轮距可调的电驱式小型半喂入水稻联合收割机设计

尹　健，陈　兰，黄年月，肖龙祥，潘远香

(1.贵州大学 机械学院， 贵阳　550025；2.贵航飞机有限责任公司，贵州 安顺　561000)



轮距可调的电驱式小型半喂入水稻联合收割机设计

尹健1，陈兰2，黄年月2，肖龙祥1，潘远香1

(1.贵州大学 机械学院， 贵阳550025；2.贵航飞机有限责任公司，贵州 安顺561000)

摘要：山地丘陵地区要实现水稻收获的机械化，必须解决现有机型机器重、体积大、转运难的问题。本文从两个方面来解决这些矛盾，轮距可调解决了田埂上行走问题，电驱左右轮的方式解决了转向灵活问题，并省去了复杂的差速及传动系统。同时，给出了主要部件的结构设计和计算,设计了一种控制电路。

关键词：水稻联合收割机；半喂入；电驱式；可调轮距

0引言

我国南方是主要粮食作物水稻的主产区，主要为山地丘陵地貌。其运输条件差，大中型收割机械无法到田间作业。因此，水稻联合收割机的小型化、轻量化是我国南方山区、丘陵地区实现水稻收获机械化的关键技术。

对水稻联合收割机的小型化、轻量化有较多研究。高玉根[1]等提出了一款割前脱粒的机型，割幅600mm收两行水稻但机型很长。时胜德等[2]提出了一种卧式割台的半喂入机型，明显降低了茎秆输送距离，割幅700mm,由于脱粒滚筒与割台并排放置故宽度很大。王峰等[3]采用了“U型”行走路线的半喂入机型，即茎秆切割后横向输送，转180°弯后进入脱粒夹持链继续横向输送脱粒，该机型割幅600mm，其长度和宽度介于上述两款机型之间。

在驱动方式上，上述机型均采用汽油发动机，通过机械传动将动力引到各处。这样处理的弊端是：传动系统比较复杂，当遇到需要变换位置及角度时更甚；特别地，各部分的转速受到既定传动系统的约束而成固定的速比关系，对收获不同成熟度及倒伏度的水稻而言，无法通过控制油门达到调整其中某个环节速度变化之目标。近年来，电动汽车的发展为水稻联合收割机的驱动提供了新思路。严萍华[4]研究了一款纯电动垃圾清扫车，通过充电为电动机提供动力。宋珂[5]等研究了增程式电动汽车，在传统的纯电动汽车上增加了一套能发电且给车载动力蓄电池充电的辅助装置。

上述几款机械式半喂入机型由于长宽方面尺寸较大，在道路崎岖、田块狭窄的山地稻田使用，还会遇到许多困难；纯电动或带有增程器的驱动模式，因必须携带质量较大的动力蓄电池也不适合本项目提出的山地半喂入机型。

质量轻、体积小、转向灵活、转运方便同时具有一定生产率的机型，是真正适合山地丘陵地区使用的机型。在此总体目标下，本文提出了一种可调轮距的、直接电驱式的小型半喂入水稻联合收割机。

1总体结构及轮距调节机构

水稻联合收割机的长、宽、高及生产率之间是互相牵制的。仔细分析不难发现：长、宽、高之间的关系就是一个此消彼长的关系；不过，采取适当的措施并仔细布置，是可以在长、宽、高之间很好协调的。作为一款山地半喂入水稻联合收割机，本项目设计的4LB-0.6半喂入水稻联合收割机在这方面进行了有益的尝试。

1.1整机结构

总体结构如图1所示。

工作时，扶禾机构将倒伏的禾秆扶起，交给夹禾机构；禾秆在夹持状态下完成切割，然后进入脱粒夹持机构；禾秆在脱粒夹持链的带动下进入脱粒滚筒完成脱粒并将禾秆抛于机器后方。

为适应不同高度禾秆的抓取，设计夹禾咬入点的高度可调，通过夹禾机构的安装底板绕其尾部转动来调整，本机夹持高度设定为420～750mm；采用夹持后切割方式，扶起链的前伸量设计成可调。若该距离太大，则收获短茎秆时，扶起后的茎秆有可能会再次倾倒而导致夹持不好；该距离太小，则收获长茎秆时会出现尚未扶起就开始夹持也会导致夹持不好。为调节不同的喂入深度，脱粒夹持机构的压紧点为三段可调，即通过调节螺母抬起或放下压板实现压紧位置的变换。

1.扶禾机构　2.夹禾机构　3.电动推杆　4.脱粒夹持机构　5.转臂

机器在转运过程中，利用电动推杆先将转臂抬起，则扶禾机构和割刀均被抬高，便于通过障碍。当需要调整履带轮距时，先将机器尾部的伸缩支架放下，然后伸长电动推杆，使转臂向下转动，从而将整机抬起，履带离开地面以便于调整。轮距设计成可调，便于机器在田埂等狭窄地带上通行。

扶禾链及履带均采用减速电机驱动，其电能来源于汽油发电机增程器。扶禾链用电机驱动，传动系统十分简单，且便于调速，以适应不同倒伏状态及不同成熟度的水稻收获[6]。行走部分设计成电机驱动，避免了使用差速器；理论上只要控制电机的正反转, 便可实现原地转动，转弯半径小，便于在狭小田块上通行。

1.2履带轮距调节机构

调节机构如图2所示。左右履带分别安装在两个独立的滑动导轨上。当需要调整轮距时，先将履带抬离地面，然后将紧定螺栓松开，通过手轮转动丝杆使立柱联接梁在斜线方向移动，从而实现轮距的调整。固定导轨斜置，避免了在缩小轮距时，滑动导轨与输谷搅龙外壳发生干涉，同时又不至于使机器重心高度太大。

2履带调整机构设计

2.1轮距调整量

履带轮距调节的各部分尺寸如图3所示。

1)最大最小轮距为

Lmax=2[(l1+l2)cos30°+l3]-2(l4+l5)

Lmin=Lmax-2+l2cos30°

式中Lmax、Lmin—最大、最小轮距(mm)；

l1—滑动导轨长度(mm)，l1=165；

l2—滑动导轨行程(mm)，l2=135；

l3—滑动导轨在最下位时与中心距离(mm)，l3=52；

l4—履带宽(mm)，l4=120；

l5—滑动导轨在最上位时履带与边缘距离(mm)，l5=42。

故Lmax=305mm，Lmin=72mm。

2)高度变化。由于采用斜置导轨的方式，因而在调整前后高度变化不应过大，以免引起操作上的困难及重心不稳。缩小轮距后重心抬高量为

H=l2sin30°=67mm

本机总体高度850mm，重心高度590mm。调宽时导致高度的变化很小，不会带来问题。

3)适应田埂宽。将履带轮距缩小到最窄，则履带边缘尺寸即为适应田埂宽度，有

B=Lmin+2l4=312mm

1.驱动组件　2.立柱　3.紧定螺栓　4.固定导轨　5滑动导轨

图3　轮距调节

2.2电动推杆设计

电动推杆作为一种传力机构，在使用上较液压缸更为简单。目前，电动推杆的标准行程从100～400mm，级差为50mm，最大推力可达6 000N，空载速度为5～35mm/s。

1)行程确定。

安装推杆的凸耳螺栓孔中心距：转臂处于最上位时为140mm、处于最下位时270mm，行程130mm，选标准行程为150mm规格。

2)推力确定。

图4为电动推杆将转臂提起时，要克服装在转臂上所有部分的质量；将转臂放下时，要克服整机质量。

已知G1=280N，G2=970N，其余尺寸如图4所示。

(a)　抬起转臂　　　　　　　 (b)　抬起机器

经计算，抬起转臂时，电动推杆拉力F1=481N；放下转臂并抬起整机时，电动推杆推力F2=371N。

据此，电动推杆选择行程150mm、推力500N的标准推杆。

3履带驱动底盘的设计

3.1牵引功率

本机主要技术参数如表1所示。

表1　收割机主要技术参数

3.1.1收割机速度

1)作业速度为

vm1=S/3600b=0.185～0.32m/s

式中vm1—收割机作业速度(m/s)；

S—作业效率(m2/h)，本机S=400～700；

b—收割机割幅(m)。

2)收割机转运行驶速度为

本机设定为vm2=0.6m/s。

3.1.2牵引力

本机的移动速度较低，空气阻力可以忽略不计，因而只需考虑两种工况下的牵引力。

1)上坡行驶工况，有

F1=fcosα+Gsinα=787.4N

式中F1—上坡行驶牵引力(N)；

G—收割机质量(N)；

f—履带行走机构的滚动阻力系数。

不同路面下的滚动阻力如表2所示[7]。按最大值0.15计算。

表2　不同土质路面的滚动阻力系数

2)水平行驶工况，有

F2=GF=187N

式中F2—水平行驶牵引力(N)。

3.1.3牵引功率

P=Fvm/1000

式中P—履带机构的牵引功率(kW)。

1) 以作业速度上坡行驶，有

P1=F1vm1/1000=0.251kW

2)以最高车速水平行驶，有

P2=F2vm2/1000=0.112kW

故牵引功率P=max{P1,P2}=0.251kW。

3.2履带选型

本机要求整机质量轻，因此选用橡胶履带，履带花纹选用一字型。

1)履带节距。可按下式估算[9]，有

2)驱动轮齿数[10]为

Z′=60×1000vm/nt=12.8

式中Z′—估算的驱动轮齿数；

n—与vm对应的驱动轮轴转速(r/min)，作业速度对应的转速取为n=30。

实际采用的齿数Z>Z′，取偶数且便于加工时分度，故取Z=16。

3)驱动轮节圆直径[10]为

式中D—驱动轮节圆直径(mm)；

δ—履带钢丝层中心至履带内滚动面距离(mm)，取δ=10mm。

4)履带长度。根据整机的设计要求，履带主从动轮中心距为L0=485mm，水稻联合收割机的履带长宽比λ=L0/b，一般λ=3～4[11]，选取b=120mm。

履带周长：L=2L0+D=1205mm。

4电路设计

相对传统的纯机械式驱动，电驱式水稻联合收割机的提出，主要是从转向灵活、传统系统简单的角度出发，这与电动汽车主要追求环保无污染不尽相同。

所谓电动汽车，是指由车载储能元件提供能源，用电动机驱动车辆行驶的汽车，可分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。为弥补纯电动汽车续航里程不足的问题，欧美发达国家首先提出了增程式纯电动汽车模式[5]，其基础是纯电动汽车，但增加了一套能够发电且能给蓄电池充电的装置即增程器。当蓄电池电能不足时，增程器工作，给蓄电池充电或直接驱动电机。

本项目设计的半喂入机型，主要追求质量小，因而采用了将增程器发出的电能直接驱动电机的工作方式。增程器发出的电经处理后为24V直流电。

4.1电机选择

1)驱动电机功率为

Pm=λP/η1η2=0.48kW

式中λ—过载系数[5]，取λ=1.2；

P—牵引功率；

η1—履带的传动效率[8]，取η1=0.90；

η2—减速器的传动效率, 取单头蜗杆传动η2=0.7[12]。

故每个电机功率为0.24kW，该功率值能满足低速上坡及高速行驶的要求。

2)驱动电机转矩为

式中i—蜗杆减速器传动比，本机i=10。

故每个电机转矩6.6N·m，该值能满足最大上坡要求。因此，电机选用额定电压为24V，额定功率为0.25kW，转矩为6.6N·m的直流电机。

4.2电机调速

实际收割作业时，对扶禾链及履带驱动电机都需要调速。扶禾链的速度在0.7～0.9m/s，以适应不同倒伏状态、不同成熟度的水稻收获；履带的行驶速度在0.3～0.6m/s之间，以适应作业及转运的需求。

当前直流电机最好的调速方式即脉宽调制，即PWM。采用该种方式控制电机转速有两优点：

1)主要是通过改变输出方波的占空比，使得负载上的平均接通时间从0～100%变化，以达到调整负载速度的目的。其好处是电源的能量能得到充分利用，电路的效率高；而采用常见的电阻降压调速时，部分消耗在电阻的压降及热耗上。

2)采用PWM方式可以使负载在工作时得到满电源电压，有利于克服电机内在的线圈电阻而使电机产生更大的力矩。

选用的调速器参数如下：

输入电压：12～40VDC

额定电流/A：8～20

负载功率/W：0～400

频率/kHZ：13

脉冲调速范围/%：10～100

4.3控制电路

本机的控制电路示意图如图5所示。其采用继电器控制履带电机的行走和转向，避免过大电流直接进入开关造成触点烧坏。

图5　控制电路示意图

5结论

本文设计的半喂入水稻联合收割机，采用轮距可调技术，解决了田埂上行走问题，可在310mm宽度的田埂上行驶；采用发电机直接驱动电机的方式驱动，左右电机均为24V直流电机，额定功率0.25kW；电机驱动左右轮的方式解决了转向灵活问题，并省去了复杂的差速及传动系统；机器质量控制在125kg以下。本机适用于山区、丘陵地区使用，田间试验即将开展。

参考文献：

[1]高玉根，汪遵元，郭超，等.割前脱粒联合收割机中纵置式脱粒部件的研究[J].农业机械学报，1997,28(3)：35-38.

[2]时胜德，唐宾，蔡敢为.4LB-0.7小型半喂入水稻联合收割机的设计[J].农业机械学报，2006,37(6)：165-167.

[3]王峰，尹健.小型半喂入水稻联合收割机设计研究[J].贵州科学，2013，31(5)：39-42.

[4]严萍华.电动清扫车的总体设计以及动力系统的研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[5]宋珂，章桐.增程式纯电驱动汽车动力系统研究[J].汽车技术，2011(6)：14-18.

[6]耿端阳，张道林，王相友，等.新编农业机械学[M].北京:国防工业出版社,2011.

[7]马旭.高等农业机械学[M].长春:吉林大学出版社,2006.

[8]周曼川，彭福人.路面冷铣刨机履带行走机构设计参数分析[J].养护机械与施工技术，2005(11)：31-33.

[9]刘海燕.履带行走机构的计算与选型计算[J].采矿技术，2013，13(4):90-93.

[10]华南农学院农机教研室.水稻联合收割机原理与设计[M]．北京：中国农业机械出版社，1981．

[11]马旭.高等农业机械学[M].长春:吉林大学出版社,2006.

[12]蒲良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2006.

Design of an Electrical Driven Semi-feed Rice Combine Harvester with Adjustable Wheel Distance Device

Yin Jian1, Chen Lan2, Huang Nianyue2, Xiao Longxiang1,Pan Yuanxiang1

(1.College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025,China; 2.Guizhou Aviation Co Limited,Anshun 561000,China)

Abstract：In order to realize mechanization of rice harvest, some key issues at the present rice combine harvesters must be solved such as heavy in weight, big in size and difficult in transportation.In the paper, the issues are solved from two aspects by means of adjustable wheel distance device and electrical driving system.The adjustable wheel distance makes it possible to drive on a lynch while electrical driven wheel to turn easily. In the paper, the major structures and relative calculations are presented and the control circuit is suggested.

Key words：rice combine harvester； semi-feed; electric driving； adjustable wheel distance

文章编号：1003-188X(2016)03-0129-05

中图分类号：S225.4

文献标识码：A

作者简介：尹健(1962-)，男，贵阳人，教授，工学硕士，(E-mail)yinjian100@qq.com。

基金项目：贵州省科技厅农业攻关项目(黔科合NZ字[2013]3020)

收稿日期：2015-02-24