動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展走勢(shì)

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1電動(dòng)力技術(shù)優(yōu)勢(shì)

燃油動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械體積大，質(zhì)量大，不利于小空間環(huán)境作業(yè);而電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，呈現(xiàn)“小、靈、巧”特點(diǎn)，工作回轉(zhuǎn)半徑小，尤其適用于南方丘陵與山地等小面積地塊作業(yè)和溫室大棚環(huán)境工作。中小功率傳統(tǒng)動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械燃油發(fā)動(dòng)機(jī)效率低，機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，特別是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作在大余量恒功率輸出狀態(tài)，不利于低碳節(jié)能。電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械具有良好的調(diào)速和靈活的功率控制能力，可使系統(tǒng)保持在高效狀態(tài)，特別是分散式多電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)代替了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)，減小了農(nóng)機(jī)的質(zhì)量和體積。隨著世界一次能源進(jìn)一步枯竭，近年來(lái)國(guó)際油價(jià)的漲幅明顯高于電價(jià)，而電能也可以從可再生能源中獲得。目前，無(wú)論從能耗的成本上看，還是從未來(lái)的能源取向來(lái)看，以電能作為最終利用形式的新能源取代一次能源是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用與維護(hù)成本低于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)鏈短，易于控制。在整體機(jī)械結(jié)構(gòu)上，電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械也較為簡(jiǎn)單可靠。初步估算，使用電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的成本相當(dāng)于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的1/3～1/5。燃油動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械具有較嚴(yán)重的廢氣污染和油污染，對(duì)空氣和土壤有不良影響，特別在溫室大棚環(huán)境中，燃油動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械的噪音污染也不得不考慮。以上因素對(duì)人體和環(huán)境影響較大［1］，特別是小功率的二沖程汽油機(jī)，尾氣排放和噪音污染更為嚴(yán)重。而電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械均不存在以上問(wèn)題或影響較小，是真正節(jié)能、環(huán)保與綠色的農(nóng)業(yè)機(jī)械。

2我國(guó)電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

2．1有線電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械

隨著電動(dòng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，該技術(shù)被較早地引入到固定式有線電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，此類機(jī)械主要包括農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械、農(nóng)業(yè)排灌機(jī)械和部分畜牧機(jī)械。交流感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便、功率轉(zhuǎn)速特性較好、成本低廉和便于維護(hù)等特點(diǎn)，在利用電網(wǎng)電源農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用最多，技術(shù)較為成熟。圖1為近20年我國(guó)農(nóng)村排灌電動(dòng)機(jī)總功率的情況，圖2為農(nóng)用水泵數(shù)量［2］。根據(jù)我國(guó)農(nóng)村生產(chǎn)和生活特點(diǎn)，農(nóng)網(wǎng)用電水平基本反應(yīng)以電網(wǎng)電源農(nóng)業(yè)機(jī)械為主的動(dòng)力電使用規(guī)模。圖3為1995年來(lái)農(nóng)用電動(dòng)機(jī)總功率情況;圖4為1952年來(lái)我國(guó)農(nóng)村用電量情況。近年來(lái)，自動(dòng)化溫室大棚技術(shù)發(fā)展較快，該技術(shù)的應(yīng)用為有線電動(dòng)農(nóng)機(jī)提供了作業(yè)環(huán)境。文獻(xiàn)［4］所描述的一種單相交流電機(jī)為動(dòng)力的多用途溫室機(jī)械，具有一定的代表性。該機(jī)械采用電纜供電，電機(jī)功率為2．2kW，額定轉(zhuǎn)速2850r/min，配以變速箱和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，總質(zhì)量為45kg，可以實(shí)現(xiàn)自行走、翻地、卷簾和播種施肥等功能。該電動(dòng)機(jī)械體積和質(zhì)量較小，適合棚室作業(yè)，而且沒(méi)有尾氣和噪音污染，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。綜上所述，自改革開放以來(lái)，我國(guó)農(nóng)村電氣化水平得到迅速發(fā)展，特別是近年來(lái)中央對(duì)農(nóng)村的重視和農(nóng)村電網(wǎng)的改造，為我國(guó)農(nóng)村電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展提供了巨大的動(dòng)力。

2．2移動(dòng)式電源電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械

農(nóng)產(chǎn)品加工和設(shè)施農(nóng)業(yè)可以方便地獲得電網(wǎng)電源，其加工機(jī)械及作業(yè)機(jī)械宜優(yōu)先采用電動(dòng)力;而移動(dòng)式電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械多選用蓄電池電源或小型發(fā)電機(jī)組，由于容量和輸出功率等技術(shù)現(xiàn)狀，該類農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用集中在中小功率范圍。

2．2．1園林植保電動(dòng)力機(jī)械

小型噴霧機(jī)械輸出功率較小，多采用人力肩背式，對(duì)于整體質(zhì)量和體積提出小型化的要求，適合電動(dòng)力的引入。特別是隨著超低量噴霧技術(shù)和靜電噴霧技術(shù)的發(fā)展，電控方式成為必然選擇。1972年，我國(guó)引進(jìn)英國(guó)技術(shù)仿制了一系列手持式電動(dòng)噴霧機(jī)械［5］。我國(guó)最早研發(fā)生產(chǎn)電動(dòng)噴霧劑的一批科研單位或企業(yè)主要有唐山地區(qū)農(nóng)科所、上海明光儀表廠、上海崇明縣紅星農(nóng)場(chǎng)、石家莊紅旗五金塑料廠、天津農(nóng)機(jī)所和北京懷柔農(nóng)機(jī)廠等［6］。當(dāng)時(shí)，此類產(chǎn)品采用干電池或蓄電池為動(dòng)力源，整機(jī)質(zhì)量為2～4kg，生產(chǎn)效率在4～6．67hm2/d。目前，電動(dòng)噴霧器技術(shù)已很成熟，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)在300家以上，產(chǎn)品已大量走進(jìn)農(nóng)村農(nóng)戶。20世紀(jì)80年代，我國(guó)從美國(guó)和日本等國(guó)家批量進(jìn)口電動(dòng)割草機(jī);2002年，日本本田技研工業(yè)株式會(huì)社在我國(guó)申請(qǐng)了發(fā)明專利，采用充電電池組動(dòng)力驅(qū)動(dòng)割草機(jī)［7］;2005年，我國(guó)推出了“家用和類似用途電器的安全－步行控制的電動(dòng)割草機(jī)的特殊要求”(GB4706．78－2005)，進(jìn)一步規(guī)范了電動(dòng)割草機(jī)的生產(chǎn)［8］。直到目前，國(guó)內(nèi)涉及電動(dòng)割草機(jī)的各種專利44項(xiàng)，生產(chǎn)廠家主要集中在廣東、江蘇、北京和上海等地區(qū)。1998年，牡丹江林業(yè)科學(xué)研究所、黑龍江省森林工業(yè)總局和大海林林業(yè)局機(jī)械廠等單位聯(lián)合研制了一款便攜式電動(dòng)園林整枝機(jī)，并申請(qǐng)了國(guó)家專利［9］。該機(jī)械采用汽油發(fā)電機(jī)組提供電源，480W異步交流電機(jī)作為動(dòng)力輸出，最大輸出轉(zhuǎn)速達(dá)10000r/min，整機(jī)直徑達(dá)到100mm。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)減少了變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作頭質(zhì)量只有3kg。四川省農(nóng)科院蠶業(yè)研究所與江蘇省電氣機(jī)械設(shè)計(jì)院合作開發(fā)了電動(dòng)桑剪［10］，采用24V蓄電池供電，連續(xù)工作4－5h，整體質(zhì)量小于6kg。1994年，肖家彪農(nóng)藝師研發(fā)了一款電動(dòng)采粉授粉器，與人工相比效率提高30倍［11］;2009年，中棉種業(yè)科技股份有限公司研發(fā)了的一款電動(dòng)棉花電動(dòng)采粉器，解決了過(guò)濾裝置由于花粉常常堵塞濾網(wǎng)而增加了電能消耗等問(wèn)題，并申請(qǐng)了實(shí)用新型專利［12］。

2．2．2大田作業(yè)電動(dòng)力機(jī)械

田間農(nóng)業(yè)機(jī)械需要克服復(fù)雜地況和惡劣環(huán)境等問(wèn)題，輸出動(dòng)力大多在千瓦級(jí)以上。由于蓄電池的容量和輸出功率在近幾十年里沒(méi)有革命性技術(shù)的出現(xiàn)，使得田間電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展較為緩慢。最早出現(xiàn)具有代表性的電動(dòng)力大田作業(yè)機(jī)械是1912年德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的36．8kW乘坐式電動(dòng)拖拉機(jī)，后續(xù)又推出2．9kW手扶式電動(dòng)拖拉機(jī)，該系列產(chǎn)品主要耕地作業(yè)。1941年，瑞典研發(fā)了一款可換耕具的多用途電動(dòng)拖拉機(jī)［13］。對(duì)我國(guó)電動(dòng)拖拉機(jī)影響較大的是前蘇聯(lián)在20世紀(jì)三四十年代研發(fā)的系列電動(dòng)拖拉機(jī)［14］。20世紀(jì)50年代，東北農(nóng)學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和松江拖拉機(jī)廠聯(lián)合研發(fā)了“電牛”系列電動(dòng)拖拉機(jī)［15］。以上電動(dòng)機(jī)械均采用電纜供電方式。20世紀(jì)70年代，美國(guó)通用電氣公司推出了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。由于當(dāng)時(shí)國(guó)際能源危機(jī)，電動(dòng)力拖拉機(jī)的研究得到追捧，加拿大、英國(guó)、意大利和日本等國(guó)家相繼開展了電動(dòng)拖拉機(jī)的研究，推出的產(chǎn)品功率大多在10kW左右，后續(xù)也有采用燃料電池等新技術(shù)。目前，我國(guó)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位正在開展電動(dòng)拖拉機(jī)的研究［16－17］。長(zhǎng)治市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站研制出直流電動(dòng)微耕機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率為380W，采用36V蓄電池供電，可連續(xù)使用3．5～4h［18］。該款機(jī)型中耕除草作業(yè)時(shí)，耕深2．4cm，耕深穩(wěn)定性為89%，耕層地表平整度3．5cm，碎土率60%。該設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)，很好地解決了調(diào)速問(wèn)題，在小型棚室作業(yè)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。廣西荔浦縣順風(fēng)微型農(nóng)機(jī)廠研制生產(chǎn)的一款多功能電動(dòng)收割機(jī)，采用12～16V蓄電池供電，連續(xù)工作1～3h，可收割水稻和小麥等農(nóng)作物0．067～1hm2，也可用來(lái)割雜草和園林花卉整形，該產(chǎn)品已申請(qǐng)國(guó)家專利［19］;江西亞泰特種電源電器廠研發(fā)的電動(dòng)割禾器體積小、質(zhì)量輕，每小時(shí)可收割0．067hm2［20］;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12．9W，效率可達(dá)手采的3～5倍，適用于各類茶園采茶［21］。2010年11月，在廣東惠州召開的“水稻生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)研討會(huì)”上，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)展示了一款步進(jìn)式兩行電動(dòng)插秧機(jī)，采用10Ah鋰電池供電，額定電壓36V，直流永磁電機(jī)最大功率135W，連續(xù)工作時(shí)間4h，插秧頻率0～90r/min可調(diào)。

3面臨的主要問(wèn)題

3．1動(dòng)力電池

采用電纜供電方式的農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)環(huán)境受到限制，而采用蓄電池動(dòng)力可以更大地增加使用靈活性，但蓄電池的容量、體積質(zhì)量、輸出功率和價(jià)格之間的優(yōu)比是目前國(guó)際性問(wèn)題。隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，動(dòng)力電池問(wèn)題也指日可待。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)環(huán)境惡劣，蓄電池的絕緣和防護(hù)問(wèn)題要比電動(dòng)汽車更加嚴(yán)格。廢舊電池的回收或處理不當(dāng)，會(huì)對(duì)土壤和環(huán)境造成污染，但嚴(yán)格按照相關(guān)程序進(jìn)行處理可以避免這一問(wèn)題。

3．2驅(qū)動(dòng)電機(jī)

與電動(dòng)汽車比較，電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械行走速度低、路況較差、地面阻力大且不均衡，所以需要選擇適合農(nóng)業(yè)機(jī)械工作特性的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。永磁直流電機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍寬，在小功率農(nóng)業(yè)機(jī)械上較為實(shí)用;鼠籠式異步交流電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度大，有較大的過(guò)載能力，價(jià)格便宜，但需要直－交變頻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，適合較大功率的電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械。包括整個(gè)電路系統(tǒng)，在絕緣防護(hù)上要求較高的工藝。

3．3配套設(shè)施

雖然電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械在核心部件或整體結(jié)構(gòu)上比燃油農(nóng)業(yè)機(jī)械較簡(jiǎn)單，便于低成本維護(hù)和維修，但由于能量傳遞系統(tǒng)不同于以往，需要專業(yè)的人員和設(shè)備。對(duì)于大功率的電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械，還需要配套的充電設(shè)施，今后可以借鑒電動(dòng)力汽車充電站示范工程有關(guān)技術(shù)和管理模式建立農(nóng)村充電站。

4發(fā)展趨勢(shì)

在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行電氣化改進(jìn)，技術(shù)上沒(méi)有不可逾越的障礙，如何發(fā)揮和利用電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍寬、控制靈活和精準(zhǔn)定位等特點(diǎn)，是今后研究的主要技術(shù)點(diǎn)。具體措施如下:1)利用多電機(jī)控制技術(shù)，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而減輕農(nóng)業(yè)機(jī)械整體質(zhì)量，這將是研究方向之一。2)由于目前蓄電池容量平均水平有限，而高能蓄電池成本較高，高效節(jié)能的電源管理技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)也是電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)之一。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)論在技術(shù)條件和能源發(fā)展方向，還是市場(chǎng)需求，都有必要大力開展電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究。電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械能源清潔，沒(méi)有噪音和尾氣排放，整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)約，便于維護(hù)維修，使用成本較低，適合我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。