河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 張松泓 徐碧贏

電動農(nóng)業(yè)機械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 張松泓 徐碧贏

電動化是未來農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的必然趨勢。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的電動化可以有效緩解能源危機，同時對環(huán)境保護(hù)發(fā)揮積極的作用。為此，本文首先簡要論述了農(nóng)業(yè)機械電動化研究的背景條件以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，進(jìn)而分析了國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械電動化研究出現(xiàn)的一些問題和主要發(fā)展趨勢。

電動農(nóng)業(yè)機械；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

引言

當(dāng)今社會，環(huán)境和能源問題日益引起全球的關(guān)注，研發(fā)出節(jié)約能源、少污染甚至無污染的綠色農(nóng)業(yè)機械已成為這一行業(yè)研究的熱點，電動機械的低噪聲、零排放或低排放、高效、節(jié)能以及能源多樣化和綜合利用等顯著優(yōu)點，成為各國發(fā)展的主流。因此，開展對農(nóng)業(yè)機械的電動化研究是十分必要的。

1 開展對農(nóng)業(yè)機械電動化研究的背景條件

首先，電機技術(shù)的發(fā)展尤其是低速大扭矩電機技術(shù)的成熟，為電動農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。電機技術(shù)的發(fā)展決定了電動機械的發(fā)展速度。

從 19 世紀(jì)末電機的出現(xiàn)到今天這 100 多年的發(fā)展歷程中，電機技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，異步交流電機和無刷永磁電機系統(tǒng)在電動汽車上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，成為電動汽車用電機的主流，特別是 PMSM（由正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機）非常適用于電動車的驅(qū)動系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用前景。汽車的電動化為農(nóng)業(yè)機械電動化的發(fā)展提供了良好的借鑒。

其次，工業(yè)的飛速發(fā)展使能源緊缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重，迫切需要開發(fā)出新的能源方式替代傳統(tǒng)的能源方式為機械提供動力，以緩解日益嚴(yán)峻的能源危機。據(jù)《BP 世界能源統(tǒng)計 2016》指出：以當(dāng)前的開采速度計算，全球石油、天然氣以及煤炭分別可以供應(yīng) 30 年、55 年和152 年。國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)顯示，雖然我國每年對能源的開采量逐年增加，但仍滿足不了國內(nèi)的消費，促使能源的開采量進(jìn)一步增加，最終加劇了能源危機。

第三，國家一系列能源政策的出臺促進(jìn)了電動農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展。作為世界上最大的能源生產(chǎn)國，我國已經(jīng)形成了煤炭、電力、石油天然氣以及新能源和可再生能源全面發(fā)展的能源供應(yīng)體系。隨著科技的發(fā)展，更多的綠色能源轉(zhuǎn)換為電能。電能來源的多樣化為電動機械的發(fā)展提供了有力支撐。

圖1 2006 年 ～2015 年國家能源生產(chǎn)總量與消費總量

圖2 2008 年 ～2015 年幾種主要能源發(fā)電量

第四，農(nóng)業(yè)機械的電動化有利于環(huán)境保護(hù)，保障人類健康。燃油動力農(nóng)業(yè)機械在工作時產(chǎn)生的碳煙排放給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染，生存在相對封閉空間的棚類作物通過呼吸作用吸入這些廢氣后，再通過食物鏈對人類的健康造成損害，而電動農(nóng)業(yè)機械有利于降低碳煙排放，是綠色環(huán)保的農(nóng)業(yè)機械。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

據(jù)《ScientificAmerican》雜志報道，19 世紀(jì)末，美國南部農(nóng)場出現(xiàn)了一種車頭上有兩根電線連接到電網(wǎng)上的拖拉機，這種拖拉機的特點是不用燃油，效率較高。1912 年德國的 Siemens 公司推出了功率為 36.8kW、由電網(wǎng)供電的電動拖拉機，主要用于驅(qū)動旋耕機。20 世紀(jì)40 年代，二戰(zhàn)的爆發(fā)導(dǎo)致石油供應(yīng)異常緊缺。電動拖拉機的研發(fā)得到世人關(guān)注。1941 年，瑞士的 Grunder研制的電動耕地拖拉機具備隨時更換農(nóng)機具的功能，可以進(jìn)行多種作業(yè)[1]。這個時期的電動拖拉機有個共同的特點，即都由電網(wǎng)通過長導(dǎo)線提供電源，限制了其作業(yè)范圍，而且導(dǎo)線過長增加了電力在傳輸過程中的損耗。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)提供電源在田間作業(yè)移動不方便，再加上 20 世紀(jì) 70 年代的能源危機和石油短缺，使得電動拖拉機再次獲得生機。當(dāng)時世界上多數(shù)發(fā)達(dá)國家如美國、加拿大、英國、意大利和日本等紛紛開展對車載電池供電電動拖拉機的研制。20 世紀(jì) 70 年代，美國General Electric 公司推出的 Elec—Trak 系列電動拖拉機，采用鉛酸蓄電池供電和永磁無刷電機作動力源，該系列拖拉機主要用于草坪修剪作業(yè)，此外，根據(jù)用戶需要還可以選配其他農(nóng)具。美國其他公司從事電動拖拉機的研發(fā)，并有相當(dāng)大的一部分產(chǎn)品推向市場，比如美國 Allis—Chalners 公司推出的電動拖拉機，采用燃料電池，該拖拉機的行駛速度通過調(diào)節(jié)起作用的燃料電池的數(shù)量實現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)和電池技術(shù)的快速發(fā)展，電動拖拉機向易操作性、高可靠性和多功能性方向發(fā)展，同時性能也得到了大幅提高。

我國的電動農(nóng)業(yè)機械整體起步較晚，但經(jīng)過近幾年的發(fā)展還是收獲了不少研究成果。1972 年，我國引進(jìn)英國技術(shù)生產(chǎn)的手持式電動噴霧機械，采用干電池或蓄電池作為動力源，整機質(zhì)量為 2～4kg，生產(chǎn)效率在4～6.67hm2/d。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計了一款微型電機驅(qū)動采 茶機， 質(zhì) 量 1kg，背負(fù) 電 池質(zhì)量 5kg， 電機功 率12.9kW，效率可達(dá)人工采摘的 3～5 倍，大大提高了勞動效率。

針對棚室作業(yè)大部分依靠手工勞動這種情況，中國礦業(yè)大學(xué)的楊剛等人設(shè)計了針對溫室大棚用的電動自走式撒肥機，降低了勞動強度，改善了工作環(huán)境，提高了作業(yè)效率。

河北建筑工程學(xué)院的孫有亮等人研制成功了一款小型的電動播種機，解決了傳統(tǒng)播種機回轉(zhuǎn)半徑大以及碳煙排放污染等問題，實現(xiàn)了4輪驅(qū)動和2輪驅(qū)動之間方便的轉(zhuǎn)換，增加了在相對松軟的土壤表面作業(yè)的機動能力和適應(yīng)性[2]。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的高輝松等人研發(fā)成功了一款溫室大棚用電動微耕機。其耕作效率可達(dá) 2.29 畝 /h，略高于同功率汽油微耕機；每畝耗電量約為 0.46kW·h,使經(jīng)濟(jì)性得到了極大提高[3]。

新疆農(nóng)機部門根據(jù)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)情況于 2008 年研制成功了 2BDP-2 型電動玉米精量播種機，通過田間試驗，效果良好，得到了廣泛推廣應(yīng)用。甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院的張承國等人在 2009 年研制成功了一款新型的噴灌機，即 DYP-235 型電動圓形噴灌機，這項研究對促進(jìn)西北地區(qū)土地的合理化利用、荒漠化的遏制發(fā)揮了重要作用。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的閆國琦等人開展了對電動水稻插秧機的研究，并對整機進(jìn)行了功率分配和參數(shù)優(yōu)化[4]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的楊洲等人在參考國內(nèi)外手持式汽油挖穴機的基礎(chǔ)上，設(shè)計研發(fā)成功了便攜式電動挖穴機，為電動挖穴機的優(yōu)化設(shè)計提供了參考[5]。

為滿足山區(qū)丘陵等特殊作業(yè)環(huán)境下油菜的機收需要，浙江工業(yè)大學(xué)的周建強等人成功研發(fā)了一款新型的輪式電動油菜割曬機，實現(xiàn)了油菜的分段式收獲。西南大學(xué)的何家成等人研發(fā)的手持式電動水果采摘機在智能化水平、工作效率以及經(jīng)濟(jì)性等方面都較傳統(tǒng)采摘方式有了大幅度改善，對果實的破壞性更小，得到了廣泛的應(yīng)用。

針對玉米生長期中中后期施肥困難，施肥利用率低等問題，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳黎卿等人開展了對微型電動施肥機的研究，找到了施肥量與排肥軸的轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系，為作物施肥精量化提供了參考。張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院的張秀國等人在播種機電動化方面也進(jìn)行了積極探索，在成功研制出小型電動播種機的基礎(chǔ)上對其節(jié)能機理進(jìn)行了分析，效果顯著。

西北農(nóng)林科技大學(xué)的王元杰等人研制的微型遙控拖拉機具有良好的轉(zhuǎn)向機動性以及直線行駛性，通過平行四邊形機構(gòu)和深松鏟與單鏵翻轉(zhuǎn)犁的配合，有效解決了偏牽引問題，同時作業(yè)效率、連續(xù)作業(yè)時間以及經(jīng)濟(jì)性均比藍(lán)天 1DN-4 微耕機、合盛 1Z-105 微耕機有了大幅度的提高。

綜上所述，國內(nèi)外電動農(nóng)業(yè)機械已經(jīng)開展了廣泛的研究，特別是電動拖拉機成為各國研究的重點。電動農(nóng)業(yè)機械在非道路行駛及機組田間作業(yè)時，其低速、大扭矩、載荷變化頻繁、過載現(xiàn)象頻現(xiàn)等特點均有別于電動汽車。目前分別在播種、插秧、噴霧、微耕以及挖穴等方面開展了電動化的研究。

3 電動農(nóng)業(yè)機械發(fā)展存在的問題及發(fā)展趨勢

電動農(nóng)業(yè)機械發(fā)展存在的問題主要有：

①目前國內(nèi)對電動農(nóng)業(yè)機械的研究整體上還比較盲目，對田間作業(yè)規(guī)律的研究較少；

②電機的適應(yīng)性不夠明顯，不能滿足復(fù)雜的田間作業(yè)需求；

③電池問題亟須解決，迫切需要開發(fā)出大容量、小體積、性價比更高的新型電池；

④迫切需要開展對電動農(nóng)業(yè)機械的控制系統(tǒng)的研究。

電動農(nóng)業(yè)機械發(fā)展趨勢體現(xiàn)在：

通過對非道路行駛以及機組田間作業(yè)載荷變化規(guī)律的進(jìn)一步研究，為電動農(nóng)業(yè)機械的研究提供基本參數(shù)依據(jù)。

開展對電極驅(qū)動規(guī)律的深入研究，積極研發(fā)新型電機。

開展對電池控制策略的研究，研制出微型高能電池。

參考電動汽車整車控制系統(tǒng)，建立電動農(nóng)業(yè)機械的整車控制系統(tǒng)。

4 結(jié)語

綜上所述，無論是處于緩解能源危機和保護(hù)環(huán)境方面考慮，還是為了滿足市場的需求，大力開展對農(nóng)業(yè)機械的電動化研究都是十分必要的。電動農(nóng)業(yè)機械的零排放、零污染，整機性價比高，輕便且便于維護(hù)，符合我國的整體發(fā)展戰(zhàn)略，也是我國新農(nóng)村建設(shè)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。

[1]高輝松.電動拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[2]孫有亮,楊月貴等.小型電動播種機研制[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2011,42（4）：579-581.

[3]高輝松,朱思洪等.溫室大棚用電動微耕機研制[J].機械設(shè)計.2012,29（11）：83-86.

[4]閆國琦,張鐵民等.電動水稻插秧機功率分配與參數(shù)優(yōu)化[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報,2012,40（12）：1-6.

[5]楊洲,陳朝海等.果園施肥用便攜式電動挖穴機性能試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29（12）：25-31.

張松泓,男，1988 出生，河南社旗人，碩士，助教，研究方向：高等職業(yè)教育、汽車車身修復(fù)。