电动微耕机整机结构优化设计及振动分析
发布时间：2020-08-22 07:10
【摘要】：我国丘陵山区面积占全国耕地总面积的2/3以上,其地块狭小零碎分散,不适用大中型农业机械,目前只能用小微型机械耕作。微耕机因其结构简单、重量轻、易操作与田间转移方便等特点在丘陵山区得到推广使用。且近年来随着统筹城乡发展的推进,大量农村劳动力向非农产业转移,农村劳动力缺乏,为解决劳动力不足与土地撂荒问题,提高丘陵山地农业机械化水平,微耕机成为不可或缺的农业机械。然而微耕机一般以内燃机作为动力,振动噪声大且污染环境,所以电动微耕机的研究是现阶段迫切的需求。但目前关于电动微耕机的研究较少,因此本文就以试制的一款电动微耕机样机为研究对象,通过田间试验测试其基本性能,对其性能参数及结构进行分析为该款电动微耕机的优化及相关电动微耕机的研究提供理论基础。论文的主要研究内容如下:对电动微耕机样机进行田间试验测试其基本性能参数,得到样机的耕深为117.9mm,实际耕作幅宽为801.9mm,正常工作时旋耕刀转速为143.13r/min,正常工作时功耗为1727.86W,生产率为786.67m~2/h,续航时间为0.883h,为后续电动微耕机样机的性能改进提供理论基础。以样机性能参数作为电动微耕机的设计参数,以其结构作为整机结构设计的基础,通过理论计算及动力传动系统相关零部件的性能对比分析,选取了2kW的永磁无刷直流电动机作为驱动电机,蓄电池选用了541组的6020锂电池,传动方式为锥齿轮直传,其传动比为3.22。通过对样机结构的分析,确定了电动微耕机的刀辊、扶手、机架、控制器等零部件,完成电动微耕机整机结构的理论设计。为了改进电动微耕机样机结构提高整机性能,提出了扶手力小与振动小的样机优化判别准则,以该准则确定电动微耕机的重心位置,通过调整布局对整机结构进行优化。采用了三维模型计算重心的方法测试样机重心,依据实物尺寸建立样机三维模型并赋予其各零部件的相关材料属性,通过对比分析实际样机与三维模型各部件的质量确定了三维模型计算重心方法的可行性,并通过该方法计算得到了样机的重心位置。通过对电动微耕机样机进行受力分析,确定了重心位置与扶手力的关系。基于电动微耕机的基本结构与工作原理,运用振动理论深入研究了“电动微耕机-土壤”系统的激振力、系统关键动态作用过程,对整机结构与其零部件间的动态作用过程进行简化与参数识别建立了“电动微耕机-土壤”系统的动力学模型。基于该系统动力学模型特点,运用牛顿法建立了系统数学模型,得到了振动系统的微分方程组,将该方程组与重心位置计算方法联系起来,确定了重心与振动的关系。运用MATLAB/Simulink软件建立了“电动微耕机-土壤”系统的仿真模型,通过设置模型参数与仿真参数,对系统的振动特性进行了仿真。得到了扶手架、机架和电动机处振动加速度信号的时域变化曲线,其均方根值分别为5.724 m/s~2、2.884m/s~2与2.953m/s~2。进行田间振动试验测试了该电动微耕机样机扶手架、机架与电动机处的振动加速度信号,通过滤波及时域分析得到了信号的时域变化曲线,其均方根值分别为5.840 m/s~2、3.163 m/s~2与3.102m/s~2。将试验测试结果与仿真结果进行对比,相对误差分别为1.99%、7.03%与6.64%,均小于10%,满足机械振动特性模型的精度要求,验证所建“电动微耕机-土壤”系统动力学模型是正确的。基于重心优化原则对电动微耕机的结构布局进行优化,以扶手力最小确定重心位置,得到在前进方向上电动微耕机的重心位置于扶手与驱动轴之间距离驱动轴中心10.24cm时重心最优,此处电动微耕机正常工作的扶手力为101.1N,相较之前减少25.9%。以调整蓄电池位置的方法进行电动微耕机整机的布局,得到优化后的布局为前进方向上蓄电池处于扶手与驱动轴之间距离驱动轴中心6.99cm处。建立优化后的电动微耕机振动系统模型,对其进行仿真,得到该机的扶手架、机架与电动机的振动加速度信号的均方根值为5.347m/s~2、2.693m/s~2与2.807m/s~2,将其与未优化的电动微耕机振动的仿真结果进行比较,确定这三处的振动降低了6.59%、6.62%与4.94%。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S222
【图文】：
其外形如图3-1 所示，该电动微耕机样机主要由直流无刷电机、电机控制器、可充电锂电池、变速箱、扶手架、调速控制把手、耕深调整机构、旋耕刀具、安全防护板等构成。该样机明确的设计基本参数有：电动机结构形式为直流无刷电机，其功率为60V750W～60V1000W；可充电电池为三元聚合物锂电池，其容量为 60V20ah～60V40ah；耕作幅宽为 800mm；旋耕深度大于 100mm；整机重量小于 50kg；作业速度设定 3 个前进工作挡，初步确定 150r/min、120r/min、100r/min 三个速度，设定 1 个倒挡。图 3-1 电动微耕机样机Fig 3-1 Electric mini-tiller prototype3.2 试验测试根据电动微耕机样机田间试验测试的数据，可对其整机性能进行分析，能为电动微耕机样机的优化提供理论依据。样机在田间试验前需要对耕作环境的某些物理参数如土壤含水率、土壤坚实度等进行测量， 根据丘陵山区微耕机耕作的农艺要求，电动微耕机田间试验主要测试样机的耕深、实际幅宽、转速、功率消耗、生产效率、续航能力等作业性能指标，因此需要准备土壤坚实度仪、环刀、电热干燥箱、电子天平、凿形铲、秒表、皮尺、深度尺、直尺、转速表、功率仪等工具，相关数据的测量参照国家标准 GB/T5668.3-1995 进行。2017 年 5 月在重庆市某大棚进行了田间试验，对相关参数指标进行测试，其现场如图 3-2 所示。
图 3-2 电动微耕机样机田间试验现场2 Field test site of electric mini-tiller pr测量质量（或每单位体积）潮湿土表示。土壤含水率是影响农业称重法，该方法是当前测定土够的精度，是对土壤质量含水采用环形刀在耕作层内以 1m 的 10 处土样，将其装入样盒内，，干燥时保持 105±2℃的温度，冷却到室温后称出干土质量，表 3-1 所示。
图 3-3 SC900 土壤坚实度仪 图 3-4 土壤坚实度测试Fig 3-3 SC900 soil firmness tester Fig 3-4 Testing of soil firmness该仪器测量的深度范围为 0～450mm，其深度测量的精度 12.5mm，测量压范围为 0～7000kPa，压力和测量精度为±103kPa。进行测量时要将坚实度仪地面以低于 25.4mm/s 的速度插入土壤中，该仪器每隔 25mm 会自动记录土坚实度，测试完成后将数据导出处理，测试现场如图 3-4 所示，其结果如表 示。表 3-2 土壤坚实度测量数据Tab 3-2 The measurement data of soil firmness土壤层深度/（mm） 坚实度/（MPa）0-50 0.124-0.56850-100 0.196-0.438100-150 0.201-0.467
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S222
【图文】：
其外形如图3-1 所示，该电动微耕机样机主要由直流无刷电机、电机控制器、可充电锂电池、变速箱、扶手架、调速控制把手、耕深调整机构、旋耕刀具、安全防护板等构成。该样机明确的设计基本参数有：电动机结构形式为直流无刷电机，其功率为60V750W～60V1000W；可充电电池为三元聚合物锂电池，其容量为 60V20ah～60V40ah；耕作幅宽为 800mm；旋耕深度大于 100mm；整机重量小于 50kg；作业速度设定 3 个前进工作挡，初步确定 150r/min、120r/min、100r/min 三个速度，设定 1 个倒挡。图 3-1 电动微耕机样机Fig 3-1 Electric mini-tiller prototype3.2 试验测试根据电动微耕机样机田间试验测试的数据，可对其整机性能进行分析，能为电动微耕机样机的优化提供理论依据。样机在田间试验前需要对耕作环境的某些物理参数如土壤含水率、土壤坚实度等进行测量， 根据丘陵山区微耕机耕作的农艺要求，电动微耕机田间试验主要测试样机的耕深、实际幅宽、转速、功率消耗、生产效率、续航能力等作业性能指标，因此需要准备土壤坚实度仪、环刀、电热干燥箱、电子天平、凿形铲、秒表、皮尺、深度尺、直尺、转速表、功率仪等工具，相关数据的测量参照国家标准 GB/T5668.3-1995 进行。2017 年 5 月在重庆市某大棚进行了田间试验，对相关参数指标进行测试，其现场如图 3-2 所示。
图 3-2 电动微耕机样机田间试验现场2 Field test site of electric mini-tiller pr测量质量（或每单位体积）潮湿土表示。土壤含水率是影响农业称重法，该方法是当前测定土够的精度，是对土壤质量含水采用环形刀在耕作层内以 1m 的 10 处土样，将其装入样盒内，，干燥时保持 105±2℃的温度，冷却到室温后称出干土质量，表 3-1 所示。
图 3-3 SC900 土壤坚实度仪 图 3-4 土壤坚实度测试Fig 3-3 SC900 soil firmness tester Fig 3-4 Testing of soil firmness该仪器测量的深度范围为 0～450mm，其深度测量的精度 12.5mm，测量压范围为 0～7000kPa，压力和测量精度为±103kPa。进行测量时要将坚实度仪地面以低于 25.4mm/s 的速度插入土壤中，该仪器每隔 25mm 会自动记录土坚实度，测试完成后将数据导出处理，测试现场如图 3-4 所示，其结果如表 示。表 3-2 土壤坚实度测量数据Tab 3-2 The measurement data of soil firmness土壤层深度/（mm） 坚实度/（MPa）0-50 0.124-0.56850-100 0.196-0.438100-150 0.201-0.467
【参考文献】
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1 崔艺文;刘s
本文编号：2800412
本文链接：https://www.wllwen.com/nykjlw/nygclw/2800412.html
