变轮距农用电动作业平台设计

田宇航，叶 鑫，黄 汀，孙付春，李晓晓，杨向莙

（成都大学 机械工程学院，四川 成都 610106）

西南丘陵山区普遍存在地块小、地形复杂且大型农机不利于应用推广的难题，更为严重的是农业人口老龄化使得我国农业现代化发展形势更加严峻[1]。为了提高农业生产效率，降低务农人员作业强度，国内开始研究适用于狭小地形的小型农机，而农用作业平台作为搭载和集成其他农用作业功能的基础件已经得到了关注。胡志勇[2]研制的自行式植保机械车辆，拥有调节轴距、轮距和距离地面高度的液压系统，但是这款作业平台距离地面高度较大，整车稳定性不足。徐琪蒙[3]设计了一款自走式农用移动平台，采用全球导航卫星系统定位测速技术，实现了田间搭载农具和无人作业功能，具有重复性强、精度高等特点，但是不适用于小型地块、且成本高。陈斌[4]为了实现“一机多用”的目的，对农用履带动力平台进行改造，形成了履带式旋耕机和履带式运输车等产品，对提高农机资源利用率具有很大的启发意义。张磊[5]为了降低机械损耗，结合常见拖拉机型号，对拖拉机轮距进行改造，以适应不同地隙要求。考虑到传统农机易引起环境污染，李俊达[6]设计了一款变轮距的农用电动平台，可以搭载其他农机实现施肥、采摘等劳动，具有很好的应用前景，但该电动平台适用于种植玉米、甘蔗等，无法实现小地块农地作业的全覆盖。在当前环境保护导向下，针对丘陵小型地块设计一种变轮距的农用电动作业平台以满足农业劳动力不足现状非常有意义。

1 变轮距农用电动作业平台设计

根据种植的农作物高度和行距的不同，农用电动作业平台的高度和轮距也需相应调整以满足地形需求。西南地区小型地块主要以种植辣椒、莴笋和白菜为主，参考辣椒、莴笋和白菜的高度和行距，拟定的变轮距农用电动作业平台主要参数见表1。

表1 变轮距农用电动作业平台主要参数Tab.1 The main parameters of variable track agricultural electric operation platform

1.1 移动机构设计

农用作业平台移动方式有很多，根据移动方式不同可以粗略分为车轮移动方式、履带移动方式、机械腿移动方式和混合移动方式。轮式移动机构是目前应用最广泛的作业平台，具有移动平稳、能耗小，容易控制移动速度和方向等优点，在农业生产中被广泛运用。综合西南地区地理环境，轮式移动平台更加适用于西南地区的实际情况。变轮距农用电动作业平台需要在农田中直线移动而且还需要在农田中转向，为了使平台结构简洁，修理容易，降低故障率，所以在每个轮腿上面安装一个转向电机，使其能够单独转向，减小转弯时的半径，有利于操作。平台的移动机构见图1。

图1 动力平台轮式移动机构Fig.1 The power platform wheel type mobile mechanism

1.1.1 轮毂电机选择

整个作业平台正常运转取决于动力机构的选择。相对于汽油发动机和柴油发动机，电力动力是清洁能源，具有对环境污染小，噪音低等优点。常见的电动机驱动机构的工作原理为：电流流入电动机，由机转动带动减速器，然后通过联轴器和输出轴把动力输出给轮胎。但是这种电动机的结构会减小作业平台的底盘空间，不适合在环境较为复杂的田地工作。轮毂电机把动力系统、传动系统和制动系统全都设置在轮毂里，省去了大部分的传动构件，可以为平台内部腾出更大的空间，电池包更容易放置在平台上，传动效率高、质量轻，可以适应不同的地形环境。

1.1.2 转向电机选择

在变轮距农用电动作业平台执行农业任务期间，需要作业平台在狭小的地块作业，对作业平台的转向要求很严格。伺服电机精度高，但价格较贵，而且保养成本高，且在复杂环境中伺服电机容易损坏，故转向电机选择步进电机。为了减轻作业平台整体质量，选取一款体积小、质量轻的步进电机来提供作业平台的转向。在作业平台中转向电机通过车轮架和车轮连结在一起，且装有蜗轮蜗秆减速器。

1.2 高度调整机构设计

作业平台调节高度的方式有很多，常用方法是使用液压装置对高度进行调节，但是该方法使用范围比较小。作业平台高度调节范围400～600 mm，若直接采用液压升降，会使作业平台的机构变得笨重，增加动力系统的负荷。考虑作业平台的动力来源是电力，最后使用液压缸与连秆机构组合的方式实现作业平台的高度调节，调整机构模型见图2。每个轮毂电机有2 组四连秆机构组合，安装在平台两侧的车轮连接板上。通过液压缸的伸缩调整作业平台高度。

图2 地隙调节机构Fig.2 The ground clearance adjusting mechanism

1.3 轮距调整机构设计

在农业生产活动中，需要根据地形地块来调节农用作业平台的轮距。轮距调整机构见图3。轮距调整机构工作时，轮距调整电动推秆为调整轮距提供全部的力，轮腿连接板的2 个导向轴为主要用于确保平台水平运动，通过此方式实现农用电动作业平台轮距调整。

图3 轮距调节机构Fig.3 The track adjustment mechanism

1.4 平台总体结构设计

将农用电动作业平台的移动机构、高度调整机构和轮距调整机构结合起来，利用三维建模软件SolidWorks 实现整机的装配。变轮距农用电动作业平台装配模型见图4。

图4 变轮距农用电动作业平台总装配Fig.4 The general assembly of variable track agricultural electric operation platform

2 变轮距农用电动作业平台运动分析

变轮距农用电动作业平台的工作地形起伏不定。平台坡道运动时存在纵向坡道运动和横向坡道运动，计算平台的坡道运动能力，可以较为全面地估算平台运动性能。

2.1 纵向坡道运动

变轮距农用电动作业平台在纵向坡道运动时，坡道给平台车轮施加一个切线方向的反作用力。若反作用力比平行于斜坡重力的分力大，则作业平台无法向下移动；若反作用力比作业平台平行于斜坡重力的分力小，驱动力足够也无法转动移动平台的轮子，且会滑倒，将不能在坡道上移动。计算作业平台的纵向坡道运动，可以得出作业动平台的最大坡道运动角度。变轮距农用作业平台纵向坡道运动受力情况见图5。

图5 纵向坡道受力分析Fig.5 The stress analysis of longitudinal ramp

作业平台在坡道上运动时靠摩擦力在坡道上运动，摩擦力就是平台沿着坡道运动的驱动力，主要受到坡道地面的附着系数和车辆对地面的作用力影响，根据力平衡和力矩平衡关系，有：

由公式（1）得：

图中，Fx1、Fx2——车轮与地面之间的切向反作用力；Fy1、Fy2——车轮与地面之间的法向反作用力；G——平台重力；——坡道角度；H——平台质心的高度；L——平台的轴距；a、b——前、后轴与平台质心的距离；φ——附着系数。

当作业平台在坡道上运动时，作为从动轮的前轮还会受到一个力，这个力就是滚动阻力Fx1，根据力平衡和力矩平衡关系，有：

式中：f——滚动阻力系数，根据公式（2）得：

作业平台在纵向坡道上运动，车轮的滚动阻力Ff=Fx1+Fx2；坡道阻力Fh是平行于坡道往下的力：Fh=Gsinθ；由于移动平台速度慢，迎风面积小，忽略空气阻力，所以Fp=0。故变轮距农用电动作业平台的驱动力符合：F≥Ff+Fp+Fh。

作业平台的总质量G=70 kg，前轮轮轴和后轮轮轴距离车辆的横向中轴线为a=b=0.75 m，质心距离地面为0.5 m，轴距L=1.5 m，φ=0.8，f=0.024，作业平台的纵向坡道运动得角度25.6°。

2.2 横向坡道运动

作业平台在坡道上横向运动时，需计算作业平台的最大横向坡道角度，以此确保作业平台不会从斜坡上滑下。作业平台横向坡道运动时受力情况见图6。

图6 横向爬坡受力分析Fig.6 The stress analysis of horizontal climbing

变轮距农用电动作业平台横向在坡道上运动，摩擦力帮助平台在斜坡上运动，计算总的力大小：F=Fx1+Fx2=φ(Fy1+Fy2)。保持作业平台在斜坡上运动的条件为φGcosθ≥Gsinθ，要求横向爬坡角θ≥artctanφ，当φ为0.55时，极限横向坡道角度为θ≥28.8。同时，极限横向坡道角度仅和附着系数相联系，故作业平台采取越野轮胎相较于采取普通轮胎可以得到较大的横向坡道角度。

3 结语

我国丘陵地区小型地块农业机械的应用长期不足，变轮距农用电动作业平台根据地形和农作物种植现状实现了高度调整和轮距调整，可以有效降低农业劳作强度，提高劳动生产率，对区域经济发展有着积极作用。未来，变轮距农用电动作业平台将朝着大负载和长续航等方向发展。