電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

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

電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

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

電動(dòng)化是未來(lái)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的必然趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的電動(dòng)化可以有效緩解能源危機(jī)，同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)發(fā)揮積極的作用。為此，本文首先簡(jiǎn)要論述了農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)化研究的背景條件以及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，進(jìn)而分析了國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)化研究出現(xiàn)的一些問(wèn)題和主要發(fā)展趨勢(shì)。

電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

引言

當(dāng)今社會(huì)，環(huán)境和能源問(wèn)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(wú)污染的綠色農(nóng)業(yè)機(jī)械已成為這一行業(yè)研究的熱點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)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(diǎn)，成為各國(guó)發(fā)展的主流。因此，開(kāi)展對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的電動(dòng)化研究是十分必要的。

1 開(kāi)展對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)化研究的背景條件

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

從 19 世紀(jì)末電機(jī)的出現(xiàn)到今天這 100 多年的發(fā)展歷程中，電機(jī)技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，異步交流電機(jī)和無(wú)刷永磁電機(jī)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，成為電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)的主流，特別是 PMSM（由正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)）非常適用于電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用前景。汽車(chē)的電動(dòng)化為農(nóng)業(yè)機(jī)械電動(dòng)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(kāi)發(fā)出新的能源方式替代傳統(tǒng)的能源方式為機(jī)械提供動(dòng)力，以緩解日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)。據(jù)《BP 世界能源統(tǒng)計(jì) 2016》指出：以當(dāng)前的開(kāi)采速度計(jì)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(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)顯示，雖然我國(guó)每年對(duì)能源的開(kāi)采量逐年增加，但仍滿足不了國(guó)內(nèi)的消費(fèi)，促使能源的開(kāi)采量進(jìn)一步增加，最終加劇了能源危機(jī)。

第三，國(guó)家一系列能源政策的出臺(tái)促進(jìn)了電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展。作為世界上最大的能源生產(chǎn)國(guó)，我國(guó)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(lái)源的多樣化為電動(dòng)機(jī)械的發(fā)展提供了有力支撐。

圖1 2006 年 ～2015 年國(guó)家能源生產(chǎn)總量與消費(fèi)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(jī)械的電動(dòng)化有利于環(huán)境保護(hù)，保障人類(lèi)健康。燃油動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械在工作時(shí)產(chǎn)生的碳煙排放給環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的污染，生存在相對(duì)封閉空間的棚類(lèi)作物通過(guò)呼吸作用吸入這些廢氣后，再通過(guò)食物鏈對(duì)人類(lèi)的健康造成損害，而電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械有利于降低碳煙排放，是綠色環(huán)保的農(nóng)業(yè)機(jī)械。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

據(jù)《ScientificAmerican》雜志報(bào)道，19 世紀(jì)末，美國(guó)南部農(nóng)場(chǎng)出現(xiàn)了一種車(chē)頭上有兩根電線連接到電網(wǎng)上的拖拉機(jī)，這種拖拉機(jī)的特點(diǎn)是不用燃油，效率較高。1912 年德國(guó)的 Siemens 公司推出了功率為 36.8kW、由電網(wǎng)供電的電動(dòng)拖拉機(jī)，主要用于驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)。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(dòng)拖拉機(jī)的研發(fā)得到世人關(guān)注。1941 年，瑞士的 Grunder研制的電動(dòng)耕地拖拉機(jī)具備隨時(shí)更換農(nóng)機(jī)具的功能，可以進(jìn)行多種作業(yè)[1]。這個(gè)時(shí)期的電動(dòng)拖拉機(jī)有個(gè)共同的特點(diǎn)，即都由電網(wǎng)通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線提供電源，限制了其作業(yè)范圍，而且導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)增加了電力在傳輸過(guò)程中的損耗。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)提供電源在田間作業(yè)移動(dòng)不方便，再加上 20 世紀(jì) 70 年代的能源危機(jī)和石油短缺，使得電動(dòng)拖拉機(jī)再次獲得生機(jī)。當(dāng)時(shí)世界上多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、加拿大、英國(guó)、意大利和日本等紛紛開(kāi)展對(duì)車(chē)載電池供電電動(dòng)拖拉機(jī)的研制。20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)General Electric 公司推出的 Elec—Trak 系列電動(dòng)拖拉機(jī)，采用鉛酸蓄電池供電和永磁無(wú)刷電機(jī)作動(dòng)力源，該系列拖拉機(jī)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(guó)其他公司從事電動(dòng)拖拉機(jī)的研發(fā)，并有相當(dāng)大的一部分產(chǎn)品推向市場(chǎng)，比如美國(guó) Allis—Chalners 公司推出的電動(dòng)拖拉機(jī)，采用燃料電池，該拖拉機(jī)的行駛速度通過(guò)調(diào)節(jié)起作用的燃料電池的數(shù)量實(shí)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(dòng)拖拉機(jī)向易操作性、高可靠性和多功能性方向發(fā)展，同時(shí)性能也得到了大幅提高。

我國(guó)的電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械整體起步較晚，但經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展還是收獲了不少研究成果。1972 年，我國(guó)引進(jìn)英國(guó)技術(shù)生產(chǎn)的手持式電動(dòng)噴霧機(jī)械，采用干電池或蓄電池作為動(dòng)力源，整機(jī)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(jì)了一款微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)采 茶機(jī)， 質(zhì) 量 1kg，背負(fù) 電 池質(zhì)量 5kg， 電機(jī)功 率12.9kW，效率可達(dá)人工采摘的 3～5 倍，大大提高了勞動(dòng)效率。

針對(duì)棚室作業(yè)大部分依靠手工勞動(dòng)這種情況，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的楊剛等人設(shè)計(jì)了針對(duì)溫室大棚用的電動(dòng)自走式撒肥機(jī)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)播種機(jī)，解決了傳統(tǒng)播種機(jī)回轉(zhuǎn)半徑大以及碳煙排放污染等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了4輪驅(qū)動(dòng)和2輪驅(qū)動(dòng)之間方便的轉(zhuǎn)換，增加了在相對(duì)松軟的土壤表面作業(yè)的機(jī)動(dòng)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(dòng)微耕機(jī)。其耕作效率可達(dá) 2.29 畝 /h，略高于同功率汽油微耕機(jī)；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(jī)部門(mén)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(dòng)玉米精量播種機(jī)，通過(guò)田間試驗(yàn)，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(guó)等人在 2009 年研制成功了一款新型的噴灌機(jī)，即 DYP-235 型電動(dòng)圓形噴灌機(jī)，這項(xiàng)研究對(duì)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(guó)琦等人開(kāi)展了對(duì)電動(dòng)水稻插秧機(jī)的研究，并對(duì)整機(jī)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(guó)內(nèi)外手持式汽油挖穴機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)成功了便攜式電動(dòng)挖穴機(jī)，為電動(dòng)挖穴機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)收需要，浙江工業(yè)大學(xué)的周建強(qiáng)等人成功研發(fā)了一款新型的輪式電動(dòng)油菜割曬機(jī)，實(shí)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(dòng)水果采摘機(jī)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(duì)果實(shí)的破壞性更小，得到了廣泛的應(yīng)用。

針對(duì)玉米生長(zhǎng)期中中后期施肥困難，施肥利用率低等問(wèn)題，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳黎卿等人開(kāi)展了對(duì)微型電動(dòng)施肥機(jī)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(guó)等人在播種機(jī)電動(dòng)化方面也進(jìn)行了積極探索，在成功研制出小型電動(dòng)播種機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)其節(jié)能機(jī)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(jī)具有良好的轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性以及直線行駛性，通過(guò)平行四邊形機(jī)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(wèn)題，同時(shí)作業(yè)效率、連續(xù)作業(yè)時(shí)間以及經(jīng)濟(jì)性均比藍(lán)天 1DN-4 微耕機(jī)、合盛 1Z-105 微耕機(jī)有了大幅度的提高。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)開(kāi)展了廣泛的研究，特別是電動(dòng)拖拉機(jī)成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械在非道路行駛及機(jī)組田間作業(yè)時(shí)，其低速、大扭矩、載荷變化頻繁、過(guò)載現(xiàn)象頻現(xiàn)等特點(diǎn)均有別于電動(dòng)汽車(chē)。目前分別在播種、插秧、噴霧、微耕以及挖穴等方面開(kāi)展了電動(dòng)化的研究。

3 電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展存在的問(wèn)題主要有：

①目前國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究整體上還比較盲目，對(duì)田間作業(yè)規(guī)律的研究較少；

②電機(jī)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(wèn)題亟須解決，迫切需要開(kāi)發(fā)出大容量、小體積、性價(jià)比更高的新型電池；

④迫切需要開(kāi)展對(duì)電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制系統(tǒng)的研究。

電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在：

通過(guò)對(duì)非道路行駛以及機(jī)組田間作業(yè)載荷變化規(guī)律的進(jìn)一步研究，為電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究提供基本參數(shù)依據(jù)。

開(kāi)展對(duì)電極驅(qū)動(dòng)規(guī)律的深入研究，積極研發(fā)新型電機(jī)。

開(kāi)展對(duì)電池控制策略的研究，研制出微型高能電池。

參考電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)，建立電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的整車(chē)控制系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)論是處于緩解能源危機(jī)和保護(hù)環(huán)境方面考慮，還是為了滿足市場(chǎng)的需求，大力開(kāi)展對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的電動(dòng)化研究都是十分必要的。電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的零排放、零污染，整機(jī)性價(jià)比高，輕便且便于維護(hù)，符合我國(guó)的整體發(fā)展戰(zhàn)略，也是我國(guó)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(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)播種機(jī)研制[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（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(dòng)微耕機(jī)研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì).2012,29（11）：83-86.

[4]閆國(guó)琦,張鐵民等.電動(dòng)水稻插秧機(jī)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(bào),2012,40（12）：1-6.

[5]楊洲,陳朝海等.果園施肥用便攜式電動(dòng)挖穴機(jī)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),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(chē)車(chē)身修復(fù)。