设施农业用履带式电动车辆驱动电机主要参数匹配

沈文龙 匡文龙

针对温室大棚这种相对狭小的工作环境，国内研制并生产了以微耕机为主的小型农机装备[1]。这类农业机械在使用过程中，存在排放物影响大棚作物的品质和作业人员健康，操作者劳动强度大、易疲劳，路面适应能力差等问题[2]。采用无线操控独立电驱动的履带式车辆可以有效地解决上述问题。履带式车辆不仅零排放、易操作，而且可以有效地降低接地比压，减小下陷深度，减轻对土壤的压实程度[3]。

履带式电动车辆的驱动系统由电池和驱动电机组成。驱动电机的主要参数决定了车辆作业性能。驱动电机的性能参数主要包括电动机的功率、转速和转矩。采用永磁无刷电机作为车辆的动力源，需要满足牵引需求和一定的爬坡能力。

1 驱动电机功率匹配

设施农业用电动车辆主要进行犁耕旋耕和喷药作业，整体速度较低且加速动作很少，因此可以忽略加速功率和空气阻力功率的消耗。

1.1 犁耕工况

以平地上犁耕作业的电动车辆为研究对象，受力分析如图1所示。

图1 犁耕作业受力图

图1中，FT′为整机牵引犁耕作业时受到的总牵引阻力；G为电动车辆使用重量（作用在其质心位置上）；ν为车辆前进速度；Fq为车辆驱动力；FN为车辆受到土壤反作用力在竖直方向上的分力；Ff为车辆行驶阻力。在犁耕作业过程中，驱动电机克服的阻力主要是总牵引阻力水平方向分力FT与行驶阻力 Ff。

式（1）中，PN1为双电动机需要的功率；FT为车辆额定牵引力；ν1为车辆犁耕作业速度，最大值0.69 m/s；η1为从驱动电机到犁之间的传递效率，取值为0.5629；α为电动机功率储备系数，按经验值取1.2；犁耕作业时的牵引阻力FT为单铧犁受到的平均阻力。

式（2）中，k为土壤比阻，温室大棚一般为轻壤土，查表取k=50kPa；e为犁铧数，取 1；bn为犁体耕作幅宽30 cm；h为耕深25 cm。

将式（2）代入式（1），得PN1≥4.60 kW。

1.2 旋耕工况

旋耕作业时，作业机械的标定功率PN2主要由两部分组成，一部分是驱动刀具作业所消耗的功率P1，另外一部分是整个机组行走滚动所消耗的功率P2。

先由经验公式计算刀具部分消耗的功率：

式（3）中，P1为动力输出轴功率；B为耕幅60 cm；h为耕深10 cm；ν2为作业速度，0.83 m/s；kλ为旋耕作业时土壤比阻，kλ=kjk1k2k3k4。根据温室大棚土壤条件，kj为平均土壤比阻，取50 kPa；k1为耕深修正系数，取0.8；k2为土壤含水率修正系数，取0.95；k3为残茬植被修正系数，取0.8；k4为作业方式修正系数，取 0.66[4]。

作业机械滚动阻力消耗的功率P2可由式（4）确定：

式（4）中，f2为滚动阻力系数，取 0.12；m2为辆使用质量，挂接旋耕犁时车辆的质量为550 kg；传动系统效率η2取值0.7；g为重力加速度，g=9.806 65 m/s2。

旋耕工况下电动机标定功率PN2，可由式（5）确定：

由式（5）得PN2≥ 1.766 kW。

1.3 爬坡工况

以现有市场上的农业车辆15%的爬坡度为标准，对其进行受力分析。图2为爬坡工况受力图。重力沿路面向下的分力和滚动阻力为爬坡时主要阻力。驱动电机所需的功率：

由式（6）得，PN3≥3.13 kW。

式（6）中，m为空载车辆使用质量，取490 kg；f3为滚动阻力系数，取0.07；α为路面的倾斜角，tanα=0.15；ν3为车辆速度，取1.11 m/s；爬坡时整车传动系统效率η3，它由履带驱动效率、整机滑转效率、滚动效率、机械传递效率和电机效率共同构成，取0.37。

由于整机额定功率PN应当取max（PN1,PN2,PN3），因此额定功率PN≥4.597 kW。

图2 爬坡工况受力图

2 驱动电机转速匹配

电机的额定功率和额定转速是影响电机成本和制造工艺的主要因素，它还影响整车重量、体积、布局、能耗和传动方式。设施农业用电动车辆本身不需要太高的行驶速度，但需要较大的行驶力矩，以满足复杂的农业作业和环境，因此为了满足小速度、大力矩和低成本的要求，减速器采用蜗轮蜗杆减速器，且整机没有其他改变传动比的方式。蜗轮蜗杆的传动比取值范围一般≤60，采用减速比ic=50的NMRV减速机，而设计时本机最高速度ν4=1.39 m/s，rd为驱动轮半径，取0.2 m；由式（7）得直流电动机的转速n≤3 316 r/min。

3 驱动电机转矩匹配

对于直流伺服电动机来说，其最大转矩为启动转矩，以犁耕工况和爬坡工况的转矩需求进行分析。由图1和式（1）可知，犁耕作业时电动机提供的扭矩TN1传递到农机具上的力应大于牵引力，见式（8），计算得TN1≥26.65 N·m。在爬坡过程中，驱动电机扭矩应当能够克服整机爬坡时的阻力。由图2的受力分析可得式（9），计算得TN2≥10.75 N·m。电动机的额定转矩TN需要取max(TN1,TN2)，因此额定转矩TN≥26.65 N·m。

通过对驱动电机的额定功率PN、额定转速n和额定扭矩TN的匹配计算，可为电动车辆驱动电机的选型提供方案。