動力農業機械發展走勢論文
1電動力技術優勢
燃油動力農業機械體積大，質量大，不利于小空間環境作業;而電動力農業機械結構緊湊，體積小，質量輕，呈現“小、靈、巧”特點，工作回轉半徑小，尤其適用于南方丘陵與山地等小面積地塊作業和溫室大棚環境工作。中小功率傳統動力農業機械燃油發動機效率低，機械變速傳動機構復雜，特別是燃油發動機工作在大余量恒功率輸出狀態，不利于低碳節能。電動力農業機械具有良好的調速和靈活的功率控制能力，可使系統保持在高效狀態，特別是分散式多電機控制的實現代替了傳動機構，進一步簡化了農機結構，減小了農機的質量和體積。隨著世界一次能源進一步枯竭，近年來國際油價的漲幅明顯高于電價，而電能也可以從可再生能源中獲得。目前，無論從能耗的成本上看，還是從未來的能源取向來看，以電能作為最終利用形式的新能源取代一次能源是未來發展趨勢。電動機結構簡單，使用與維護成本低于燃油發動機，傳動鏈短，易于控制。在整體機械結構上，電動力農業機械也較為簡單可靠。初步估算，使用電動農業機械的成本相當于燃油發動機動力的1/3～1/5。燃油動力農業機械具有較嚴重的廢氣污染和油污染，對空氣和土壤有不良影響，特別在溫室大棚環境中，燃油動力農業機械的噪音污染也不得不考慮。以上因素對人體和環境影響較大［1］，特別是小功率的二沖程汽油機，尾氣排放和噪音污染更為嚴重。而電動力農業機械均不存在以上問題或影響較小，是真正節能、環保與綠色的農業機械。
2我國電動力農業機械發展現狀
2．1有線電動力農業機械
隨著電動機技術的應用和發展，該技術被較早地引入到固定式有線電動力農業機械領域，此類機械主要包括農產品加工機械、農業排灌機械和部分畜牧機械。交流感應電機具有結構緊湊、控制方便、功率轉速特性較好、成本低廉和便于維護等特點，在利用電網電源農業機械中應用最多，技術較為成熟。圖1為近20年我國農村排灌電動機總功率的情況，圖2為農用水泵數量［2］。根據我國農村生產和生活特點，農網用電水平基本反應以電網電源農業機械為主的動力電使用規模。圖3為1995年來農用電動機總功率情況;圖4為1952年來我國農村用電量情況。近年來，自動化溫室大棚技術發展較快，該技術的應用為有線電動農機提供了作業環境。文獻［4］所描述的一種單相交流電機為動力的多用途溫室機械，具有一定的代表性。該機械采用電纜供電，電機功率為2．2kW，額定轉速2850r/min，配以變速箱和執行機構，總質量為45kg，可以實現自行走、翻地、卷簾和播種施肥等功能。該電動機械體積和質量較小，適合棚室作業，而且沒有尾氣和噪音污染，具有較高的應用價值。綜上所述，自改革開放以來，我國農村電氣化水平得到迅速發展，特別是近年來中央對農村的重視和農村電網的改造，為我國農村電動力農業機械的發展提供了巨大的動力。
2．2移動式電源電動力農業機械
農產品加工和設施農業可以方便地獲得電網電源，其加工機械及作業機械宜優先采用電動力;而移動式電動農業機械多選用蓄電池電源或小型發電機組，由于容量和輸出功率等技術現狀，該類農業機械的應用集中在中小功率范圍。
2．2．1園林植保電動力機械
小型噴霧機械輸出功率較小，多采用人力肩背式，對于整體質量和體積提出小型化的要求，適合電動力的引入。特別是隨著超低量噴霧技術和靜電噴霧技術的發展，電控方式成為必然選擇。1972年，我國引進英國技術仿制了一系列手持式電動噴霧機械［5］。我國最早研發生產電動噴霧劑的一批科研單位或企業主要有唐山地區農科所、上海明光儀表廠、上海崇明縣紅星農場、石家莊紅旗五金塑料廠、天津農機所和北京懷柔農機廠等［6］。當時，此類產品采用干電池或蓄電池為動力源，整機質量為2～4kg，生產效率在4～6．67hm2/d。目前，電動噴霧器技術已很成熟，國內生產企業在300家以上，產品已大量走進農村農戶。20世紀80年代，我國從美國和日本等國家批量進口電動割草機;2002年，日本本田技研工業株式會社在我國申請了發明專利，采用充電電池組動力驅動割草機［7］;2005年，我國推出了“家用和類似用途電器的安全－步行控制的電動割草機的特殊要求”(GB4706．78－2005)，進一步規范了電動割草機的生產［8］。直到目前，國內涉及電動割草機的各種專利44項，生產廠家主要集中在廣東、江蘇、北京和上海等地區。1998年，牡丹江林業科學研究所、黑龍江省森林工業總局和大海林林業局機械廠等單位聯合研制了一款便攜式電動園林整枝機，并申請了國家專利［9］。該機械采用汽油發電機組提供電源，480W異步交流電機作為動力輸出，最大輸出轉速達10000r/min，整機直徑達到100mm。由于電機驅動減少了變速傳動機構，工作頭質量只有3kg。四川省農科院蠶業研究所與江蘇省電氣機械設計院合作開發了電動桑剪［10］，采用24V蓄電池供電，連續工作4－5h，整體質量小于6kg。1994年，肖家彪農藝師研發了一款電動采粉授粉器，與人工相比效率提高30倍［11］;2009年，中棉種業科技股份有限公司研發了的一款電動棉花電動采粉器，解決了過濾裝置由于花粉常常堵塞濾網而增加了電能消耗等問題，并申請了實用新型專利［12］。
2．2．2大田作業電動力機械
田間農業機械需要克服復雜地況和惡劣環境等問題，輸出動力大多在千瓦級以上。由于蓄電池的容量和輸出功率在近幾十年里沒有革命性技術的出現，使得田間電動力農業機械發展較為緩慢。最早出現具有代表性的電動力大田作業機械是1912年德國西門子公司生產的36．8kW乘坐式電動拖拉機，后續又推出2．9kW手扶式電動拖拉機，該系列產品主要耕地作業。1941年，瑞典研發了一款可換耕具的多用途電動拖拉機［13］。對我國電動拖拉機影響較大的是前蘇聯在20世紀三四十年代研發的系列電動拖拉機［14］。20世紀50年代，東北農學院、哈爾濱工業大學和松江拖拉機廠聯合研發了“電牛”系列電動拖拉機［15］。以上電動機械均采用電纜供電方式。20世紀70年代，美國通用電氣公司推出了Elec－Trak系列電動拖拉機，采用鉛酸蓄電池供電和永磁無刷電機作動力源。由于當時國際能源危機，電動力拖拉機的研究得到追捧，加拿大、英國、意大利和日本等國家相繼開展了電動拖拉機的研究，推出的產品功率大多在10kW左右，后續也有采用燃料電池等新技術。目前，我國南京農業大學等單位正在開展電動拖拉機的研究［16－17］。長治市農業機械試驗鑒定站研制出直流電動微耕機，電動機功率為380W，采用36V蓄電池供電，可連續使用3．5～4h［18］。該款機型中耕除草作業時，耕深2．4cm，耕深穩定性為89%，耕層地表平整度3．5cm，碎土率60%。該設計采用直流電機，很好地解決了調速問題，在小型棚室作業中具有一定的.應用價值。廣西荔浦縣順風微型農機廠研制生產的一款多功能電動收割機，采用12～16V蓄電池供電，連續工作1～3h，可收割水稻和小麥等農作物0．067～1hm2，也可用來割雜草和園林花卉整形，該產品已申請國家專利［19］;江西亞泰特種電源電器廠研發的電動割禾器體積小、質量輕，每小時可收割0．067hm2［20］;安徽農業大學設計了一款微型電機驅動采茶機，質量1kg，背負電池質量5kg，電機功率12．9W，效率可達手采的3～5倍，適用于各類茶園采茶［21］。2010年11月，在廣東惠州召開的“水稻生產機械化技術研討會”上，華南農業大學展示了一款步進式兩行電動插秧機，采用10Ah鋰電池供電，額定電壓36V，直流永磁電機最大功率135W，連續工作時間4h，插秧頻率0～90r/min可調。
3面臨的主要問題
3．1動力電池
采用電纜供電方式的農業機械作業環境受到限制，而采用蓄電池動力可以更大地增加使用靈活性，但蓄電池的容量、體積質量、輸出功率和價格之間的優比是目前國際性問題。隨著電動汽車產業的快速發展，動力電池問題也指日可待。由于農業機械作業環境惡劣，蓄電池的絕緣和防護問題要比電動汽車更加嚴格。廢舊電池的回收或處理不當，會對土壤和環境造成污染，但嚴格按照相關程序進行處理可以避免這一問題。
3．2驅動電機
與電動汽車比較，電動農業機械行走速度低、路況較差、地面阻力大且不均衡，所以需要選擇適合農業機械工作特性的驅動電機。永磁直流電機控制系統簡單，調速范圍寬，在小功率農業機械上較為實用;鼠籠式異步交流電機機械強度大，有較大的過載能力，價格便宜，但需要直－交變頻系統驅動，適合較大功率的電動農業機械。包括整個電路系統，在絕緣防護上要求較高的工藝。
3．3配套設施
雖然電動力農業機械在核心部件或整體結構上比燃油農業機械較簡單，便于低成本維護和維修，但由于能量傳遞系統不同于以往，需要專業的人員和設備。對于大功率的電動農業機械，還需要配套的充電設施，今后可以借鑒電動力汽車充電站示范工程有關技術和管理模式建立農村充電站。
4發展趨勢
在現有農業機械基礎上對動力系統進行電氣化改進，技術上沒有不可逾越的障礙，如何發揮和利用電動機調速范圍寬、控制靈活和精準定位等特點，是今后研究的主要技術點。具體措施如下:1)利用多電機控制技術，可以進一步簡化機械傳動和聯動機構，從而減輕農業機械整體質量，這將是研究方向之一。2)由于目前蓄電池容量平均水平有限，而高能蓄電池成本較高，高效節能的電源管理技術和電機驅動控制技術也是電動力農業機械關鍵技術之一。
5結語
綜上所述，無論在技術條件和能源發展方向，還是市場需求，都有必要大力開展電動力農業機械的研究。電動力農業機械能源清潔，沒有噪音和尾氣排放，整體機構簡約，便于維護維修，使用成本較低，適合我國新農村建設和農業現代化的需要。
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