农业机械的环保节能设计

2014-08-15庞书军

时代农机 2014年10期

庞书军

（北海精彩贸易有限责任公司，广西北海536000）

“十二五”是我国现代农业建设深入推进的时期。农业机械一体化水平是形成农业国际竞争力的核心能力，其高低决定着我国在农业国际领域竞争力的强弱。加快农业机械化发展进度，对我国农业地位，促进农业和农村经济的全面、协调、可持续发展具有重要意义。而传统的农业机械在设计过程中，存在对环保与节能方面不重视的问题。导致农业机械出现高污染、高消耗，既不利于农业机械的生产，也不利于农业机械的应用。因此，必须从农业机械设计入手必须从机制和源头上解决农业机械设计工作的应对问题，加强新产品研发设计工作，提高产品科技含量，达到农业设计的有力创新和发展。

1 农业机械设计的理念

我国人口的增长、土地种植面积的缩小和土地的贫瘠化，使粮食增产的压力越来越大，如何加快农业发展，增加粮食产量是当前亟待解决的问题。在机械化主导农业发展的今天，只有提高农机产品的安全性、适用性和节能性才能减少其消耗，保护农作物生长环境，才会使农民从机械化农业生产中获得更大收益。绿色发展和低碳环保是当前循环可持续发展经济的主要理念，经济发展和社会进步的脚步越快就越需要良好的资源与环境条件作为支撑，应该将节能环保理念作为发展的战略前提，以此来确保整个建设过程的长久、健康发展。

2 农业机械的环保节能设计

环保节能机械不仅具备自身的生态环境优点，也具有一定的经济优势。环保节能农业机械可以降低在农机制造、应用、维护过程中对生态的影响，控制过大机械能耗的产生。在减少环境污染的同时，控制土壤质量不出现上下剧烈的波动；可以有效节约种子、农药和化肥的用量，同时减少能源、水资源、污染防控、职业病保健方面的开支，这能够控制农业机械和农业生产的不必要支出。根据近些年环保节能农业机械的发展经验来看，环保节能农业机械可以利用高科技元素带来效率和效益的提升。

2.1 农业机械的材料选择

材料选择是农业机械节能环保设计最重要的过程，设计过程中应该做好材料控制，选择无毒无害、可以重复利用、对生态环境影响小的材料作为环保节能农业机械的基础，这样可以降低农业机械对环境的负面影响，实现对环境、资源、生态的有力维护。

工程塑料由于具有密度小、比强度高、良好的耐蚀性及良好的减摩和自润滑性等一系列优良特性，在理论研究和实际应用上引起了人们的极大关注。如活塞环在动力机械中主要是防止气体从压缩容器内漏出。因此,活塞环的材料除了要具有一定的力学性能与弹性外，还应有自润滑性和减摩、耐磨性。聚四氟乙烯是制作活塞环的理想材料，常用于不能用润滑剂或其它苛刻条件下如有严重腐蚀性及对安全性要求比较高的场合，其大大减少了气缸内壁的磨损，延长了气缸使用寿命。

木塑纤维复合材料是以木质纤维为主要组分，经过预处理使之与合成纤维、树脂或其它材料结合而成的一种新型材料在很多领域已成为钢材和工程塑料等常用工程材料的替代品。木塑复合材料在提高结构材料的力学强度和声学性能，降低材料的重量、能源燃料消耗及生产成本，减少加工时间，提高乘客的安全性和在极端的温度变化时的防碎性能上都有很好的表现，已广泛应用在于汽车、建筑、船舶、电子和航空航天等领域。这对于农业机械比较传统的材料应用是一个很好的启发。

我国农业机械耐磨零部件的质量很难达到国际先进水平，农机生产领域农机零配件的合格率一直都在60%～70%徘徊，农机耐磨配件则更低，例如，旋耕刀近年来平均抽查的合格率为58.3%，锤片的平均抽查合格率为61.9%。借助堆焊、热喷涂、激光表面处理等表面工程技术，通过对农机耐磨件易磨损表面的强化，可以大幅度提高零件的耐磨性能，延长耐磨件的使用寿命。张麟等人采用爆炸喷涂工艺，在低温榨油机榨螺表面制备WC-12%Co耐磨涂层。研究表明，WC-12%Co耐磨涂层寿命是传统渗碳淬火层的4.2倍。农机耐磨件恶劣的工作环境对制造材料提出更高的要求，也督促我们必须加快对新型农机材料的研究、开发和推广。与此同时，改性处理工艺的研究也不可或缺，热处理工艺、表面工程技术在农机耐磨零部件方面的应用也愈显重要，尤其是表面工程技术，相对于传统的热处理工艺拥有不可比拟的优势。

2.2 农业机械燃料的选择

内燃机是农机的动力机械，内燃机的燃料主要是柴油和汽油，这类燃料燃烧后会产生大量含碳和硫的有害气体，对农业生产环境造成污染，影响农产品的质量和农业的持续发展。所以，农业机械的环保节能设计中要研究开发清洁的能源，包括太阳能、沼气等，减少对汽油、柴油等的使用，降低噪声、废气等污染，并能够减轻碳排放过多造成的温室效应，保护农业生态环境不受或是少受污染，为农作物的生长营造良好的环境。

生物柴油是一种清洁的可再生能源,它是以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料，是优质的石油和柴油代用品。目前德国已成为世界最大的生物柴油生产国和消费国。德国主要以油菜籽为原料生产生物柴油，建立了1600多座生物柴油加油站。我国生物柴油正处于开发初期与小批量试产阶段，主要以餐饮等行业废油回收或以膏桐、黄连木、油菜籽等为原料。刘蕾等研究发现按照每千克柴油排放CO2量3.2kg计算，假设2007年我国农机全部采用生物柴油,每年可减少对大气排放的CO2约6000万t。生物柴油生产过程中相对于石化柴油，能降低污染物的排放。最明显的是CO降低了34%，PM10(10Lm以下的颗粒)降低了68%，SOx降低了8.33%。

全球领先的农业机械品牌纽荷兰（NEW HOLLAND）2013年就推出了世界上第一辆以氢燃料电池为动力的拖拉机，它的名字叫NH2，可以驱动一台106马力的电动机，四轮驱动。在这款机械身上，传统的柴油机动力系统被两个氢燃料电池驱动的电马达动力系统所取代，其中，一个马达主要用作动力牵引，另一个马达用于动力传递和辅助操作，单个的氢燃料罐可以工作1.5到2个小时，能提供大约106马力的功率。用氢燃料电池作动力也意味着动力传递无污染、更高效（因为无需复杂的齿轮传动系统）。与此同时，太阳能也已广泛应用到现代农业种植、养殖、灌溉、病虫害防治以及农业机械（设施）动力提供等领域。如四川省攀西地区太阳能提灌站利用太阳能清洁能源，降低了电力、柴油等能源消耗，减少了碳粉尘、二氧化碳、二氧化硫等排放。

2.3 农业机械的可拆卸性

DFD(Design For Disassembly)即可拆卸性设计，DFD是绿色设计理念的主要内容之一。DFD可以分为两类：一类是面向产品回收(Design For Recy-cling)的可拆卸性设计另一类是面向产品维修(Design For Maintenance)的可拆卸性设计。可拆卸性设计是产品绿色设计的主要内容之一。加强产品和零部件的回收再生循环，体现出农业机械设计中的绿色设计理念，在产品整个设计周期内，不仅要满足环境目标要求，更要保证产品功能、质量及使用年限的完整等要求。

可拆卸性设计有两种设计方法：一是基于“典型模块”的可拆卸性设计（CMDFD）。CMDFD（Classical Module DFD）是可拆卸性设计方法发展的初期阶段，它是在设计过程中，尽可能地直接或者间接利用现有的、已被验证具有良好拆卸性的一些典型结构模块，应用在新产品的设计上，达到良好的拆卸性目标。二是计算机辅助可拆卸性设计（CADFD）。CADFD是把经模块设计和CAD及CAM等工程软件综合起来进行产品设计，实现计算机辅助设计。可拆卸性设计的核心技术：建立农业机械的“典型模块化”数据库，建立计算机仿真技术评价体系的知识库和数据库，建立计算机网络化设计。

Ug是美国EDS公司开发的CAD/CAE/CAM一体化软件，被广泛应用于农业机械、航空航天等领域。该软件可运行于WINDOWNT平台，无论是装配图还是零部件设计，都从三维实体造型开始，可视化程度极高。任娟等以美国PTC公司推出的Pro/E软件作为机械设计中有限元分析和优化设计的工具，结合播种机驱动轴的设计，介绍了优化设计的整个过程，说明了优化设计在提高农业机械设计质量中的巨大作用。