動(dòng)力農業(yè)機械發(fā)展走勢論文
1電動(dòng)力技術(shù)優(yōu)勢
燃油動(dòng)力農業(yè)機械體積大，質(zhì)量大，不利于小空間環(huán)境作業(yè);而電動(dòng)力農業(yè)機械結構緊湊，體積小，質(zhì)量輕，呈現“小、靈、巧”特點(diǎn)，工作回轉半徑小，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。中小功率傳統動(dòng)力農業(yè)機械燃油發(fā)動(dòng)機效率低，機械變速傳動(dòng)機構復雜，特別是燃油發(fā)動(dòng)機工作在大余量恒功率輸出狀態(tài)，不利于低碳節能。電動(dòng)力農業(yè)機械具有良好的調速和靈活的功率控制能力，可使系統保持在高效狀態(tài)，特別是分散式多電機控制的實(shí)現代替了傳動(dòng)機構，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了農機結構，減小了農機的質(zhì)量和體積。隨著(zhù)世界一次能源進(jìn)一步枯竭，近年來(lái)國際油價(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。電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單，使用與維護成本低于燃油發(fā)動(dòng)機，傳動(dòng)鏈短，易于控制。在整體機械結構上，電動(dòng)力農業(yè)機械也較為簡(jiǎn)單可靠。初步估算，使用電動(dòng)農業(yè)機械的成本相當于燃油發(fā)動(dòng)機動(dòng)力的1/3～1/5。燃油動(dòng)力農業(yè)機械具有較嚴重的廢氣污染和油污染，對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)力農業(yè)機械的噪音污染也不得不考慮。以上因素對人體和環(huán)境影響較大［1］，特別是小功率的二沖程汽油機，尾氣排放和噪音污染更為嚴重。而電動(dòng)力農業(yè)機械均不存在以上問(wèn)題或影響較小，是真正節能、環(huán)保與綠色的農業(yè)機械。
2我國電動(dòng)力農業(yè)機械發(fā)展現狀
2．1有線(xiàn)電動(dòng)力農業(yè)機械
隨著(zhù)電動(dòng)機技術(shù)的應用和發(fā)展，該技術(shù)被較早地引入到固定式有線(xiàn)電動(dòng)力農業(yè)機械領(lǐng)域，此類(lèi)機械主要包括農產(chǎn)品加工機械、農業(yè)排灌機械和部分畜牧機械。交流感應電機具有結構緊湊、控制方便、功率轉速特性較好、成本低廉和便于維護等特點(diǎn)，在利用電網(wǎng)電源農業(yè)機械中應用最多，技術(shù)較為成熟。圖1為近20年我國農村排灌電動(dòng)機總功率的情況，圖2為農用水泵數量［2］。根據我國農村生產(chǎn)和生活特點(diǎn)，農網(wǎng)用電水平基本反應以電網(wǎng)電源農業(yè)機械為主的動(dòng)力電使用規模。圖3為1995年來(lái)農用電動(dòng)機總功率情況;圖4為1952年來(lái)我國農村用電量情況。近年來(lái)，自動(dòng)化溫室大棚技術(shù)發(fā)展較快，該技術(shù)的應用為有線(xiàn)電動(dòng)農機提供了作業(yè)環(huán)境。文獻［4］所描述的一種單相交流電機為動(dòng)力的多用途溫室機械，具有一定的代表性。該機械采用電纜供電，電機功率為2．2kW，額定轉速2850r/min，配以變速箱和執行機構，總質(zhì)量為45kg，可以實(shí)現自行走、翻地、卷簾和播種施肥等功能。該電動(dòng)機械體積和質(zhì)量較小，適合棚室作業(yè)，而且沒(méi)有尾氣和噪音污染，具有較高的應用價(jià)值。綜上所述，自改革開(kāi)放以來(lái)，我國農村電氣化水平得到迅速發(fā)展，特別是近年來(lái)中央對農村的重視和農村電網(wǎng)的改造，為我國農村電動(dòng)力農業(yè)機械的發(fā)展提供了巨大的動(dòng)力。
2．2移動(dòng)式電源電動(dòng)力農業(yè)機械
農產(chǎn)品加工和設施農業(yè)可以方便地獲得電網(wǎng)電源，其加工機械及作業(yè)機械宜優(yōu)先采用電動(dòng)力;而移動(dòng)式電動(dòng)農業(yè)機械多選用蓄電池電源或小型發(fā)電機組，由于容量和輸出功率等技術(shù)現狀，該類(lèi)農業(yè)機械的應用集中在中小功率范圍。
2．2．1園林植保電動(dòng)力機械
小型噴霧機械輸出功率較小，多采用人力肩背式，對于整體質(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(zhù)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，我國引進(jìn)英國技術(shù)仿制了一系列手持式電動(dòng)噴霧機械［5］。我國最早研發(fā)生產(chǎn)電動(dòng)噴霧劑的一批科研單位或企業(yè)主要有唐山地區農科所、上海明光儀表廠(chǎng)、上海崇明縣紅星農場(chǎng)、石家莊紅旗五金塑料廠(chǎng)、天津農機所和北京懷柔農機廠(chǎng)等［6］。當時(shí)，此類(lèi)產(chǎn)品采用干電池或蓄電池為動(dòng)力源，整機質(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，國內生產(chǎn)企業(yè)在300家以上，產(chǎn)品已大量走進(jìn)農村農戶(hù)。20世紀80年代，我國從美國和日本等國家批量進(jìn)口電動(dòng)割草機;2002年，日本本田技研工業(yè)株式會(huì )社在我國申請了發(fā)明專(zhuān)利，采用充電電池組動(dòng)力驅動(dòng)割草機［7］;2005年，我國推出了“家用和類(lèi)似用途電器的安全－步行控制的電動(dòng)割草機的特殊要求”(GB4706．78－2005)，進(jìn)一步規范了電動(dòng)割草機的生產(chǎn)［8］。直到目前，國內涉及電動(dòng)割草機的各種專(zhuān)利44項，生產(chǎn)廠(chǎng)家主要集中在廣東、江蘇、北京和上海等地區。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)局機械廠(chǎng)等單位聯(lián)合研制了一款便攜式電動(dòng)園林整枝機，并申請了國家專(zhuān)利［9］。該機械采用汽油發(fā)電機組提供電源，480W異步交流電機作為動(dòng)力輸出，最大輸出轉速達10000r/min，整機直徑達到100mm。由于電機驅動(dòng)減少了變速傳動(dòng)機構，工作頭質(zhì)量只有3kg。四川省農科院蠶業(yè)研究所與江蘇省電氣機械設計院合作開(kāi)發(fā)了電動(dòng)桑剪［10］，采用24V蓄電池供電，連續工作4－5h，整體質(zhì)量小于6kg。1994年，肖家彪農藝師研發(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，并申請了實(shí)用新型專(zhuān)利［12］。
2．2．2大田作業(yè)電動(dòng)力機械
田間農業(yè)機械需要克服復雜地況和惡劣環(huán)境等問(wèn)題，輸出動(dòng)力大多在千瓦級以上。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，使得田間電動(dòng)力農業(yè)機械發(fā)展較為緩慢。最早出現具有代表性的電動(dòng)力大田作業(yè)機械是1912年德國西門(mén)子公司生產(chǎn)的36．8kW乘坐式電動(dòng)拖拉機，后續又推出2．9kW手扶式電動(dòng)拖拉機，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［13］。對我國電動(dòng)拖拉機影響較大的是前蘇聯(lián)在20世紀三四十年代研發(fā)的系列電動(dòng)拖拉機［14］。20世紀50年代，東北農學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和松江拖拉機廠(chǎng)聯(lián)合研發(fā)了“電�！毕盗须妱�(dòng)拖拉機［15］。以上電動(dòng)機械均采用電纜供電方式。20世紀70年代，美國通用電氣公司推出了Elec－Trak系列電動(dòng)拖拉機，采用鉛酸蓄電池供電和永磁無(wú)刷電機作動(dòng)力源。由于當時(shí)國際能源危機，電動(dòng)力拖拉機的研究得到追捧，加拿大、英國、意大利和日本等國家相繼開(kāi)展了電動(dòng)拖拉機的研究，推出的產(chǎn)品功率大多在10kW左右，后續也有采用燃料電池等新技術(shù)。目前，我國南京農業(yè)大學(xué)等單位正在開(kāi)展電動(dòng)拖拉機的.研究［16－17］。長(cháng)治市農業(yè)機械試驗鑒定站研制出直流電動(dòng)微耕機，電動(dòng)機功率為380W，采用36V蓄電池供電，可連續使用3．5～4h［18］。該款機型中耕除草作業(yè)時(shí)，耕深2．4cm，耕深穩定性為89%，耕層地表平整度3．5cm，碎土率60%。該設計采用直流電機，很好地解決了調速問(wèn)題，在小型棚室作業(yè)中具有一定的應用價(jià)值。廣西荔浦縣順風(fēng)微型農機廠(chǎng)研制生產(chǎn)的一款多功能電動(dòng)收割機，采用12～16V蓄電池供電，連續工作1～3h，可收割水稻和小麥等農作物0．067～1hm2，也可用來(lái)割雜草和園林花卉整形，該產(chǎn)品已申請國家專(zhuān)利［19］;江西亞泰特種電源電器廠(chǎng)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］;安徽農業(yè)大學(xué)設計了一款微型電機驅動(dòng)采茶機，質(zhì)量1kg，背負電池質(zhì)量5kg，電機功率12．9W，效率可達手采的3～5倍，適用于各類(lèi)茶園采茶［21］。2010年11月，在廣東惠州召開(kāi)的“水稻生產(chǎn)機械化技術(shù)研討會(huì )”上，華南農業(yè)大學(xué)展示了一款步進(jìn)式兩行電動(dòng)插秧機，采用10Ah鋰電池供電，額定電壓36V，直流永磁電機最大功率135W，連續工作時(shí)間4h，插秧頻率0～90r/min可調。
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業(yè)機械作業(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)比是目前國際性問(wèn)題。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，動(dòng)力電池問(wèn)題也指日可待。由于農業(yè)機械作業(yè)環(huán)境惡劣，蓄電池的絕緣和防護問(wèn)題要比電動(dòng)汽車(chē)更加嚴格。廢舊電池的回收或處理不當，會(huì )對土壤和環(huán)境造成污染，但嚴格按照相關(guān)程序進(jìn)行處理可以避免這一問(wèn)題。
3．2驅動(dòng)電機
與電動(dòng)汽車(chē)比較，電動(dòng)農業(yè)機械行走速度低、路況較差、地面阻力大且不均衡，所以需要選擇適合農業(yè)機械工作特性的驅動(dòng)電機。永磁直流電機控制系統簡(jiǎn)單，調速范圍寬，在小功率農業(yè)機械上較為實(shí)用;鼠籠式異步交流電機機械強度大，有較大的過(guò)載能力，價(jià)格便宜，但需要直－交變頻系統驅動(dòng)，適合較大功率的電動(dòng)農業(yè)機械。包括整個(gè)電路系統，在絕緣防護上要求較高的工藝。
3．3配套設施
雖然電動(dòng)力農業(yè)機械在核心部件或整體結構上比燃油農業(yè)機械較簡(jiǎn)單，便于低成本維護和維修，但由于能量傳遞系統不同于以往，需要專(zhuān)業(yè)的人員和設備。對于大功率的電動(dòng)農業(yè)機械，還需要配套的充電設施，今后可以借鑒電動(dòng)力汽車(chē)充電站示范工程有關(guān)技術(shù)和管理模式建立農村充電站。
4發(fā)展趨勢
在現有農業(yè)機械基礎上對動(dòng)力系統進(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)機調速范圍寬、控制靈活和精準定位等特點(diǎn)，是今后研究的主要技術(shù)點(diǎn)。具體措施如下:1)利用多電機控制技術(shù)，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化機械傳動(dòng)和聯(lián)動(dòng)機構，從而減輕農業(yè)機械整體質(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，高效節能的電源管理技術(shù)和電機驅動(dòng)控制技術(shù)也是電動(dòng)力農業(yè)機械關(guān)鍵技術(shù)之一。
5結語(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(kāi)展電動(dòng)力農業(yè)機械的研究。電動(dòng)力農業(yè)機械能源清潔，沒(méi)有噪音和尾氣排放，整體機構簡(jiǎn)約，便于維護維修，使用成本較低，適合我國新農村建設和農業(yè)現代化的需要。
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