电动农业机械研究现状及发展趋势

2017-03-13河南工业职业技术学院汽车工程学院张松泓徐碧赢

河北农机 2017年2期

河南工业职业技术学院汽车工程学院张松泓徐碧赢

电动农业机械研究现状及发展趋势

河南工业职业技术学院汽车工程学院张松泓徐碧赢

电动化是未来农业机械发展的必然趋势。实现农业机械的电动化可以有效缓解能源危机，同时对环境保护发挥积极的作用。为此，本文首先简要论述了农业机械电动化研究的背景条件以及国内外的研究现状，进而分析了国内农业机械电动化研究出现的一些问题和主要发展趋势。

电动农业机械；研究现状；发展趋势

引言

当今社会，环境和能源问题日益引起全球的关注，研发出节约能源、少污染甚至无污染的绿色农业机械已成为这一行业研究的热点，电动机械的低噪声、零排放或低排放、高效、节能以及能源多样化和综合利用等显著优点，成为各国发展的主流。因此，开展对农业机械的电动化研究是十分必要的。

1 开展对农业机械电动化研究的背景条件

首先，电机技术的发展尤其是低速大扭矩电机技术的成熟，为电动农业装备的发展提供了基础条件。电机技术的发展决定了电动机械的发展速度。

从 19 世纪末电机的出现到今天这 100 多年的发展历程中，电机技术取得了突飞猛进的进步，异步交流电机和无刷永磁电机系统在电动汽车上已经得到了广泛的应用，成为电动汽车用电机的主流，特别是 PMSM（由正弦波驱动的永磁同步电动机）非常适用于电动车的驱动系统，有广阔的应用前景。汽车的电动化为农业机械电动化的发展提供了良好的借鉴。

其次，工业的飞速发展使能源紧缺现象日益严重，迫切需要开发出新的能源方式替代传统的能源方式为机械提供动力，以缓解日益严峻的能源危机。据《BP 世界能源统计 2016》指出：以当前的开采速度计算，全球石油、天然气以及煤炭分别可以供应 30 年、55 年和152 年。国家统计局的数据显示，虽然我国每年对能源的开采量逐年增加，但仍满足不了国内的消费，促使能源的开采量进一步增加，最终加剧了能源危机。

第三，国家一系列能源政策的出台促进了电动农业机械的发展。作为世界上最大的能源生产国，我国已经形成了煤炭、电力、石油天然气以及新能源和可再生能源全面发展的能源供应体系。随着科技的发展，更多的绿色能源转换为电能。电能来源的多样化为电动机械的发展提供了有力支撑。

图1 2006 年～2015 年国家能源生产总量与消费总量

图2 2008 年～2015 年几种主要能源发电量

第四，农业机械的电动化有利于环境保护，保障人类健康。燃油动力农业机械在工作时产生的碳烟排放给环境带来了严重的污染，生存在相对封闭空间的棚类作物通过呼吸作用吸入这些废气后，再通过食物链对人类的健康造成损害，而电动农业机械有利于降低碳烟排放，是绿色环保的农业机械。

2 国内外研究现状及分析

据《ScientificAmerican》杂志报道，19 世纪末，美国南部农场出现了一种车头上有两根电线连接到电网上的拖拉机，这种拖拉机的特点是不用燃油，效率较高。1912 年德国的 Siemens 公司推出了功率为 36.8kW、由电网供电的电动拖拉机，主要用于驱动旋耕机。20 世纪40 年代，二战的爆发导致石油供应异常紧缺。电动拖拉机的研发得到世人关注。1941 年，瑞士的 Grunder研制的电动耕地拖拉机具备随时更换农机具的功能，可以进行多种作业[1]。这个时期的电动拖拉机有个共同的特点，即都由电网通过长导线提供电源，限制了其作业范围，而且导线过长增加了电力在传输过程中的损耗。

传统的电网提供电源在田间作业移动不方便，再加上 20 世纪 70 年代的能源危机和石油短缺，使得电动拖拉机再次获得生机。当时世界上多数发达国家如美国、加拿大、英国、意大利和日本等纷纷开展对车载电池供电电动拖拉机的研制。20 世纪 70 年代，美国General Electric 公司推出的 Elec—Trak 系列电动拖拉机，采用铅酸蓄电池供电和永磁无刷电机作动力源，该系列拖拉机主要用于草坪修剪作业，此外，根据用户需要还可以选配其他农具。美国其他公司从事电动拖拉机的研发，并有相当大的一部分产品推向市场，比如美国 Allis—Chalners 公司推出的电动拖拉机，采用燃料电池，该拖拉机的行驶速度通过调节起作用的燃料电池的数量实现。随着电力电子技术和电池技术的快速发展，电动拖拉机向易操作性、高可靠性和多功能性方向发展，同时性能也得到了大幅提高。

我国的电动农业机械整体起步较晚，但经过近几年的发展还是收获了不少研究成果。1972 年，我国引进英国技术生产的手持式电动喷雾机械，采用干电池或蓄电池作为动力源，整机质量为 2～4kg，生产效率在4～6.67hm2/d。安徽农业大学设计了一款微型电机驱动采茶机，质量 1kg，背负电池质量 5kg，电机功率12.9kW，效率可达人工采摘的 3～5 倍，大大提高了劳动效率。

针对棚室作业大部分依靠手工劳动这种情况，中国矿业大学的杨刚等人设计了针对温室大棚用的电动自走式撒肥机，降低了劳动强度，改善了工作环境，提高了作业效率。

河北建筑工程学院的孙有亮等人研制成功了一款小型的电动播种机，解决了传统播种机回转半径大以及碳烟排放污染等问题，实现了4轮驱动和2轮驱动之间方便的转换，增加了在相对松软的土壤表面作业的机动能力和适应性[2]。

南京农业大学的高辉松等人研发成功了一款温室大棚用电动微耕机。其耕作效率可达 2.29 亩 /h，略高于同功率汽油微耕机；每亩耗电量约为 0.46kW·h,使经济性得到了极大提高[3]。

新疆农机部门根据当地的农业情况于 2008 年研制成功了 2BDP-2 型电动玉米精量播种机，通过田间试验，效果良好，得到了广泛推广应用。甘肃畜牧工程职业技术学院的张承国等人在 2009 年研制成功了一款新型的喷灌机，即 DYP-235 型电动圆形喷灌机，这项研究对促进西北地区土地的合理化利用、荒漠化的遏制发挥了重要作用。

华南农业大学的闫国琦等人开展了对电动水稻插秧机的研究，并对整机进行了功率分配和参数优化[4]。华南农业大学的杨洲等人在参考国内外手持式汽油挖穴机的基础上，设计研发成功了便携式电动挖穴机，为电动挖穴机的优化设计提供了参考[5]。

为满足山区丘陵等特殊作业环境下油菜的机收需要，浙江工业大学的周建强等人成功研发了一款新型的轮式电动油菜割晒机，实现了油菜的分段式收获。西南大学的何家成等人研发的手持式电动水果采摘机在智能化水平、工作效率以及经济性等方面都较传统采摘方式有了大幅度改善，对果实的破坏性更小，得到了广泛的应用。

针对玉米生长期中中后期施肥困难，施肥利用率低等问题，安徽农业大学的陈黎卿等人开展了对微型电动施肥机的研究，找到了施肥量与排肥轴的转速之间的线性关系，为作物施肥精量化提供了参考。张家口职业技术学院的张秀国等人在播种机电动化方面也进行了积极探索，在成功研制出小型电动播种机的基础上对其节能机理进行了分析，效果显著。

西北农林科技大学的王元杰等人研制的微型遥控拖拉机具有良好的转向机动性以及直线行驶性，通过平行四边形机构和深松铲与单铧翻转犁的配合，有效解决了偏牵引问题，同时作业效率、连续作业时间以及经济性均比蓝天 1DN-4 微耕机、合盛 1Z-105 微耕机有了大幅度的提高。

综上所述，国内外电动农业机械已经开展了广泛的研究，特别是电动拖拉机成为各国研究的重点。电动农业机械在非道路行驶及机组田间作业时，其低速、大扭矩、载荷变化频繁、过载现象频现等特点均有别于电动汽车。目前分别在播种、插秧、喷雾、微耕以及挖穴等方面开展了电动化的研究。