农业机械的绿色节能设计

2021-12-26王伟超

南方农机 2021年4期

王伟超，姚楠

（哈克（邯郸）农业机械装备制造有限公司，河北邯郸 056000）

农业机械在如今社会及经济发展阶段起着十分关键的作用。近几年，国家农业机械化发展越来越快，对农业机械绿色节能提出了越来越高的标准。只有注重现代化农业机械规划的绿色节能，方可提升中国农业在全球市场上的竞争水平，给农业机械的迅速发展奠定坚实的基础。

1 农业机械绿色节能设计的必要性

目前，国内农业机械选择的是传统设计方式，资源及能源耗损量大，对生态污染较大，是一种高投资的粗放式生产形式。中国农机工业协会发布的文章《国四排放升级势在必行》显示，随着国内农业机械化程度的不断提高，农机排放污染问题越发严峻，农机融入绿色节能设计，进行产品升级刻不容缓。国四排放标准的升级，要求所有使用柴油机的农机产品都要配置排放测试仪。农机环境污染问题受到广泛关注，农机产品未来将朝着高性能、多功能、低消耗以及低成本等趋势演变。相关数据显示，我国每年均有许多农机设备报废，采取绿色节能设计后能够让农机设备的零配件容易分类回收且再生能耗最低，消除农机设备全生命周期终端的负担，让废弃设施、垃圾污染程度降至最低。农机产品绿色节能设计既为社会带来了高性能、低成本的设备，并且能够带动企业以及整个农机产业的振兴和整体发展，提升我国农机设备的竞争水平，积极占领国内市场且增大出口。绿色节能设计已经是农机产品发展的一大趋势。

2 农业机械的绿色节能设计优点

2.1 生态自然优点

农业机械的绿色节能设计能够减少污染，提升土质。农民若想使农产品增产，所采取的方法无非是施肥、施药等，但这些方法应用过量将会导致土壤与地面水污染，特别是施肥。播种过程采取的施肥方法是表施和浅施，农药极易被挥发；在阴雨天施肥能够避免化肥挥发，但是化肥极易被雨水冲走，造成化肥的使用效率很低。借助机械深施肥，就能够轻松化解上述问题，不仅能够提升化肥使用效率，增加农产品产量，还能够有效降低生态污染。过去的人工、畜力耕种方式，会令土壤耕作层日益瘠薄；持续施加无机肥料，会加重土地盐碱化，降低肥力。借助现代化土地耕作设备进行深耕，则能够优化土地耕作层，优化耕作层厚度、优化土地结构；借助收割设备收获，且把秸秆粉碎用作肥料，削减无机化肥对土地的侵蚀与损坏，可增加农田的有机质，提升土壤质量。

2.2 经济优点

农业机械的绿色节能设计消除了原来施肥期间过度浪费等现象，节省了农业生产投入。新型环保低碳农业机械在削减化肥用量的基础上，减少了生产期间各种不必要的支出。环保与节能属于世界农业生产追求的目标，可让农户的利益获得应有的保障，扩展农业生产的经营空间，而且能发挥它在农业生产环节的经济价值。

3 农业机械绿色节能设计要点

绿色节能既具备生态保护的特征，还存在经济优势。注重农业机械环保绿色节能设计既能够降低农业机械在规划、制造、应用环节的能耗，改善环境污染，并且能够很好地防止土壤产生上下严重抖动的情况，进而更好地节省种子、农药以及化肥的数量，使农业栽种经济收益最大化。

3.1 清洁性

在农业生产过程，常见的农业机械动力由内燃机供应，而内燃机会对环境造成以下问题：耗损一次性资源石油；噪声、废气问题；热排放与漏油问题。废气外排与漏油问题对环保农业干扰严重，废气里的NOX、HC 化合物严重影响农作物的质量与农业的长远发展。因此，农业机械的动力绿色选型设计要优选以电力为动力的产品，加速研制光伏能、H2、植物油以及天然气发动机[1]；加快对发动机绿色化学设计的研究，可以利用汽油无铅化和汽油防磨性、柴油低硫化和柴油润滑性、自然燃料和生态摩擦学、汽油清净剂和汽油机沉淀物、消烟助燃剂和柴油机颗粒、润滑油与添加物及排放催化转换、润滑剂生物分解性和生物分解润滑物、催化助燃或补燃、化学原料生产等举措，减少石油耗损、噪声污染、废气排出、热排放以及漏油问题，采用自适应有源噪声控制技术管控发动机的噪声。

3.2 机械的可回收规划

可回收规划是在机械设计早期全面考量其配件原料的回收可能性、回收效益高低、回收处置方式和回收处置构造工艺性等各种问题，最后实现配件原料资源与能源的使用效率最高、对生态污染最小的一项设计。比如，农业设备中常见的衔接件（螺栓与螺母等）的回收和循环应用。

3.3 方便拆卸

很多农机产品只有在农忙时节才频繁使用，因此在农机设备设计过程要兼顾机械的拆卸，机械外形不能太过烦琐，方便闲时拆卸，以及便于维修、养护机械零配件。另外，农机设备设计过程，要注重模块化设计，增加农机设备的品种、尺寸，缩短制造周期，减少生产费用，以此提高农机设备的制造效率，从而达到绿色节能目的。

如今，农机方便拆卸设计包括两种途径，即“典型模块”的易拆卸设计与依靠计算机易拆卸设计。前者的发展速度较为缓慢，但是已经在农机产品的设计过程得到证实，具备很强实践性的典型配件模块，如果把这种典型配件模块设计应用于新产品设计方面，就能够达到易拆卸要求[2]。借助计算机易拆卸设计的重点是把模块设计和CAD、CAM 等项目软件相融合实施的计算机辅助规划。经创建农机“典型模块化”信息库，达到农机设备的标准化、规范化以及多人协同统一设计，能够提升产品的设计效果与创造速度。

3.4 环保设备的成本

农机产品设计过程中，因为绿色节能设计观念的应用，所以需要考虑到设备的回收与再利用等，如此就必须在环保设备成本分析中考虑污染物处置费用、设备拆卸与循环使用成本等，保证设备成本分析的精准性。

3.5 机械设备的材料挑选

材料挑选是农业机械完成环保低碳设计的关键内容，需要工作人员严格控制材料质量，挑选无毒无害、绿色节能、可循环应用、对生态自然影响很低的材料，进而有效减少农业机械在应用时给环境带来的污染，达到农业种植的环保化、节能化，由此更好地保护生态系统。通常情况下，国内农业机械在规划制造时注重考虑选择工程塑料和木素纤维复合物。

工程塑料存在密度小、防腐蚀性很好、比强度高、减摩性较好、自润滑性好等特点。正因如此，其不管是在理论或者实践方面均受到了广泛关注，特别是在活塞环的制造和使用环节中。活塞环通常被用来避免气体从压缩器中漏出，因此活塞环的加工材料需要具有较好的力学性、弹性、降摩性以及润滑性[3]。在制造农业机械产品时，工作人员会采用聚四氟乙烯用作活塞环的加工材料，以实现延伸工农业机械气缸应用周期的目标，进而保证农业机械规划的绿色节能。

木素纤维复合物的首要成分是木质纤维，再通过多种处置使之和合成纤维、树枝及其他材料搭配变成其他新型原料。目前，该材料已在大量行业中变成了钢材、工程塑料的重要替代物，被大家认同且获得了推广及使用。查询诸多资料文献时发现，木素纤维复合物既能够降低材料重量，还进一步提升了结构材料的弹性和力学性能，也能够降低能源资源的消耗和生产费用、提升用户的安全性。同时，木素纤维合成物在极端温度改变条件下，能够维持较好的抗碎性，有利于保证工作人员的生命安全。木素纤维复合物应用于农机设计制造中，可满足农机设计的绿色节能要求，延伸农机产品的应用周期，保证用户的生命安全，降低用户维修成本开支，进而推动国家农业发展[4]。

根据我国当前农机零配件制造情况来看，农机耐磨零配件的制造性能并没有满足国际标准，农机设备的零配件制造合格率在农机设备生产方面始终徘徊在60%左右，和优良的标准差距很远；而农机设备耐磨零配件就更低，甚至还没有达到1/2 的合格率。这就要求相关从业者从农机设备的选材角度着手妥善解决。

3.6 燃料的挑选

农业生产阶段常见的三种农业机械包括拖拉机、收割机以及农用运输设备，其存在一个明显的公共特征，即均必须考虑用油情况。而且，内燃机是农业机械核心的动力来源，燃油挑选对保证农机产品设计的绿色节能、保护生态系统具有显著作用。通常情况下，内燃机燃料挑选包括汽油和柴油两种，它们的不同之处在于压缩比、点火形式、所用燃料和用途等。柴油机燃料存在两大关键性能，即着火性与流动性，这就需要柴油燃料容易自燃且滞燃时间短。其点燃形式是由喷油嘴产生的雾状柴油和空气组成、增压，借助压缩实现通过提高混合物温度而智能点火的目标[5]。汽油具有易燃、易挥发、燃点小于柴油等特征，其点燃方式是将吸进气缸中的汽油蒸汽和空气混合、增压，最终用火花塞点燃。简单地说，内燃机燃料挑选是影响农机绿色节能设计的核心因素，农机产品设计者要全面考虑农机产品的使用范围、各区域的不同，科学、规范地设计绿色节能的农机产品，促进农机设计的绿色低碳发展[6]。