁、 旋耕機(jī)、 掃雪機(jī)等。 2011年日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社推出適合園藝作業(yè)的小型電動(dòng)拖拉機(jī)5， 最大 功率約為9.5kW， 可進(jìn)行旋耕和除草作業(yè)。1.2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀2007年南京農(nóng)業(yè)大學(xué)高輝松博士等最早開始從事電池組為動(dòng)力的電動(dòng)拖拉機(jī)研究，

4、 提出了一套電動(dòng)拖拉機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)以及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法， 對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究6。 2012年西北農(nóng)林科技大學(xué)楊福增教授團(tuán)隊(duì)研制出了一種微型遙控電動(dòng)拖拉機(jī)7， 并進(jìn)行了整機(jī)試驗(yàn)， 對(duì)樣機(jī)在某一犁耕工況下各檔位的牽引效率也進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 2012年中國(guó)一拖集團(tuán)與美國(guó)通用公司正式簽訂電動(dòng)拖拉機(jī)項(xiàng)目合作協(xié)議， 共同推動(dòng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)拖拉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的突破， 擬開發(fā)用于大田作業(yè)用的電動(dòng)拖拉機(jī)原型機(jī)8。綜上所述國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)已開始少量的研究，但仍處于起步階段， 這些電動(dòng)拖拉機(jī)均是針對(duì)露地作業(yè)而設(shè)計(jì)， 針對(duì)設(shè)施栽培用的小型自走式電動(dòng)拖拉機(jī)方面的研究鮮有報(bào)道。2 設(shè)施栽培用小型電動(dòng)拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)及部件選配2.1整

5、機(jī)結(jié)構(gòu)針對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀， 結(jié)合溫室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所提出了一種溫室 (鋼架大棚)內(nèi)用小型履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)。 整機(jī)結(jié)構(gòu)布局示意圖如圖1所示， 主要包括動(dòng)力集成裝置、 轉(zhuǎn)向制動(dòng)裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、 履帶行走機(jī)構(gòu)、 提升裝置和座椅。 動(dòng)力集成裝置安裝在底架的前端， 主要包括能量管理控制器和鋰電池組； 轉(zhuǎn)向制動(dòng)裝置位于底架的中部， 主要包括左操縱桿、 右操縱桿、 制動(dòng)踏板和加速踏板； 傳動(dòng)系統(tǒng)包括牽引電機(jī)、 牽引電機(jī)控制器、 變速箱、 后驅(qū)動(dòng)橋和檔位操縱手柄； 履帶行走機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接在后驅(qū)動(dòng)橋的兩側(cè)； 提升裝置安裝在后驅(qū)動(dòng)橋的上方， 處于底架尾部。2.2工作原理整機(jī)工作原理如圖2所示，

6、 主要包括電氣控制部分和機(jī)械傳動(dòng)部分。 電氣控制部分負(fù)責(zé)整個(gè)電動(dòng)拖拉機(jī)的能量控制與分配； 機(jī)械傳動(dòng)部分負(fù)責(zé)動(dòng)力輸出。能量管理控制器連接鋰電池與牽引電機(jī)控制器、 提升電機(jī)控制器， 控制鋰電池的電能釋放。 牽引電機(jī)控制器通過(guò)對(duì)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制， 以達(dá)到對(duì)牽引電機(jī)動(dòng)力輸出大小的控制； 牽引電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過(guò)變速箱、 后驅(qū)動(dòng)橋， 最終將動(dòng)力傳遞給履帶行走機(jī)構(gòu)。 加速踏板和制動(dòng)踏板下的傳感器信號(hào)可傳遞給牽引電機(jī)控制器， 相應(yīng)地傳輸給能量管理控制器重新分配能量， 以實(shí)現(xiàn)加速和減速等動(dòng)作。 通過(guò)左操縱桿和右操縱桿的聯(lián)合控制可實(shí)現(xiàn)整個(gè)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)電動(dòng)拖拉機(jī)不進(jìn)行農(nóng)機(jī)具作業(yè)時(shí)， 能量管理控制器

7、將只釋放電能給牽引電機(jī)， 以滿足電動(dòng)拖拉機(jī)直行、 轉(zhuǎn)向等動(dòng)作所需的能量即可， 通過(guò)對(duì)檔位操縱手柄的調(diào)節(jié)， 可實(shí)現(xiàn)不同行走速度的控制。 當(dāng)農(nóng)機(jī)具耕整地作業(yè)時(shí)， 需要同時(shí)分配電能給牽引電機(jī)和提升電機(jī)， 牽引電機(jī)不但要提供自身行走動(dòng)力， 還要負(fù)責(zé)機(jī)具工作動(dòng)力； 提升電機(jī)負(fù)責(zé)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)的工作高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)耕深的智能無(wú)級(jí)調(diào)控， 可調(diào)節(jié)深度調(diào)節(jié)手柄來(lái)調(diào)整機(jī)具作業(yè)的深度， 完成不同耕深要求的作業(yè)。2.3核心部件選配2.3.1 電池選擇電池作為電動(dòng)拖拉機(jī)工作的動(dòng)力源， 其技術(shù)的發(fā)展對(duì)整個(gè)電動(dòng)拖拉機(jī)的動(dòng)力性、 經(jīng)濟(jì)性和安全性至關(guān)重要。 考慮到鋰離子電池具有高負(fù)荷作業(yè)能力和續(xù)航能力， 選用鋰離子電池作為電動(dòng)拖拉機(jī)

8、的動(dòng)力源。 而且鋰電池質(zhì)量輕， 體積也就相對(duì)較小， 有利于整機(jī)在潮濕的鋼架大棚環(huán)境中行走。 鋰電池組的數(shù)量則根據(jù)牽引電機(jī)的最大功率和連續(xù)作業(yè)時(shí)間這兩個(gè)參數(shù)來(lái)確定。 鋰電池所需的數(shù)量n最少為：2.3.2 能量管理控制器電動(dòng)拖拉機(jī)用的電池使用中其性能發(fā)揮得如何，除與電池模塊自身性能有關(guān)外， 能量管理系統(tǒng)的正常工作會(huì)使電池模塊的性能得以充分發(fā)揮， 減少電池模塊故障， 延長(zhǎng)使用壽命。 能量管理技術(shù)包括電池荷電狀態(tài) (SOC) 技術(shù)、 能量回收技術(shù)、 熱管理技術(shù)、 通信技術(shù)等。 能量管理控制器通過(guò)綜合分析鋰電池組驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)和提升電機(jī)等各個(gè)動(dòng)力部件運(yùn)行特性及效率特性， 優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)效率， 實(shí)現(xiàn)總體效率最

9、大。 能量管理控制器的目標(biāo)為：2.3.3 牽引電機(jī)選擇目前常用的牽引電機(jī)有直流串勵(lì)電機(jī)、 籠型感應(yīng)電機(jī)、 永磁無(wú)刷電機(jī)、 開關(guān)磁阻電機(jī)等。 永磁無(wú)刷直流電機(jī)相比于其他電機(jī)， 具有良好的動(dòng)、 靜態(tài)調(diào)速特性， 且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行可靠、 易于控制， 可采用經(jīng)典的PID控制， 算法簡(jiǎn)單緊湊， 運(yùn)行可靠。 對(duì)于牽引電機(jī)最為重要的選擇參數(shù)為額定功率， 本樣機(jī)中電機(jī)所需的額定功率PN為：2.3.4 電動(dòng)提升器裝置現(xiàn)有的拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)多為機(jī)械式， 該系統(tǒng)由桿件和彈性元件組成， 存在著結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 彈性元件的遲滯， 機(jī)械摩擦和桿件的脹縮會(huì)影響調(diào)節(jié)性能等缺點(diǎn)。 針對(duì)設(shè)施栽培作業(yè)質(zhì)量水平一致的要求， 本樣機(jī)采

10、用了電動(dòng)提升器裝置， 包括提升電機(jī)控制器、提升電機(jī)、 減速裝置、 深度調(diào)節(jié)手柄、 三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)、 直線位移傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器等。 提升電機(jī)控制器控制著提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向， 提升電機(jī)的動(dòng)力輸出端通過(guò)蝸輪蝸桿減速裝置降速后， 將動(dòng)力傳遞至三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)。 該電動(dòng)提升器裝置中安裝有力位移傳感器和轉(zhuǎn)角位移傳感器， 可間接測(cè)量耕作阻力和耕深參數(shù)。 作業(yè)時(shí)， 駕駛員調(diào)定耕作深度目標(biāo)值后，電動(dòng)懸掛裝置自動(dòng)控制完成農(nóng)具的提升或下降， 以實(shí)現(xiàn)實(shí)際耕深與目標(biāo)耕深的一致。3 小結(jié)溫室用小型電動(dòng)拖拉機(jī)作為一種新型設(shè)施農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械， 具有效率高、 噪音低、 污染小、 操作方便等優(yōu)點(diǎn)， 是一項(xiàng)集機(jī)電于一體的高新技術(shù)裝備， 其將節(jié)能環(huán)保新能源技術(shù)引入到農(nóng)機(jī)裝備領(lǐng)域， 符合高效綠色設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展要求， 同時(shí)推動(dòng)了農(nóng)機(jī)裝備智能化的進(jìn)程。電動(dòng)拖拉機(jī)的發(fā)展與許多瓶頸技術(shù)有關(guān)， 如新型電池 (如太陽(yáng)能電池、 氫能電池、 燃料電池等) 技術(shù)的應(yīng)用直接決定續(xù)航里程和棚內(nèi)作業(yè)效率。 另外還有一些配套設(shè)施的缺乏， 如快速充電設(shè)備的配套， 電池充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題。 這些關(guān)鍵技術(shù)的突破有助于加速電動(dòng)拖拉機(jī)的推廣應(yīng)用。 總之， 電動(dòng)拖拉機(jī)雖然目前仍處于發(fā)展