摘要：基于襄垣县仁达机电设备有限公司现有自走式玉米摘穗联合收获机，自主设计了一款采用油电混合四轮驱动底盘的玉米联合收获机。该机将清洁能源应用在玉米联合收获机上，行走部分采用电能驱动，作业部分仍然采用柴油发动机，原有大功率柴油发动机变换为小功率柴油发动机，收获作业时柴油发动机带动发电机给电动行走系统蓄电池充电，可以提高续航里程。电动行走底盘可以进行两驱和四驱模式自由切换。试验表明，该机行走操作方便，运行稳定，并为玉米联合收获机向无人驾驶和自动驾驶方向发展做了有益尝试。

　　关键词：油电混合玉米收获机,电动行走底盘,防溜坡

　　随着我国农业现代化的逐步推进，玉米收获机械也得到快速发展，玉米收获环节已经基本实现机械化。现有的自走式玉米收获机配备的发动机，多数工作在高功率下的低速大扭矩区间，因而造成玉米收获机的能源消耗很大，不仅消耗大量的化石能源，而且还有大量的尾气排放到大气中，对生态环境和自然资源的负面影响是显而易见的。

　　现有玉米收获机的行走系统多为柴油机带动齿轮变速箱，通过调节挡位来控制收获机前进速度。因为玉米收获作业时，收获作业系统需要发动机保持在一定的转速区间才能达到良好的收获效果。因此，在发动机转速一定的情况下，如果要匹配好收获行走速度，必须通过更换挡位来实现行走速度的控制，这样就出现一个问题，当驾驶员在收获中途减油门更换挡位或在地头减油门掉头的时候，就会出现剥皮机堵塞和籽粒除杂不干净的现象。玉米收获机作业时，因挡位选择不合理，经常会发生脱挡现象；因柴油机负荷瞬时超载，会出现动力不足转速降低，燃油燃烧不充分的现象。因此，本研究试图将电动行走底盘应用在玉米收获机上，设计出一款油电混合自走式玉米摘穗收获机。

　　1整机结构原理和主要技术参数

　　1.1整机结构

　　油电混合自走式玉米摘穗收获机采用的电动行走底盘主要替代现有玉米收获机的行走动力系统、换挡变速箱、驱动行走部分，玉米收获机的摘穗、升运、剥皮、除杂、秸秆粉碎配备小功率柴油机提供动力。行走部分由2台72 V、10 kW三相变频电机驱动，有前进、空挡、后退3个挡位，而且有高速与低速切换、两驱与四驱切换的功能，其整机结构见图1。

　　1.2工作原理

　　油电混合自走式玉米摘穗收获机在田地作业时，首先打开电池组总开关，将电动底盘行走系统切换至低速四驱挡位，并转动旋钮开关旋至D挡（前进挡）。然后发动机进行点火，通过操作液压手柄将主离合进行结合，再调整手油门将发动机转速调整在适合的工作转速区间（2 000～2 200 r/m in）。发动机同时带动72 V、10 kW的发电机组给磷酸铁锂电池组（28.8 kW h）进行充电，从而增加该玉米收获机的续航里程。机器工作状态调整好后，将割台调整到适合收获的高度，通过油门踏板加速器来给电机控制器电信号，2个电机控制器会分别将DC 72 V直流电通过逆变变成三相交流电输入到2台10 kW三相交流变频电动机上，电动机通过减速箱减速来带动整机行走。割台拨禾链会将带穗的玉米秆引导进摘穗装置，通过拉茎辊和摘穗板的共同作用使玉米果穗与茎秆分离，拉下的茎秆会在前置秸秆粉碎机作用下粉碎并铺放地表。玉米果穗会通过割台输送搅龙送进升运器，升运器将果穗送至剥皮机内，剥皮机将剥去苞叶的果穗通过压穗轮、甩穗轮抛入集穗箱内。剥下的苞叶和掉落的籽粒会落到振动筛的筛面上，苞叶里夹杂的籽粒通过筛孔落入籽粒回收箱，苞叶在清选风机气流吹动和清选筛阻挡的共同作用下排出机外。在集穗箱上方安装的摄像头会把集穗箱内部的画面显示在驾驶室显示屏，供驾驶员观察集穗箱内玉米果穗的多少，当集穗箱内的果穗收集满时，驾驶员停止收获作业，随后操作液压系统将集穗箱升起，将玉米果穗倾卸到运输车辆上。
       1.3主要技术参数

　　油电混合自走式玉米摘穗收获机主要技术参数见表1。

　　2电动底盘设计

　　2.1电动行走底盘设计

　　为提高机组整体刚性和强度，电动行走底盘机架采用12#槽钢焊接结构，配置四轮驱动行走系统，设计载重为4.5 t。综合考虑锂电池组体积和重量，最终确定将锂电池单体电压设定为DC 3.2 V，选取24个单体进行串联，锂电池容量为400 Ah。因锂电池组容量有限，在行走作业时不能满足一天的工作需求，所以在此底盘上还增设有1台72V、10 kW发电机组，通过柴油机带动发电机给锂电池进行充电，以此来增加续航里程。发动机功率根据各个工作部件消耗功率计算加上15%的功率储备，采用37 kW（50马力）柴油机。发动机横向布置，左侧输出动力带动发电机；右侧输出动力，向前带动割台、升运器、前置秸秆粉碎机，向上带动剥皮机。整体结构见图2。

　　2.2底盘动力系统

　　油电混合自走式玉米摘穗收获机设计最大行走速度为35 km/h，最大爬坡角度为15°,采用四轮驱动，4个轮胎直径全部为800 m m。底盘动力选择72 V、10 kW、额定转速4 000 r/m in的三相交流变频电动机2台，2台电动机分别安装与前驱动桥、后驱动转向桥高低速齿轮箱上，齿轮箱内设计有2组减速齿轮，分别为1/20、1/40，通过高低速切换拉杆来实现高低速的变（切）换，齿轮箱输出轴带动差速器，将扭矩通过差速器半轴传递到驱动轮上。
       2.3底盘操控系统

　　行走底盘操控系统采用电液控制，线束为全新设计。行走底盘两驱与四驱切换、前进挡与后退挡切换与操作，均采用手动旋钮开关控制。整机前进与后退速度的控制，由脚踏油门（电门）控制，往下踩加速，往上放减速。整机制动采用液压电动真空助力泵驱动，前驱动桥采用鼓刹机构，后转向驱动桥采用散热更好的盘刹结构，为使整车制动可靠，制动盘直径为300 m m，由制动踏板控制。底盘转向系统采用电动液压转向，电动液压泵为D C 72 V、0.8 kW，输出压力为80 bar。驱动电机控制器全部采用CAN通讯，可根据试验结果调整控制器相关参数。

　　3关键技术及创新点

　　3.1关键技术

　　3.1.1集成电动驱动桥

　　油电混合自走式玉米摘穗收获机前驱动桥采用外径为108 m m、壁厚为8 m m的无缝钢管设计制造，整体将电机、主减速箱、差速器集成于驱动桥上。后转向驱动桥的结构组成既具有一般驱动桥所具有的主减速箱、差速器及半轴，也具有一般转向桥所具有的转向节壳体、主销和轮毂等。它与单独的驱动桥、转向桥相比，其不同之处是由于转向所需要半轴被分为2段，分别叫内半轴（与差速器相连接）、外半轴（与轮毂连接），二者用等角速万向节连接起来。同时，主桥也因此分成上下两段，分别固定在万向节的球形支座上。转向节轴颈做成空心，以便外半轴从中穿过。转向节的连接叉是球状转向节壳体，既满足了转向的需要，又适应了转向节的传递扭矩。集成电驱动桥具有结构紧凑、重量轻、传动效率高等特点，电机动力经变速齿轮等机构直接驱动车轮，可以使电机工作保持在高效率区间，可有效降低电耗。

　　3.1.2防溜坡控制系统

　　首先，电机控制器通过检测电路得到整车的挡位信号、制动信号、速度大小、方向、油门开度；然后，电机控制器系统判断挡位信号、制动信号、速度大小、方向是否处于防溜坡模式；如果系统不处于防溜坡模式，系统就判断是否满足转矩模式或待机模式条件。如果系统处于待机模式，PW M（脉冲宽度调制）就处于关闭状态。如果系统进入转矩模式，就按照油门开度系统发出转矩指令。如果系统进入防溜坡模式，那么不管油门开度是多少，系统就发出增加转矩的指令值，直至整车不再溜坡为止。

　　3.1.3运行参数实时显示系统

　　为方便驾驶人员随时观测、了解并调整机器的运行状态，实时显示系统可以将电池组的输出电压、输出电流、储存电量、发动机转速、机器行驶速度、机油压力、冷却水温度等数据实时显示在液晶显示屏上。

　　3.1.4快充系统

　　油电混合自走式玉米摘穗收获机设计有快速充电接口，匹配快充充电器，充电电压为D C 72 V，充电电流最高为200 A，可以在2 h内将磷酸铁锂电池组充满电，极大地缩短了充电时间。

　　3.2技术创新点

　　3.2.1油电混合行走动力可增加续航里程

　　油电混合自走式玉米摘穗收获机动力系统采用的是油电混合结构。机器行走系统的后驱部分和前驱部分由2台电机分别提供驱动力，磷酸铁锂电池组位于玉米收获机尾部。该机处于玉米收获作业状态时，以5 km/h速度（挂低速挡）在田间行走，驱动电机所需功率约为9.2 kW。该机匹配有1台10kW的发电机组，配备的柴油机（37 kW）除了给工作装置提供动力，同时带动发电机进行发电，给磷酸铁锂电池组进行充电，以此增加油电混合玉米收获机的续航里程。

　　3.2.2挡位切换旋钮开关操作方便自如

　　现有的玉米收获机多为机械式换挡机构，操作时需用脚踩下离合踏板，同时用手操作换挡杆换挡。油电混合自走式玉米摘穗收获机取消了换挡机构，采用旋钮开关变换前进和倒退，旋钮开关位于前进挡（D挡）位置时，系统控制后驱电机和前驱电机都处于正转状态，油电混合玉米收获机处于前进状态；反之，旋钮开关位于后退挡（R挡）位置时，系统控制前后驱动电机都处于反转状态，油电混合玉米收获机处于后退（倒车）状态。前进和后退速度控制由脚踏油门（电门）控制，往下踩加速，往上放减速。

　　3.2.3节能降耗经济性好

　　原机械动力玉米收获机配套的发动机功率为58.8 kW，正常收获玉米作业，平均油耗为2.9 L/亩（1亩约等于0.067 hm 2）。油电混合自走式玉米摘穗收获机改为电动行走底盘后，配备的发动机功率为37 kW，平均油耗约为2 L/亩，相比原机型节省燃油0.9 L/亩。如果按每天收获35亩计算，使用该机相比使用原机型每天可节省燃油31.5 L，按市价柴油7.5元/L计算，每天可节省燃油费236.25元。

　　4试验和评价

　　油电混合自走式玉米摘穗收获机样机试制完成后，先后在长治市襄垣县、晋中市左权县进行了道路转移和田间作业试验，总体情况如下。

　　4.1满足使用要求

　　油电混合自走式玉米摘穗收获机设计载质量为4.5 t，最大爬坡角度为15°。试验表明，该电动底盘玉米收获机在充满电（28.8 kW/h）的情况下，当在田间玉米收获作业时，以时速为5 km/h的速度匀速收获，不使用发动机增程，玉米收获可达20亩/h。在水泥或柏油路面转移行走，不使用发动机增程，行驶距离可达30 km，满足设计使用要求。田间作业试验中发现，当遇到不平地面颠簸时，油门踏板开合角度会发生变化，控制器迅速响应油门踏板所给信号，导致该样机在收割作业时难以匀速控制行走速度，出现时快时慢的情况。分析其原因，是因为控制器无延时输出高低电压给电机。为此，对电机控制器参数进行了重新设定，将电机控制器在处理油门踏板信号时设置了1 s的加减速坡度缓冲响应时间。改进后的样机，在行走过程中可平稳加减速，作业行走速度的稳定性得到了根本改善。

　　4.2符合行业发展趋势

　　目前，电动三轮车和电动农业运输车辆在我国农村正处于日益普及的状态，电动农业机械装备也已经成为广大农民的共同期盼。加之，全球性石油能源供需矛盾的加剧，包括风电、水电、光伏在内的电能相对宽裕，大量推广电动农业机械装备，既能充分利用现有清洁能源，大量减少污染物排放，有利于保护环境，还能大幅度降低农业生产成本，有利于保证粮食生产安全，已经受到全社会的普遍重视。因此，开发电动农业机械装备符合行业技术发展趋势。

　　4.3便于实现智能化升级

　　当前，农业机械制造行业正在进入智能化创新升级的关键时期。智能农业机械装备的研究开发是当前农业机械科技创新的主要方向，不仅企业的生产经营管理需要数字化智能化转型，而且企业生产的产品也需要自动化智能化升级。电动行走底盘在该机上的应用是以企业作为主体进行技术创新的有效尝试。与此同时，我们还就智能化技术的集成应用进行了技术探索和模拟仿真。可以证明，电动行走底盘在油电混合自走式玉米摘穗收获机上的应用是玉米收获机实现智能化升级的可行途径。

　   参考文献

　　[1]侯将勇.4Y Z X-2H型自走式玉米收获机设计与试验[J].当代农机,2023(01):85-87.

　　[2]古中强.4Y Z-4A型自走式玉米收获机设计与试验[J].当代农机,2023(08):48-50.