113 高普考高考三級 農業機械 農業動力學 考古題詳解

核心觀念

本題考查農用曳引機後方的三點連接裝置（three-point hitch）如何支承、升降並控制農具，以及迴轉犁如何依序與曳引機連接。

三點連接裝置以左右兩個下連接點和一個上連接點，將農具連接於曳引機後方。三個連接點共同形成穩定的連接幾何，使曳引機能承載農具、控制農具的升降與姿態，並在懸掛式農具作業時傳遞牽引力。農具的迴轉刀軸所需動力則由曳引機的動力輸出軸（PTO）經傳動軸供應；三點連接裝置與 PTO 的功能不同。

主要構件及其功用

1. 左右下拉桿（下連桿） 連接曳引機左右下方的連接點與農具下方的掛接點，支承農具並傳遞作業時的牽引力。兩側下拉桿由升降機構帶動，使農具升起或降下。

2. 上拉桿（頂桿） 連接曳引機上方連接點與農具上方掛接點，構成第三個連接點。它限制農具相對曳引機的俯仰，並可藉調整長度改變農具前後傾角；迴轉犁裝好後，也用來調整機架的前後水平。

3. 提升臂（升降臂）與提升桿（升降連桿） 曳引機液壓升降機構帶動提升臂轉動，提升桿再將動作傳至左右下拉桿，控制農具升降。左右提升桿若可調，可用來校正農具左右水平。

4. 液壓升降機構與提升軸 液壓系統提供升降動力，帶動提升軸及提升臂，使懸掛農具升起、下降，並可在作業時調整農具位置。

5. 穩定器或側向限位機構 限制下拉桿及農具左右擺動，避免農具偏移或碰撞輪胎、機身。使用時應依農具及曳引機操作手冊調整側向間隙。

解題方法：迴轉犁裝掛順序

作答時依「對位、接下連桿、接上拉桿、接 PTO、調整檢查」排列。迴轉犁由三點連接裝置支承，並另由 PTO 傳遞旋轉動力，因此機械掛接與動力連接都要交代。

核心觀念

引擎調速器（governor）是依引擎轉速變化，自動調整燃油供給量或節流閥開度的控制裝置。它的主要功能，是在操作者設定的轉速範圍內，當負載改變時調整引擎輸出，使轉速維持穩定。

負載增加時，引擎轉速下降，調速器增加供油量或開大節流閥；負載減少時，引擎轉速上升，調速器減少供油量或關小節流閥。調速器因此能防止負載突變造成轉速大幅波動或引擎超速。它維持的是設定範圍內的轉速，並非不論負載如何都能保持完全固定的轉速。

解題方法

作答分成兩部分：先說明調速器的功能，再依感測及作用原理說明三種物理式調速器。每一種都交代「感測到什麼變化」以及「如何改變供油或節流」，即可完整呈現其控制流程。

三種物理式調速器及作用原理

一、離心式調速器

離心式調速器由引擎帶動旋轉，利用飛錘（重錘）旋轉時產生的離心力感測轉速。其離心力與轉速平方成正比：

其中 $m$ 為飛錘質量、$r$ 為旋轉半徑、$\omega$ 為角速度。

引擎轉速升高時，飛錘向外移動，經連桿推動滑套或控制機構，使節流閥關小或噴油泵齒條減少供油；轉速降低時，飛錘離心力減小，回位彈簧推動機構增加供油。離心力與彈簧力相互平衡，形成對應的控制轉速。

二、氣動式調速器

核心觀念

本題考曳引機不同輸出位置的馬力定義，以及由力與速度、扭矩與轉速計算馬力。馬力代表單位時間所作的功；曳引機的馬力名稱，則依測量位置與傳遞方式區分。

解題方法

1. 指示馬力（Indicated Horse Power, IHP） 由引擎汽缸內的指示圖計算氣體對活塞所作的功率，代表汽缸內燃燒壓力所產生的理論功率，尚未扣除引擎內部摩擦與附件消耗。

2. 最大制動馬力（Max. Braked Horse Power, max. BHP） 引擎輸出軸連接測功機，在規定測試條件下量得的最大輸出馬力。它已扣除引擎內部摩擦等損失，但尚未扣除傳動系統損失。

3. 拖桿馬力（Draw-bar Horse Power, Draw-bar HP） 曳引機以拖桿牽引負載時，拖桿上的牽引力乘以行進速度所得的輸出功率，反映實際牽引作業能力。

4. 動力分導馬力（Power Take-off Shaft Horse Power, PTO HP） 動力分導軸（PTO 軸）輸出的功率，由軸上的扭矩與轉速計算，可供旋耕機、割草機等機具使用。

計算

一、拖桿馬力

拖桿功率為牽引力與行進速度的乘積：

將 $F=1000\ \mathrm{kgf}$、$V=1.5\ \mathrm{m/s}$ 代入。此處題目所列的 kg 牽引力按工程慣例視為 kgf：

核心觀念

十六烷值（cetane number）是衡量柴油自燃性能與著火延遲長短的指標。它以標準燃料的自燃特性作比較，數值愈高，柴油在壓縮空氣中愈容易自燃，著火延遲通常愈短。

十六烷值以正十六烷（正鯨蠟烷，n-cetane）為高自燃性基準，規定其十六烷值為 100；以具有較差自燃性的 α-甲基萘為低自燃性基準，規定其十六烷值為 0。試驗柴油的十六烷值，等於與其自燃品質相當之標準混合燃料中，正十六烷的體積百分率。例如，相當於含 55% 正十六烷、45% α-甲基萘的標準混合燃料，十六烷值即為 55。

解題方法

作答時先交代十六烷值的比較基準與定義，再說明它如何影響柴油引擎的著火延遲和運轉狀況。柴油引擎將空氣壓縮升溫後噴入柴油，燃油並非一噴入汽缸就立即燃燒；從噴油到開始自燃的時間稱為著火延遲。十六烷值反映柴油在此條件下的自燃難易程度。

核心觀念

本題分兩層作答：先依供電方式與工作原理整理傳統電動機分類，再按農機的功率、扭矩、轉速控制與作業型態，選擇適合的驅動馬達。選型的核心是「負載需要什麼，馬達就要能提供什麼」：曳引機重視牽引與作業機具的持續高功率，中耕管理機重視低速高扭矩與調速，割草機則重視高速旋轉、輕量與安全控制。

馬達輸出功率與扭矩、轉速的關係為：

其中 $P$ 為功率、$T$ 為扭矩、$\omega$ 為角速度。農機在低速重負載下作業時，應著重馬達能否提供足夠扭矩，並配合減速機構達到作業部件需要的轉速。

傳統農業電動機的分類與使用

電動機可先依電源分為直流電動機與交流電動機；實際選用時，再依轉矩、轉速特性及控制需求區分：

• 直流電動機：包含有刷直流馬達，以及以電子換向的無刷直流馬達（BLDC）。傳統有刷馬達容易控制、低速啟動扭矩佳，但電刷與整流子會磨耗；BLDC 省去電刷，效率與維護性較佳，但需搭配電子控制器。
• 交流感應馬達：結構堅固、成本較低、耐用且維護需求小，適合長時間運轉。以變頻器控制時可調速，常用於固定式農業設備，也可用於電動農機。
• 交流同步馬達：轉子轉速與旋轉磁場同步。永磁同步馬達（PMSM）效率、功率密度及扭矩表現佳，但需要電力電子驅動器與控制系統，成本及控制複雜度較高。

傳統農業用電動機常見於抽水、灌溉、通風、乾燥、搬運及加工等設備；其中長時間定速運轉設備常採感應馬達，需調速、空間受限或要求較高效率與扭矩控制的設備，則可採變頻感應馬達、BLDC 或 PMSM。

解題方法：依機具負載配對馬達

作答時先辨認各機具的負載型態，再說明適用馬達及選用理由：

1. 曳引機須帶動車輪行走，並可能驅動 PTO 或液壓系統，需兼顧牽引扭矩、持續功率、速度控制及能源效率。
2. 中耕管理機需低速耕作並承受土壤造成的變動負載，重視低速大扭矩、快速響應及可調轉速。
3. 割草機的刀具須維持高轉速，機具通常講求輕巧、低噪音與操作安全，適合小型化且能精確控制轉速的馬達。

各類農機的馬達選擇與特性

一、曳引機

適用永磁同步馬達（PMSM）或交流感應馬達，並由電力電子控制器進行調速與扭矩控制。

• 永磁同步馬達：效率高、功率密度高，低速時可提供良好扭矩，適合電池容量與安裝空間受限的電動曳引機。配合逆變器可精確控制行駛速度與扭矩，也可規劃多馬達分別驅動行走系統及作業系統。