动力农业机械发展走势论文
1电动力技术优势
燃油动力农业机械体积大，质量大，不利于小空间环境作业;而电动力农业机械结构紧凑，体积小，质量轻，呈现“小、灵、巧”特点，工作回转半径小，尤其适用于南方丘陵与山地等小面积地块作业和温室大棚环境工作。中小功率传统动力农业机械燃油发动机效率低，机械变速传动机构复杂，特别是燃油发动机工作在大余量恒功率输出状态，不利于低碳节能。电动力农业机械具有良好的调速和灵活的功率控制能力，可使系统保持在高效状态，特别是分散式多电机控制的实现代替了传动机构，进一步简化了农机结构，减小了农机的质量和体积。随着世界一次能源进一步枯竭，近年来国际油价的涨幅明显高于电价，而电能也可以从可再生能源中获得。目前，无论从能耗的成本上看，还是从未来的能源取向来看，以电能作为最终利用形式的新能源取代一次能源是未来发展趋势。电动机结构简单，使用与维护成本低于燃油发动机，传动链短，易于控制。在整体机械结构上，电动力农业机械也较为简单可靠。初步估算，使用电动农业机械的成本相当于燃油发动机动力的1/3～1/5。燃油动力农业机械具有较严重的废气污染和油污染，对空气和土壤有不良影响，特别在温室大棚环境中，燃油动力农业机械的噪音污染也不得不考虑。以上因素对人体和环境影响较大［1］，特别是小功率的二冲程汽油机，尾气排放和噪音污染更为严重。而电动力农业机械均不存在以上问题或影响较小，是真正节能、环保与绿色的农业机械。
2我国电动力农业机械发展现状
2．1有线电动力农业机械
随着电动机技术的应用和发展，该技术被较早地引入到固定式有线电动力农业机械领域，此类机械主要包括农产品加工机械、农业排灌机械和部分畜牧机械。交流感应电机具有结构紧凑、控制方便、功率转速特性较好、成本低廉和便于维护等特点，在利用电网电源农业机械中应用最多，技术较为成熟。图1为近20年我国农村排灌电动机总功率的情况，图2为农用水泵数量［2］。根据我国农村生产和生活特点，农网用电水平基本反应以电网电源农业机械为主的动力电使用规模。图3为1995年来农用电动机总功率情况;图4为1952年来我国农村用电量情况。近年来，自动化温室大棚技术发展较快，该技术的应用为有线电动农机提供了作业环境。文献［4］所描述的一种单相交流电机为动力的多用途温室机械，具有一定的代表性。该机械采用电缆供电，电机功率为2．2kW，额定转速2850r/min，配以变速箱和执行机构，总质量为45kg，可以实现自行走、翻地、卷帘和播种施肥等功能。该电动机械体积和质量较小，适合棚室作业，而且没有尾气和噪音污染，具有较高的应用价值。综上所述，自改革开放以来，我国农村电气化水平得到迅速发展，特别是近年来中央对农村的重视和农村电网的改造，为我国农村电动力农业机械的发展提供了巨大的动力。
2．2移动式电源电动力农业机械
农产品加工和设施农业可以方便地获得电网电源，其加工机械及作业机械宜优先采用电动力;而移动式电动农业机械多选用蓄电池电源或小型发电机组，由于容量和输出功率等技术现状，该类农业机械的应用集中在中小功率范围。
2．2．1园林植保电动力机械
小型喷雾机械输出功率较小，多采用人力肩背式，对于整体质量和体积提出小型化的要求，适合电动力的引入。特别是随着超低量喷雾技术和静电喷雾技术的发展，电控方式成为必然选择。1972年，我国引进英国技术仿制了一系列手持式电动喷雾机械［5］。我国最早研发生产电动喷雾剂的一批科研单位或企业主要有唐山地区农科所、上海明光仪表厂、上海崇明县红星农场、石家庄红旗五金塑料厂、天津农机所和北京怀柔农机厂等［6］。当时，此类产品采用干电池或蓄电池为动力源，整机质量为2～4kg，生产效率在4～6．67hm2/d。目前，电动喷雾器技术已很成熟，国内生产企业在300家以上，产品已大量走进农村农户。20世纪80年代，我国从美国和日本等国家批量进口电动割草机;2002年，日本本田技研工业株式会社在我国申请了发明专利，采用充电电池组动力驱动割草机［7］;2005年，我国推出了“家用和类似用途电器的安全－步行控制的电动割草机的特殊要求”(GB4706．78－2005)，进一步规范了电动割草机的生产［8］。直到目前，国内涉及电动割草机的各种专利44项，生产厂家主要集中在广东、江苏、北京和上海等地区。1998年，牡丹江林业科学研究所、黑龙江省森林工业总局和大海林林业局机械厂等单位联合研制了一款便携式电动园林整枝机，并申请了国家专利［9］。该机械采用汽油发电机组提供电源，480W异步交流电机作为动力输出，最大输出转速达10000r/min，整机直径达到100mm。由于电机驱动减少了变速传动机构，工作头质量只有3kg。四川省农科院蚕业研究所与江苏省电气机械设计院合作开发了电动桑剪［10］，采用24V蓄电池供电，连续工作4－5h，整体质量小于6kg。1994年，肖家彪农艺师研发了一款电动采粉授粉器，与人工相比效率提高30倍［11］;2009年，中棉种业科技股份有限公司研发了的一款电动棉花电动采粉器，解决了过滤装置由于花粉常常堵塞滤网而增加了电能消耗等问题，并申请了实用新型专利［12］。
2．2．2大田作业电动力机械
田间农业机械需要克服复杂地况和恶劣环境等问题，输出动力大多在千瓦级以上。由于蓄电池的容量和输出功率在近几十年里没有革命性技术的出现，使得田间电动力农业机械发展较为缓慢。最早出现具有代表性的电动力大田作业机械是1912年德国西门子公司生产的36．8kW乘坐式电动拖拉机，后续又推出2．9kW手扶式电动拖拉机，该系列产品主要耕地作业。1941年，瑞典研发了一款可换耕具的多用途电动拖拉机［13］。对我国电动拖拉机影响较大的是前苏联在20世纪三四十年代研发的系列电动拖拉机［14］。20世纪50年代，东北农学院、哈尔滨工业大学和松江拖拉机厂联合研发了“电牛”系列电动拖拉机［15］。以上电动机械均采用电缆供电方式。20世纪70年代，美国通用电气公司推出了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。由于当时国际能源危机，电动力拖拉机的研究得到追捧，加拿大、英国、意大利和日本等国家相继开展了电动拖拉机的研究，推出的产品功率大多在10kW左右，后续也有采用燃料电池等新技术。目前，我国南京农业大学等单位正在开展电动拖拉机的研究［16－17］。长治市农业机械试验鉴定站研制出直流电动微耕机，电动机功率为380W，采用36V蓄电池供电，可连续使用3．5～4h［18］。该款机型中耕除草作业时，耕深2．4cm，耕深稳定性为89%，耕层地表平整度3．5cm，碎土率60%。该设计采用直流电机，很好地解决了调速问题，在小型棚室作业中具有一定的.应用价值。广西荔浦县顺风微型农机厂研制生产的一款多功能电动收割机，采用12～16V蓄电池供电，连续工作1～3h，可收割水稻和小麦等农作物0．067～1hm2，也可用来割杂草和园林花卉整形，该产品已申请国家专利［19］;江西亚泰特种电源电器厂研发的电动割禾器体积小、质量轻，每小时可收割0．067hm2［20］;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12．9W，效率可达手采的3～5倍，适用于各类茶园采茶［21］。2010年11月，在广东惠州召开的“水稻生产机械化技术研讨会”上，华南农业大学展示了一款步进式两行电动插秧机，采用10Ah锂电池供电，额定电压36V，直流永磁电机最大功率135W，连续工作时间4h，插秧频率0～90r/min可调。
3面临的主要问题
3．1动力电池
采用电缆供电方式的农业机械作业环境受到限制，而采用蓄电池动力可以更大地增加使用灵活性，但蓄电池的容量、体积质量、输出功率和价格之间的优比是目前国际性问题。随着电动汽车产业的快速发展，动力电池问题也指日可待。由于农业机械作业环境恶劣，蓄电池的绝缘和防护问题要比电动汽车更加严格。废旧电池的回收或处理不当，会对土壤和环境造成污染，但严格按照相关程序进行处理可以避免这一问题。
3．2驱动电机
与电动汽车比较，电动农业机械行走速度低、路况较差、地面阻力大且不均衡，所以需要选择适合农业机械工作特性的驱动电机。永磁直流电机控制系统简单，调速范围宽，在小功率农业机械上较为实用;鼠笼式异步交流电机机械强度大，有较大的过载能力，价格便宜，但需要直－交变频系统驱动，适合较大功率的电动农业机械。包括整个电路系统，在绝缘防护上要求较高的工艺。
3．3配套设施
虽然电动力农业机械在核心部件或整体结构上比燃油农业机械较简单，便于低成本维护和维修，但由于能量传递系统不同于以往，需要专业的人员和设备。对于大功率的电动农业机械，还需要配套的充电设施，今后可以借鉴电动力汽车充电站示范工程有关技术和管理模式建立农村充电站。
4发展趋势
在现有农业机械基础上对动力系统进行电气化改进，技术上没有不可逾越的障碍，如何发挥和利用电动机调速范围宽、控制灵活和精准定位等特点，是今后研究的主要技术点。具体措施如下:1)利用多电机控制技术，可以进一步简化机械传动和联动机构，从而减轻农业机械整体质量，这将是研究方向之一。2)由于目前蓄电池容量平均水平有限，而高能蓄电池成本较高，高效节能的电源管理技术和电机驱动控制技术也是电动力农业机械关键技术之一。
5结语
综上所述，无论在技术条件和能源发展方向，还是市场需求，都有必要大力开展电动力农业机械的研究。电动力农业机械能源清洁，没有噪音和尾气排放，整体机构简约，便于维护维修，使用成本较低，适合我国新农村建设和农业现代化的需要。
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