【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(jī)械,目前只能用小微型機(jī)械耕作。微耕機(jī)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(diǎn)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(jìn),大量農(nóng)村勞動(dòng)力向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏,為解決勞動(dòng)力不足與土地撂荒問題,提高丘陵山地農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平,微耕機(jī)成為不可或缺的農(nóng)業(yè)機(jī)械。然而微耕機(jī)一般以內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力,振動(dòng)噪聲大且污染環(huán)境,所以電動(dòng)微耕機(jī)的研究是現(xiàn)階段迫切的需求。但目前關(guān)于電動(dòng)微耕機(jī)的研究較少,因此本文就以試制的一款電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)為研究對(duì)象,通過田間試驗(yàn)測(cè)試其基本性能,對(duì)其性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析為該款電動(dòng)微耕機(jī)的優(yōu)化及相關(guān)電動(dòng)微耕機(jī)的研究提供理論基礎(chǔ)。論文的主要研究內(nèi)容如下:對(duì)電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)測(cè)試其基本性能參數(shù),得到樣機(jī)的耕深為117.9mm,實(shí)際耕作幅寬為801.9mm,正常工作時(shí)旋耕刀轉(zhuǎn)速為143.13r/min,正常工作時(shí)功耗為1727.86W,生產(chǎn)率為786.67m~2/h,續(xù)航時(shí)間為0.883h,為后續(xù)電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)的性能改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。以樣機(jī)性能參數(shù)作為電動(dòng)微耕機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù),以其結(jié)構(gòu)作為整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),通過理論計(jì)算及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)零部件的性能對(duì)比分析,選取了2kW的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī),蓄電池選用了541組的6020鋰電池,傳動(dòng)方式為錐齒輪直傳,其傳動(dòng)比為3.22。通過對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)的分析,確定了電動(dòng)微耕機(jī)的刀輥、扶手、機(jī)架、控制器等零部件,完成電動(dòng)微耕機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)。為了改進(jìn)電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)結(jié)構(gòu)提高整機(jī)性能,提出了扶手力小與振動(dòng)小的樣機(jī)優(yōu)化判別準(zhǔn)則,以該準(zhǔn)則確定電動(dòng)微耕機(jī)的重心位置,通過調(diào)整布局對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。采用了三維模型計(jì)算重心的方法測(cè)試樣機(jī)重心,依據(jù)實(shí)物尺寸建立樣機(jī)三維模型并賦予其各零部件的相關(guān)材料屬性,通過對(duì)比分析實(shí)際樣機(jī)與三維模型各部件的質(zhì)量確定了三維模型計(jì)算重心方法的可行性,并通過該方法計(jì)算得到了樣機(jī)的重心位置。通過對(duì)電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)進(jìn)行受力分析,確定了重心位置與扶手力的關(guān)系�；陔妱�(dòng)微耕機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理,運(yùn)用振動(dòng)理論深入研究了“電動(dòng)微耕機(jī)-土壤”系統(tǒng)的激振力、系統(tǒng)關(guān)鍵動(dòng)態(tài)作用過程,對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)與其零部件間的動(dòng)態(tài)作用過程進(jìn)行簡化與參數(shù)識(shí)別建立了“電動(dòng)微耕機(jī)-土壤”系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型�；谠撓到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型特點(diǎn),運(yùn)用牛頓法建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,得到了振動(dòng)系統(tǒng)的微分方程組,將該方程組與重心位置計(jì)算方法聯(lián)系起來,確定了重心與振動(dòng)的關(guān)系。運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件建立了“電動(dòng)微耕機(jī)-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(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行了仿真。得到了扶手架、機(jī)架和電動(dòng)機(jī)處振動(dòng)加速度信號(hào)的時(shí)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(jìn)行田間振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試了該電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)扶手架、機(jī)架與電動(dòng)機(jī)處的振動(dòng)加速度信號(hào),通過濾波及時(shí)域分析得到了信號(hào)的時(shí)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(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,相對(duì)誤差分別為1.99%、7.03%與6.64%,均小于10%,滿足機(jī)械振動(dòng)特性模型的精度要求,驗(yàn)證所建“電動(dòng)微耕機(jī)-土壤”系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是正確的。基于重心優(yōu)化原則對(duì)電動(dòng)微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行優(yōu)化,以扶手力最小確定重心位置,得到在前進(jìn)方向上電動(dòng)微耕機(jī)的重心位置于扶手與驅(qū)動(dòng)軸之間距離驅(qū)動(dòng)軸中心10.24cm時(shí)重心最優(yōu),此處電動(dòng)微耕機(jī)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(jìn)行電動(dòng)微耕機(jī)整機(jī)的布局,得到優(yōu)化后的布局為前進(jìn)方向上蓄電池處于扶手與驅(qū)動(dòng)軸之間距離驅(qū)動(dòng)軸中心6.99cm處。建立優(yōu)化后的電動(dòng)微耕機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)模型,對(duì)其進(jìn)行仿真,得到該機(jī)的扶手架、機(jī)架與電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)加速度信號(hào)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(dòng)微耕機(jī)振動(dòng)的仿真結(jié)果進(jìn)行比較,確定這三處的振動(dòng)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S222
【圖文】：

其外形如圖3-1 所示，該電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)主要由直流無刷電機(jī)、電機(jī)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(jī)構(gòu)、旋耕刀具、安全防護(hù)板等構(gòu)成。該樣機(jī)明確的設(shè)計(jì)基本參數(shù)有：電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式為直流無刷電機(jī)，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(jī)重量小于 50kg；作業(yè)速度設(shè)定 3 個(gè)前進(jìn)工作擋，初步確定 150r/min、120r/min、100r/min 三個(gè)速度，設(shè)定 1 個(gè)倒擋。圖 3-1 電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)Fig 3-1 Electric mini-tiller prototype3.2 試驗(yàn)測(cè)試根據(jù)電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)田間試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)，可對(duì)其整機(jī)性能進(jìn)行分析，能為電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。樣機(jī)在田間試驗(yàn)前需要對(duì)耕作環(huán)境的某些物理參數(shù)如土壤含水率、土壤堅(jiān)實(shí)度等進(jìn)行測(cè)量， 根據(jù)丘陵山區(qū)微耕機(jī)耕作的農(nóng)藝要求，電動(dòng)微耕機(jī)田間試驗(yàn)主要測(cè)試樣機(jī)的耕深、實(shí)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(jiān)實(shí)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(cè)量參照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T5668.3-1995 進(jìn)行。2017 年 5 月在重慶市某大棚進(jìn)行了田間試驗(yàn)，對(duì)相關(guān)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，其現(xiàn)場如圖 3-2 所示。

圖 3-2 電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)田間試驗(yàn)現(xiàn)場2 Field test site of electric mini-tiller pr測(cè)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(cè)定土夠的精度，是對(duì)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(shí)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(jiān)實(shí)度儀 圖 3-4 土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)試Fig 3-3 SC900 soil firmness tester Fig 3-4 Testing of soil firmness該儀器測(cè)量的深度范圍為 0～450mm，其深度測(cè)量的精度 12.5mm，測(cè)量壓范圍為 0～7000kPa，壓力和測(cè)量精度為±103kPa。進(jìn)行測(cè)量時(shí)要將堅(jiān)實(shí)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(huì)自動(dòng)記錄土堅(jiān)實(shí)度，測(cè)試完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理，測(cè)試現(xiàn)場如圖 3-4 所示，其結(jié)果如表 示。表 3-2 土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)量數(shù)據(jù)Tab 3-2 The measurement data of soil firmness土壤層深度/（mm） 堅(jiān)實(shí)度/（MPa）0-50 0.124-0.56850-100 0.196-0.438100-150 0.201-0.467

【參考文獻(xiàn)】

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1 崔藝文;劉s

本文編號(hào)：2800412