混合动力农业机械多功能小车的初步设计

钟 阳，李小聪

（1.邵阳职业技术学院，湖南邵阳 422004；2.益阳职业技术学院，湖南益阳 413055）

我国为农业大国，农业机械化是发展现代化、智能化农业的基础保障，是改善农民工作环境、提高农民生活水平和农业生产效率的重要途径。随着现代科技的迅猛发展，农业机械化得到了快速发展，改善了农业农田环境，提升了农业生产的整体收益水平，是现代农业发展的重要助推器，有利于推动我国农业生产向现代化发展阶段前进。目前，我国农业种植规模较大，但机械化程度较低，农民劳动强度大、劳动力短缺制约了我国现代农业发展。为满足农业机械化发展要求，需不断推广应用农业机械，不断提升我国农业机械水平和质量[1]。混合动力农业机械多功能小车的研究是农业机械化研究的一个智能化方向，可更好地提升我国农业机械的科技能力。

1 混合动力农业机械小车发展现状

当前，农业机械研究广泛，产品应用较为普遍，常见产品类型主要有农用动力机械、农田建设机械、土壤耕作机械、种植和施肥机械、植物保护机械及农田排灌机械等。随着研究不断深入和农耕技术不断优化，农机设备种类和技术水平快速提升，不断朝着集成化、新能源化方向发展。混合动力农业机械多功能小车的提出，对创新性引领农业机械具有积极作用。

2022 年1 月，农业农村部印发《“十四五”全国农业机械化发展规划》，明确到2025 年，全国农机总动力稳定在11 亿kW 左右，农机具配置结构趋于合理，农机作业条件显著改善，覆盖面广，机械化与信息化、智能化进一步融合。2020 年，我国出口“一带一路”国家农业机械总额36.47 亿美元，占同期农机出口总额的41.7%，同比增长13.3%，增幅比行业整体出口高3.9 个百分点。但与欧美等发达国家相比仍存在一定的差距。例如，在农机品种方面，欧美国家有7 000个，我国有3 500 个；在油耗方面，我国每年比欧美等发达国家和地区多消耗（同等功率）180 多万t 柴油。

2 研究目的

2.1 基于农业发展需求

目前，我国仍是农业大国，尚未发展为农业强国，且多年中央一号文件都在强调“三农”问题。“三农”问题一直是我国的重点关注领域，而研究农业机械有利解放农民生产力，提升农业生产效率和农民收入水平，实现中国式农业现代化发展。

2.2 符合绿色协调发展理念

“十四五”规划纲要提出，全面启动碳中和规划，推动绿色低碳发展，力争2030 年前实现碳达峰目标，2060 年前实现碳中和目标。同时，相关政府部门对农机购置补贴政策给予了一定支持，以减少农民购买机械设备的成本支出，提高农民使用农业机械设备的积极性，促进农业机械化发展。农业机械具有能耗高、排放量大、污染大等特点，因此须对农业机械进行优化，以减少能耗消耗、减少排放量、减少污染，以加快农业绿色转型，实现农业现代化发展。

2.3 农业机械发展水平较低

当前，我国农业机械技术发展迅速但不成熟，整体科技水平落后于欧美、日韩等发达国家和地区，国外农业机械研究趋于智能化、绿色化，农业机械整体工作效率高、能耗低。我国农业机械目前以柴油动力为主，存在污染大、能耗高、工作性能不稳定等问题，须进行混合动力研究，以提高能源利用率，降低能耗，提升农业机械智能化、绿色化发展水平[2]。

3 混合动力农业机械多功能小车的组成

项目组成员在结合现有研究的基础上，通过深入分析，初步确立了混合动力农业机械多功能小车的动力系统部分、车身部分、驱动机械部分及其他部分。

3.1 动力系统部分

以混合动力农业机械多功能小车为例。通过查阅多种农业机械资料文献，结合国家新能源规划要求，项目研究团队初步确立将光伏能+柴油机混合动力能作为动力源。如图1 所示，采用3 种不同的动力功能方案。当日照充足时，利用光伏进行发电，将电能转化为机械小车的动能，同时存储多余的电能。当日照较弱时，将存储的电能转化为机械小车的动能。当日照不足时，通过家用柴油机为机械小车进行储能，通过柴油机产生动能驱动机械小车正常行驶。

图1 混合动力农业机械多功能小车动力功能方案

3.2 车身部分

农业机械多功能小车工作环境复杂，常在露天、多尘、潮湿和污秽的环境中或水中作业，与土壤、肥料、农药、粪便、腐烂植物和水体等密切接触，易受到腐蚀[3]。在作业中，底盘部件易与土壤、作物根茎和牲畜皮毛等发生摩擦而产生磨损，部分部件因土壤阻力大、凹凸不平而承受较大的动载荷和冲击作用。因此，在农业机械制造中，车身材料应具有耐腐蚀、耐磨、减摩、耐冲击、耐疲劳、寿命长及重量轻等特点。如图2 所示，项目团队选用钛合金作用车身材料，且车身形状采用长方形，可在扩大农业机械小车工作面积的同时解决车身受力问题，同时可对车身的结构空间进行有效利用，便于动力源结构的摆放，且钛合金结构进行了轻量化处理，以减少能源损耗。

图2 混合动力农业机械多功能小车车身结构

3.3 驱动机械部分

1）在定位机械多功能小车时，主要考虑小车的功能，即兼具松土功能与播种功能。因此，项目组设置了一个转换接头装置，既可连接松土装置使其顺利松土，又可以连接播种结构使其播撒种子。其中，在小车前端安装了松土刀片，可将农田内的土壤打散，使其疏松，有利于农作物生长；在多功能小车中间的下部开有1 个槽，安装播种工具，当车子车轮滚动1 圈即播撒1 次种子，实现了合理的覆盖面积。2）考虑到转换接头需电机进行驱动，受力较大，且为避免价格过高，因此用国产电机。同时，机械部分的灵敏运转需该质量的转换接头，项目组在材料选择上使用具有性能稳定、耐腐蚀等特点的合金钢，以保障定位机械多功能小车的使用质量与使用时间[4]。

3.4 其他部分

3.4.1 地面驱动装置

在选用地面驱动装置时，项目组在轮胎和履带之间进行择优。轮胎更换较为方便，工作性能强，能在田野间进行良好运转，但使用寿命较短，且会出现打滑现象；履带工作性能强，可在平坦的田野间进行运转，动力足，不会出现打滑现象，且使用寿命长，但维修复杂、保养成本高，不利于农户安装使用。综合实际使用情况，项目组采用轮胎作为地面驱动装置。

3.4.2 储能装置

储能装置采用的是市面上常见的电池，对目前家用轿车中应用最多的三元锂电池、镍氢电池、磷酸铁锂电池进行性能比较，主要比较额定电压、重量能量密度、体积能量密度、最佳工作温度、安全性、环保、记忆效应、循环寿命及电池成本等方面[5]。综合比较结果表明，磷酸铁锂电池寿命长，可完成快速充电，能在复杂的环境下工作而不会发生爆炸，且绿色环保、无毒、无污染，成本低，因此项目组决定采用磷酸铁锂电池。

4 存在的不足及今后研究发展方向

4.1 存在的不足

1）研究性与实践性开展不充分，相关研究少，知识储备和研究能力有待提升，使研究过程中困难较多，实践操作较为复杂，导致在研究中会存在部分主观臆想的可能，与实际操作存在一定差距。2）由于缺乏相关研究的工作经验，还无法完全掌握农业机械多功能小车在实际工作应如何正确、精准工作，导致研究成果创新性不足。

4.2 研究发展方向

4.2.1 实战化研究

本次研究为指导性研究，与实际操作还存在一定差距，后续会更加注重实践研究。例如，加强实物的制作与研发，将重心放在农业机械多功能小车的动力源装置，将混合动力农业机械多功能小车实现投产。

4.2.2 精细化研究

混合动力农业机械多功能小车将朝着精细化、智能化研究方向发展，例如，运动轨迹正确、传播数据准确、播撒数量精确等精细化工作，同时通过智能化研究实现自动化设定运动轨迹、播撒数量等，以更全面地解放农民生产力，促进我国农业高新技术水平不断提高[6]。

5 结语

我国是农业大国，“三农”问题一直都是国家高度重视的问题。混合动力农业机械多功能小车的研究有利于我国农业现代化发展，但混合动力农业机械多功能小车研究较为复杂，缺少研究先例，需研究人员不断创新探索。本次混合动力农业机械多功能小车指导性研究仍存在较多不足，需进行后续的实践性、智能化、精细化研究，以促进混合动力农业机械多功能小车的研究及应用，促进中国式农业现代化发展。