【摘要】：我國丘陵山區(qū)面積占全國耕地總面積的2/3以上,其地塊狹小零碎分散,不適用大中型農(nóng)業(yè)機械,目前只能用小微型機械耕作。微耕機因其結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、易操作與田間轉(zhuǎn)移方便等特點在丘陵山區(qū)得到推廣使用。且近年來隨著統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展的推進,大量農(nóng)村勞動力向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,農(nóng)村勞動力缺乏,為解決勞動力不足與土地撂荒問題,提高丘陵山地農(nóng)業(yè)機械化水平,微耕機成為不可或缺的農(nóng)業(yè)機械。然而微耕機一般以內(nèi)燃機作為動力,振動噪聲大且污染環(huán)境,所以電動微耕機的研究是現(xiàn)階段迫切的需求。但目前關(guān)于電動微耕機的研究較少,因此本文就以試制的一款電動微耕機樣機為研究對象,通過田間試驗測試其基本性能,對其性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)進行分析為該款電動微耕機的優(yōu)化及相關(guān)電動微耕機的研究提供理論基礎(chǔ)。論文的主要研究內(nèi)容如下:對電動微耕機樣機進行田間試驗測試其基本性能參數(shù),得到樣機的耕深為117.9mm,實際耕作幅寬為801.9mm,正常工作時旋耕刀轉(zhuǎn)速為143.13r/min,正常工作時功耗為1727.86W,生產(chǎn)率為786.67m~2/h,續(xù)航時間為0.883h,為后續(xù)電動微耕機樣機的性能改進提供理論基礎(chǔ)。以樣機性能參數(shù)作為電動微耕機的設(shè)計參數(shù),以其結(jié)構(gòu)作為整機結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ),通過理論計算及動力傳動系統(tǒng)相關(guān)零部件的性能對比分析,選取了2kW的永磁無刷直流電動機作為驅(qū)動電機,蓄電池選用了541組的6020鋰電池,傳動方式為錐齒輪直傳,其傳動比為3.22。通過對樣機結(jié)構(gòu)的分析,確定了電動微耕機的刀輥、扶手、機架、控制器等零部件,完成電動微耕機整機結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計。為了改進電動微耕機樣機結(jié)構(gòu)提高整機性能,提出了扶手力小與振動小的樣機優(yōu)化判別準(zhǔn)則,以該準(zhǔn)則確定電動微耕機的重心位置,通過調(diào)整布局對整機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。采用了三維模型計算重心的方法測試樣機重心,依據(jù)實物尺寸建立樣機三維模型并賦予其各零部件的相關(guān)材料屬性,通過對比分析實際樣機與三維模型各部件的質(zhì)量確定了三維模型計算重心方法的可行性,并通過該方法計算得到了樣機的重心位置。通過對電動微耕機樣機進行受力分析,確定了重心位置與扶手力的關(guān)系。基于電動微耕機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理,運用振動理論深入研究了“電動微耕機-土壤”系統(tǒng)的激振力、系統(tǒng)關(guān)鍵動態(tài)作用過程,對整機結(jié)構(gòu)與其零部件間的動態(tài)作用過程進行簡化與參數(shù)識別建立了“電動微耕機-土壤”系統(tǒng)的動力學(xué)模型。基于該系統(tǒng)動力學(xué)模型特點,運用牛頓法建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,得到了振動系統(tǒng)的微分方程組,將該方程組與重心位置計算方法聯(lián)系起來,確定了重心與振動的關(guān)系。運用MATLAB/Simulink軟件建立了“電動微耕機-土壤”系統(tǒng)的仿真模型,通過設(shè)置模型參數(shù)與仿真參數(shù),對系統(tǒng)的振動特性進行了仿真。得到了扶手架、機架和電動機處振動加速度信號的時域變化曲線,其均方根值分別為5.724 m/s~2、2.884m/s~2與2.953m/s~2。進行田間振動試驗測試了該電動微耕機樣機扶手架、機架與電動機處的振動加速度信號,通過濾波及時域分析得到了信號的時域變化曲線,其均方根值分別為5.840 m/s~2、3.163 m/s~2與3.102m/s~2。將試驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比,相對誤差分別為1.99%、7.03%與6.64%,均小于10%,滿足機械振動特性模型的精度要求,驗證所建“電動微耕機-土壤”系統(tǒng)動力學(xué)模型是正確的。基于重心優(yōu)化原則對電動微耕機的結(jié)構(gòu)布局進行優(yōu)化,以扶手力最小確定重心位置,得到在前進方向上電動微耕機的重心位置于扶手與驅(qū)動軸之間距離驅(qū)動軸中心10.24cm時重心最優(yōu),此處電動微耕機正常工作的扶手力為101.1N,相較之前減少25.9%。以調(diào)整蓄電池位置的方法進行電動微耕機整機的布局,得到優(yōu)化后的布局為前進方向上蓄電池處于扶手與驅(qū)動軸之間距離驅(qū)動軸中心6.99cm處。建立優(yōu)化后的電動微耕機振動系統(tǒng)模型,對其進行仿真,得到該機的扶手架、機架與電動機的振動加速度信號的均方根值為5.347m/s~2、2.693m/s~2與2.807m/s~2,將其與未優(yōu)化的電動微耕機振動的仿真結(jié)果進行比較,確定這三處的振動降低了6.59%、6.62%與4.94%。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S222
【圖文】：

其外形如圖3-1 所示，該電動微耕機樣機主要由直流無刷電機、電機控制器、可充電鋰電池、變速箱、扶手架、調(diào)速控制把手、耕深調(diào)整機構(gòu)、旋耕刀具、安全防護板等構(gòu)成。該樣機明確的設(shè)計基本參數(shù)有：電動機結(jié)構(gòu)形式為直流無刷電機，其功率為60V750W～60V1000W；可充電電池為三元聚合物鋰電池，其容量為 60V20ah～60V40ah；耕作幅寬為 800mm；旋耕深度大于 100mm；整機重量小于 50kg；作業(yè)速度設(shè)定 3 個前進工作擋，初步確定 150r/min、120r/min、100r/min 三個速度，設(shè)定 1 個倒擋。圖 3-1 電動微耕機樣機Fig 3-1 Electric mini-tiller prototype3.2 試驗測試根據(jù)電動微耕機樣機田間試驗測試的數(shù)據(jù)，可對其整機性能進行分析，能為電動微耕機樣機的優(yōu)化提供理論依據(jù)。樣機在田間試驗前需要對耕作環(huán)境的某些物理參數(shù)如土壤含水率、土壤堅實度等進行測量， 根據(jù)丘陵山區(qū)微耕機耕作的農(nóng)藝要求，電動微耕機田間試驗主要測試樣機的耕深、實際幅寬、轉(zhuǎn)速、功率消耗、生產(chǎn)效率、續(xù)航能力等作業(yè)性能指標(biāo)，因此需要準(zhǔn)備土壤堅實度儀、環(huán)刀、電熱干燥箱、電子天平、鑿形鏟、秒表、皮尺、深度尺、直尺、轉(zhuǎn)速表、功率儀等工具，相關(guān)數(shù)據(jù)的測量參照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T5668.3-1995 進行。2017 年 5 月在重慶市某大棚進行了田間試驗，對相關(guān)參數(shù)指標(biāo)進行測試，其現(xiàn)場如圖 3-2 所示。

圖 3-2 電動微耕機樣機田間試驗現(xiàn)場2 Field test site of electric mini-tiller pr測量質(zhì)量（或每單位體積）潮濕土表示。土壤含水率是影響農(nóng)業(yè)稱重法，該方法是當(dāng)前測定土夠的精度，是對土壤質(zhì)量含水采用環(huán)形刀在耕作層內(nèi)以 1m 的 10 處土樣，將其裝入樣盒內(nèi)，，干燥時保持 105±2℃的溫度，冷卻到室溫后稱出干土質(zhì)量，表 3-1 所示。

圖 3-3 SC900 土壤堅實度儀 圖 3-4 土壤堅實度測試Fig 3-3 SC900 soil firmness tester Fig 3-4 Testing of soil firmness該儀器測量的深度范圍為 0～450mm，其深度測量的精度 12.5mm，測量壓范圍為 0～7000kPa，壓力和測量精度為±103kPa。進行測量時要將堅實度儀地面以低于 25.4mm/s 的速度插入土壤中，該儀器每隔 25mm 會自動記錄土堅實度，測試完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理，測試現(xiàn)場如圖 3-4 所示，其結(jié)果如表 示。表 3-2 土壤堅實度測量數(shù)據(jù)Tab 3-2 The measurement data of soil firmness土壤層深度/（mm） 堅實度/（MPa）0-50 0.124-0.56850-100 0.196-0.438100-150 0.201-0.467

【參考文獻】

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1 崔藝文;劉s

本文編號：2800412