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农业装备与车辆工程 Agricultural Equipment 2 Shandong Academy of Agricultural Machinery Science Jinan 250131 Shandong China 3 School of Automotive Engineering Shandong Jiaotong University Jinan 252100 Shandong China Abstract Aiming at the problems of single function low intelligence and low efficiency of equipment in facility agriculture production through the design of the whole machine mechanism of the greenhouse intelligent multi function operation platform and the design and selection of the electric chassis drive motor reducer power battery and spray lifting device Design a greenhouse intelligent multi functional operation platform equipment integrating spraying transportation lifting and other multi functional operations Through the field performance test it can be seen that the maximum speed test shows that the maximum speed is 6 24km h In the minimum turning radius test the diameter of the turning circle is 930 7mm and the diameter of the passing circle is 1046 7mm In the climbing ability test it can easily pass the 25 slope road surface In the endurance test the range can reach 18 5km This operation platform integrates multi functional operations such as spraying transportation lifting and so on to achieve a multi purpose machine which can greatly reduce the production cost of farmers in order to provide a reference for the development of mechanization of facility agriculture Key words Multi functional greenhouse operation platform Crawler chassis Dynamic matching 0 引言 我国设施农业当前存在种植规模不断扩大而机械化水平不高的长期矛盾 设施农业是我 国劳动力密集型产业之一 以温室大棚为代表的种植环节中喷药 施肥 剪枝 采摘 转运 等作业主要依靠人工 机械化程度较低 1 此外 在温室密闭环境中传统燃油动力平台产生 的氮氧化合物 二氧化碳及颗粒物难以消散 污染温室土壤 空气以及土壤 危害温室工作 人员身体健康 2 推动温 室多功能电动作业平台的研发与推广是设施农业发展的必然趋势 基金项目 山东省服务乡村振兴样板建设典型案例 葡萄生产农机农艺融合技术应用与示范 2022DXAL0212 济南市 市校融合发展战略工程项目 智能电动农机装备技术创新中心建设 JNSX2023072 收稿日期 2024 09 02 作者简介 李虎 1998 男 硕士研究生 研究方向 农业工程及信息化研究 E mail 2952430135 通信作者 宋裕民 1972 男 硕士 教授 研究方向 农业机械 E mail 165653189 网络首发时间 2024 10 22 08 10 19 网络首发地址 农业装备与车辆工程 2024 年第 62 卷第 11 期 温室多功能 电动作业平台车在国内外都有广泛的应用需求 在农用电动底盘方面 上世 纪 初 瑞士的 Grunder公司就对农用电动底盘进行了研究 成功研发出手扶式电动底盘 可 以根据需要更换不同的农具进行作业 3 上世纪 90 年代 e ATV 系列农用电动底盘通过智 能控制器实现了无级变速 续航里程达到了 56km 4 ElectricOx农用作业底盘 能 以 11 2km h 的速度连续工作 12 小时 5 内蒙古农业大学的宁广秀等 6 摒弃传统的燃油底盘 选用纯电 动底盘设计了一款四轮独立驱动纯电动牵引底盘进行了性能仿真 为以后的电动底盘研究提 供了宝贵的参考数据支持 西北农林科技大学翟济伟等 7 对柔性底盘运动控制的问题进行了 深入研究 为柔性底盘的研究与应用提供了宝贵的依据 在温室作业机具方面 荷兰设计了 一款电动轨道作业车 依靠地面加热管作为行走轨道 工作平台人性化 安全便捷 还有一 款 Easy Track充气轮胎作业车 8 该车带有电动方向盘 减轻操作人员负担 结构简单 维 护方便 Rowe 等 9 开发出的温室自动喷药系统 可实现定时自动投 药 避免农药中毒导致 人员受伤 王要针对温室设计了一种自主跟随作业平台 采用独立的四轮实现转向 在温室 复杂地形环境中具有良好的灵活性和平稳性 具备比较成熟的货物运输能力 节省了劳动力 成本 10 山东农业大学的李明和陈宝林共同研制了一种名为 3M 50型的自走式温室喷雾机 该喷雾机在日光温室内的北墙附近铺设了一条单轨道 风送喷雾装置可以调节姿态 实现了 精准喷雾作业 11 12 江苏大学的林金龙 13 研制了一种温室单吊轨风送喷雾机 单吊轨风送 喷雾机及轨道自走系统和升降系统进行伸缩施药 当前我国温室大棚数量最多 的为中小型温 室大棚 空间小 植株密集 国外设备并不完全适用 且进口设备成本高 国内适应中小型 温室的机械较少 且多数仅具有喷雾 运输 采摘 升降等单一作业能力 14 针对国内外设施农业生产中装备功能单一 效率低等问题 15 本文设计了一款设施农 业中集喷药 运输 升降等多功能作业为一体的温室多功能电动作业平台 对其关键部件进 行理论分析与选型 确定驱动电机 减速器 电池 喷雾升降机构等部件关键参数 1 整机结构与原理 1 1 设计要求 为适应我国中小型温室大棚农艺种植需求 以西甜瓜种植为例 通过 查阅温室 栽培相关 资料 和在历城区黄河镇现场测量相结合 可知 西甜瓜温室种植行距 一般 在 1 1m 1 3m 株 距一般在 0 2 0 5m 若用支架栽培行距 0 9 1 1m 株距 0 4 0 5m 结合实际作业需求设 置温室多功能电动作业平台技术参数如表 1所示 表 1 温室多功能电动平台技术参数 Tab 1 Technical parameters of multi functional electric platform in greenhouse 参数 数值 参数 数值 外形尺寸 mm mm mm 1176 869 830 最大爬坡度 25 配套动力 kW 2 平均最小通过圆直径 mm 1100 装备质量 kg 240 续航里程 km 16 6 满载质量 kg 540 遥控距离 m 100 平均最高车速 km h 6 作业高度 m 2 1 2 整机结构及工作原理 整机结构如图 1所示 主要由电动履带底盘 升降装置 增程器 控制系统以及喷雾装 置组成 电动履带底盘包括履带 车架 驱动轮 电池 减速机 驱动电机等 喷雾装置主 农业装备与车辆工程 2024 年第 62 卷第 11 期 要包括喷药泵 喷雾系统等结构部件 升降装置用于举升 方便登高作业 增程器主要是用 于在电池电量不足的情况下继续为温室多功能电动作业平台提供动力 提高了多功能作业平 台的续航时间 图 1 温室多功能电动作业平台整机结构图 Fig 1 Structural diagram of the greenhouse multi functional electric work platform 1 履带底盘 2 发动机及增程器 3 喷药泵 4 药液装置 5 喷雾系统 6 支架 7 升降装置 温室多功能电动作业平台整车控制器是底盘控制的核心 接受无线遥控信号 将速度和 转弯指令送入无刷直流驱动器 通过控制电机转动实现直接和负控制 实现了转向功能底盘 的控制 集成遥控器和自动导航系统 可实现跟随行驶与规划行驶 2 关键部件设计 2 1 电动底盘设 计方案 底盘结构 在 温室多功能电动作业平台实际 作业中起着至关重要的作用 对电动作业平台 的通过性 稳定性以及作业质量等都有较大影响 结合 作业环境和西甜瓜的种植农艺需求 要求作业平台作业行驶速度范围不小于 1 6km h 坡道 上的纵向及横向稳定角度 不小于 25 整机重量 240kg左右 温室环境相对潮湿 为满足喷雾 运输 升降等作业要求 选用牵引性能好 接地比压 低 减震效果好的橡胶履带底盘 同时为了保证较好的通过性以及控制灵活性等 驱动方式 选用电动履带驱动系统 选择铅酸蓄电池作为动力电池 采用无刷直流电动机 底盘结 构如 图 2所示 主要由橡胶履带 电池 驱动电机 减速器以及驱动轮组成 图 2 温室动力底盘整体结构 农业装备与车辆工程 2024 年第 62 卷第 11 期 Fig 2 The overall structure of the greenhouse power chassis 1 橡胶履带 2 电池 3 驱动电机 4 减速机 5 驱动轮 履带车辆行驶过程中需保证牵引力大于阻力 温室多功能电动作业平台牵引力 如下 cos sin 0 03 0 02 0 8 3 0 03 0 02 爬坡转弯 式中 为运动阻力 为坡度阻力 为转弯阻力 为作业底盘内部零件之间的摩 擦阻力 惯性阻力 单位均为 kN 为运动阻力系数 通过实验确定为 0 12 为整机 质量 单位为 kg 根据设计需求确定为 240kg 为重力加速度 取 9 8m s2 为坡度角 单位为 取最大爬坡度为 25 3摩擦系数 取值通常为 0 4 0 7 本文取 0 6 据此计算 可得温室多功能电动作业平台爬坡牵引力为 19 5kN 转弯牵引力为 19 1kN 2 2 驱动电机选型 驱动电机功率须满足温室多功能电动作业平台最高车速 加速性能和爬升特性等要求 多功能作业平台采用双电机驱动 故单个驱动电机功率 为整车所需功率的 1 2 12 3600 76140 3 式中 为传动系机械效率 f为滚动阻力系数 取 0 09 CD为空气阻力系数 A为迎 风面积 m2 vmax最高车速 为 6km h 确定单个驱动电机额定功率 Pe 0 7525kW 单个驱动电机的峰值功率 如下 12 max3600 76140 3 max3600 式中 imax为最大爬坡度 为 25 max为最大坡度角 va为爬坡车速 km h 假设满载质量 为 540kg 代入参数计算确定 单个驱动电机峰值功率为 Pemax 2 0731kW 驱动电机所需的输出转矩 Tcmax如下 2 0 2 0 max max 21 15 式中 r为驱动轮半径 m i0为减速机传动比 Ftc为爬坡时所需驱动力 N 预设减 速机减速比 i0 15 代入参数计算得 18 7449N m 履带式多功能作业平台切边转向的功能 单个驱动电机所需输出扭矩 如下 0 0 式中 为 切边转向时所需驱动力 N 为轨距 m 为转向阻力系数 为转向 阻力矩 N m 取 1040 N m 确定 14 16N m 为满足温室多功能电动作业平台行驶和运输需求 选配的驱动电机的峰值扭矩需满足 max 18 7449N m 根据上述条件 选定永磁同步电机为主驱动 机 峰值功率为 3kW 2 3 减速器选型 在挑选减速系统时 根据温室大棚所需作业环境以及温室多功能电动作业平台较小的实 际需求 选择蜗轮蜗杆减速器 减速器最小传动比如下 0 377 式中 为额定转速 取 1500r min 为最高车速 取 6km h 为履带驱动 农业装备与车辆工程 2024 年第 62 卷第 11 期 轮半径 单位为 m 15 35 确定减速器减速比为 15 2 4 动力电池选配 如果选用的电池容量不足以支持电机的最大输出功率 可能导致电机无法正常工作 影 响作业底盘的使用 反之 若电池容量过大 可能带来额外的负载和不必要的成本 因此 根据以下公式计算的单体电池容量是对电机和作业底盘性能均衡考量的重要参数 1000 式中 n为单体电池数量 Pe为额定功率 kW U为单体电池额定电压 V S为续航 里程 km ve为额定车速 km h 代入参数计算得 Crmin 125A h 根据计算参数 选配 电池容量为 Cr 150A h 工作额定电压 12V的铅酸电池 电池组由 4块该款电池串联而成 如图 3所示 图 3 电池组实物图 Fig 3 Battery pack physical picture 2 5 喷雾升降装置设计 温室大棚内种植的农作物不同 其植株高低也各不相同 即使同种植株也会因为不同的 生长周期导致植株高低的不同 针对上述情况本文设计了一种基于温室多功能电动作业平台 的喷雾升降装置 有效提高喷雾效率和降低生产成本 解决因植株高低不同带来的更换喷雾 装置带来的成本增加问题 喷雾升降装置由升降平台和喷雾系统组成 喷雾系统根据 农业 机械手册 选用设施农业使用的喷雾器 药箱以及喷药泵 图 4 升降喷雾作业 Fig 4 Lifting spray operation 升降装置主要有曲臂式 桅柱式和剪叉式这三种形式 曲臂式升降装置其重量轻 使 得搬运 安装和调整操作便利 使用广泛 但必须严格按照使用手册进行操作 保证设备的 固定部件 稳定性 避免超载 桅柱式升降装置具有较大的承重能力 能够应对重型物品 但 是 体积较大 不适合在温室 之类的 狭小空间内使用 剪叉式升降平台具有较大的作业范围和 农业装备与车辆工程 2024 年第 62 卷第 11 期 承载能力 同时在升降过程中保持较高的稳定性 但是 起升高度 有限 不过也足够设施农业 场景应用 综上考虑本文选择剪叉式升降机构 图 5 作业平台升降机构类型 Fig 5 Type of lifting mechanism of working platform 在建立升降机构数学模型时 将 J表示为电动推杆与耳环的铰连点 H表示为下耳与连 接杆的固定连接点 I表示为活塞杆与耳环的铰连点 G表示为上耳与连接杆的固定连接点 下耳环 HJ 的长度为 l1 上端耳环 GI 的长度为 l2 将以升降机构下端固定铰链点 A 为坐标 原点 建立直角坐标系 现在需要求各主要点的坐标表示以及虚位移 建立数学模型如 图 6 所示 图 6 升降机构数学模型图 Fig 6 Mathematical model of lifting mechanism 虚功方程如下 3 3 cos 1 1 sin 1 cos 1 sin 1 0 式中 P 0 5 0 6 P1 0 5P2 P1 举升载荷 kg P2 平台自重 kg P3 组件模块自重 kg F 液压油缸的推力 kg 经过计算得 液压油缸的推力 F 13 76kN 考虑所需升降高度 承重能力以及使用环境等因素 如果是用于 载重运输 上 可能需要 考虑升降平台的承重能力和稳定性 以满足 温室多功能电动作业平台 的安装和维护需求 具 体要求如下 根据所提供的数据 垂直举升高度为 1 5米 支架长度为 L 1米 举升载荷为 农业装备与车辆工程 2024 年第 62 卷第 11 期 300千克 平台自重为 240千克 组件模块自重为 30千克 耳环长度为 l1 l2 100毫米 耳 环安装角度为 1 2 40度 在升降平台的设计中 需尽量增大剪叉杆与水平线间夹角 初始角度不能小于 6 当 初始角度小于 6 时 电动推杆需更大推力 增加能耗和负荷 降低使用寿命 例如 初始 角度为 4 时 推力是初始角度 6 的两倍 随角度增大 推力减小 但升降平台最低高度增 加 综合考虑升降机构的初始角度为 6 3 性能试验 3 1 试验内容 图 7为温室多功能电动作业平台样机 试验主要为电动作业平台基本性能测试 包括转 向圆与通过圆测试 最高行驶速度测试 爬坡能力 测试以及续航能力测试 在山东省济南市 历城区黄河镇进行性能试验 图 7 温室多功能电动作业平台样机 Fig 7 Prototype of multi functional electric work platform in greenhouse 3 2 转向圆与通过圆测试 温室多功能电动作业平台在地势平坦 具有良好附着性能的路面进行转弯操作 在试验 工具方面 使用卷尺进行路面坡度的测量 通过在车架左前角和右前角挂上吊锤进行转向圆 和通过圆的测量 左履带不施加制动力 右履带转动 确保多功能作业平台车速保持在 2km h 以内 直到摩擦痕迹出现完整的圆 如图 8所示 随后将左右履带动作调换 在另外一空旷 地面进行同样的流程 在转向过程中 记录吊锤在地面上的投影 主要涉及到多功能作业平 台车辆的操控及转向过程的实施 摩擦痕迹出现完整的圆 即在车速保持在 2km h以内时 履带在地面上产生的摩擦痕迹呈现出完整的圆形 这一过程对于确保车辆的操控性和安全性 至关重要 此外 记录吊锤在地面上的投影可用于后续的数据分析与实验结果验证 图 8 最小转弯半径测试路面痕迹 农业装备与车辆工程 2024 年第 62 卷第 11 期 Fig 8 Minimum turning radius test road marks 3 3 最高行驶速度测试 在道路设计中 为了测试多功能作业平台的性能 需要将实验道路分为加速段和测试段 考虑到多功能作业平台为低速车辆 并且加速时间较短 因此设定加速段长度为 10m 测试 段长度为 200m 这样的设置能够充分考虑到多功能作业平台特有的特性和需求 确保测试 结果的准确性 在测试中 为了保证测试结果的客观性和准确性 在地势平坦满载具有良好 附着性能的路面 作业平台在满状态下进行测试 保持最大功率输出来完成测试段直线跑 秒表的精度为 0 01s 图 9 样机试验 Fig 9 Prototype testing 为了减少道路坡度对多功能作业平台的影响 分两个方向各进行了 3次试验 试验数据 如下表 2所示 通过多次试验的数据记录和分析 可以更好地了解道路坡度对多功能作业平 台的影响程度 为设计和改进多功能作业平台提供可靠的参考依据 表 2 最高速度试验数据 Tab 2 Maximum speed test data 序号 耗时 s 平均车速 m s 平均车速 km h 1 104 32 1 744 6 28 2 108 46 1 731 6 23 3 107 87 1 719 6 19 4 104 96 1 761 6 34 5 108 71 1 726 6 21 6 107 96 1 723 6 20 根据数据分析结果显示 平均最高车速达到 6 24km h 这一数据符合设计要求 并且 超过了 6km h 的最低标准 符合要求 这一数据表明车辆达到了预期的速度要求 并且超 出了最低标准 3 4 爬坡能力测试 全功率加速到速度稳定后 多功能作业平台以全功率加速通过 28m 陡坡进行记录 以 记录通过时间 这是第一种测试工况 第二种测试工况是将多功能作业平台停在陡坡上 然 农业装备与车辆工程 2024 年第 62 卷第 11 期 后启动通过剩下的 20m 陡坡 通过进行多次测试并取平均值 可以提高实验结果的可靠性 和可重复性 为后续的分析和判断提供更准确的依据 测试结果如表 3所示 表 3 爬坡能力测试数据 Tab 3 Climbing ability test data 参数名称 工况一 工况二 第 1次耗时 52 9s 55 6s 第 2次耗时 49 6s 56 1s 第 3次耗时 53 1s 57 4s 第 4次耗时 51 3s 58 9s 第 5次耗时 52 4s 57 2s 次 6次耗时 50 8s 59 1s 平均耗时 51 68s 57 38s 平均车速 1 76km h 1 25km h 第一种工况中 多功能作业平台通过 28m 坡度的平均耗时为 51 68 秒 平均车速约为 1 86 千米 小时 这表明多功能作业平台在较陡的坡度上具有较快的通过速度 显示其在不 同地形条件下的适应性 在第二个试验工况中 多功能作业平台通过 20m 坡度的平均耗时 为 57 38秒 平均车速约为 1 25千米 小时 温室多功能作业平台可以通过 25 坡度路面 满 足设计要求 这证明其具有较强的通过坡路面的能力 增加了在实际应用中的灵活性和适应 性 3 5 续航能力测试 多功能作业平台以每小时 6公里的速度在平坦的道路上运行 每 1000秒停机一次 同 时 使用秒表计时并记录电池组的开路电压 这有助于了解电池组的工作状态和性能 在表 4中记录了相关的数据 通过对这些数据的分析可以得出电池组的工作状态和车辆的运行情 况 车辆以恒定的 6km h车速在平整路面上行驶 每行驶 1000秒停机一次 记录电池组的 开路电压 为了避免蓄电池在续航能力测试中受到过度放电的潜在损害 测试在进行了约 3 6小时 之后结束 在测试结束时 对电池组进行了开路电压测量 结果显示为 45 4 伏特 根据估 算 蓄电池的荷电状态约为 6 这项实验结果表明 多功能作业平台已成功满足设计要求 即以 6千米每小时的速度续航 3 7小时 续航里程为 18 5千米 表 4 续航能力测试数据 Tab 4 Endurance test data 运行时间 s 电池组开路电压 V 1000 55 1 2000 54 7 3000 54 3 4000 53 6 5000 52 5 6000 51 8 7000 50 9 8000 50 1 9000 49 6 10000 48 3 农业装备与车辆工程 2024 年第 62 卷第 11 期 4 结论 随着设施农业逐渐向规模化 集约化 标准化发展 设施农业机械化程度低的问题突出 人工成本居高不下且劳动力短缺 严重制约了作业效率及收益 针对设施农业生产中装备功 能单一以及效率低等问题 研发一款集喷药 运输 升降等多功能作 业为一体的温室多功 能电动作业平台装备 实现一机多用 结论 如下 1 对底盘动力系统的各项参数进行匹配 分别对驱动电机 减速器 动力电池等关 键部件选型 选配的驱动电机的峰值扭矩为 Tmax max Ttmax Tcmax 18 7449N m 从而 确定选择永磁同步电机 减速机减速比 i0 15 选择蜗轮蜗杆式减速器 单体电池容量参数 计算得 Crmin 125A h 根据计算参数 选配电池容量为 Cr 150A h 工作额定电压 12V 的铅酸电池 2 对多功能作业平台的喷雾升降装置的升降机构结构形式进行选型 确定为剪叉式 升降机构 并对其进行参数计算 确定升降平台的升降过程中初始位置时剪叉杆与水平线间 的夹角的初始角度为 6 3 通过性能试验研究 可知最高车速试验显示其最高车速为 6 24km h 最小转弯半 径测试中 转向圆直径为 930 7mm 通过圆直径为 1046 7mm 爬坡能力测试中 可轻松通过 25 坡度路面 续航能力测试中 续航里程可达 18 5km 所有这些试验结果表明 多功能作 业平台能够在温室狭小空间顺畅作业 各项指标符合设计要求 参考文献 1 高巧明 潘栋 张星 等 全 履 带 模 块 化 无 人 农 用 动 力 底 盘 设 计 与 仿 真 J 农 业 机 械 学 报 2020 51 S2 561 570 2 郑刚 温室作业车发展现状及展望 J 农业工程技术 2021 41 28 54 58 3 Huang Y Chen G Huang Y et al Overview of the Development of Facility Agriculture J Agricultural Biotechnology 2020 9 4 151 154 4 Heidfeld H Hinzelmann R Sch nemann M et al Development of an Electric Powered Light Stilt Tractor for the Application of Biological Plant Protection Products in Corn C Vehicle and Automotive Engineering Springer Cham 2018 67 80 5 Guo T Zhong W Design and implementation of the span greenhouse agriculture Internet of Things system C 2015 International Conference on Fluid Power and Mechatronics FPM IEEE 2015 398 401 6 宁广秀 张永 王健等 温室用纯电动牵引底盘结构设计及性能仿真研究 J 农机化研 究 2024 46 04 253 259 7 瞿济伟 农用柔性底盘偏置转向系统控制 策略及参数优化试验研究 D 杨凌 西北农林科技大学 2020 8 Ma T Zhou W Chen L et al Phthalate esters contamination in vegetable soil system of facility greenhouses in Jingmen central China and the assessment of health risk Environ Geochem Health 42 2703 2721 2020 9 Jing D Zhi wei Z LIANG B Development status of facility vegetable industry in China J Chinese Horticulture Abstracts 2017 33 1 75 77 10 王要 温室自主跟随多功能作业平台设计和试验研究 D 镇江 江苏大学 2022 11 李明 3M 50 型自主行走式温室弥雾机研制与试验研究 D 泰安 山东农业大学 2017 11000 47 7 12000 46 3 13000 45 4 农业装备与车辆工程 2024 年第 62 卷第 11 期 12 陈宝林 3M 50 型自主作业式温室弥雾机控制系统开发与试验 D 泰 安 山东农业大学 2018 13 林 金龙 日光温室单吊轨风送喷雾技术研究与试验 D 镇江 江苏大学 2022 14 王品品 履带自走式热雾机电动底盘的设计与试验研究 D 合肥 安徽农业大学 2016 15 孙姜燕 解析电动汽车底盘一体化控制技术发展趋势 J 电子元器件与信息技术 2021 5 11 17 18
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