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動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展走勢(shì)論文

時(shí)間:2021-02-07 14:25:39 論文 我要投稿

動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展走勢(shì)論文

  1電動(dòng)力技術(shù)優(yōu)勢(shì)

動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展走勢(shì)論文

  燃油動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械體積大,質(zhì)量大,不利于小空間環(huán)境作業(yè);而電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,質(zhì)量輕,呈現(xiàn)“小、靈、巧”特點(diǎn),工作回轉(zhuǎn)半徑小,尤其適用于南方丘陵與山地等小面積地塊作業(yè)和溫室大棚環(huán)境工作。中小功率傳統(tǒng)動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械燃油發(fā)動(dòng)機(jī)效率低,機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜,特別是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作在大余量恒功率輸出狀態(tài),不利于低碳節(jié)能。電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械具有良好的調(diào)速和靈活的功率控制能力,可使系統(tǒng)保持在高效狀態(tài),特別是分散式多電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)代替了傳動(dòng)機(jī)構(gòu),進(jìn)一步簡(jiǎn)化了農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu),減小了農(nóng)機(jī)的質(zhì)量和體積。隨著世界一次能源進(jìn)一步枯竭,近年來國際油價(jià)的漲幅明顯高于電價(jià),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(fā)展趨勢(shì)。電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用與維護(hù)成本低于燃油發(fā)動(dòng)機(jī),傳動(dòng)鏈短,易于控制。在整體機(jī)械結(jié)構(gòu)上,電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械也較為簡(jiǎn)單可靠。初步估算,使用電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的成本相當(dāng)于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的1/3~1/5。燃油動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械具有較嚴(yán)重的廢氣污染和油污染,對(duì)空氣和土壤有不良影響,特別在溫室大棚環(huán)境中,燃油動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械的噪音污染也不得不考慮。以上因素對(duì)人體和環(huán)境影響較大[1],特別是小功率的二沖程汽油機(jī),尾氣排放和噪音污染更為嚴(yán)重。而電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械均不存在以上問題或影響較小,是真正節(jié)能、環(huán)保與綠色的農(nóng)業(yè)機(jī)械。

  2我國電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

  2.1有線電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械

  隨著電動(dòng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,該技術(shù)被較早地引入到固定式有線電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域,此類機(jī)械主要包括農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械、農(nóng)業(yè)排灌機(jī)械和部分畜牧機(jī)械。交流感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便、功率轉(zhuǎn)速特性較好、成本低廉和便于維護(hù)等特點(diǎn),在利用電網(wǎng)電源農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用最多,技術(shù)較為成熟。圖1為近20年我國農(nóng)村排灌電動(dòng)機(jī)總功率的情況,圖2為農(nóng)用水泵數(shù)量[2]。根據(jù)我國農(nóng)村生產(chǎn)和生活特點(diǎn),農(nóng)網(wǎng)用電水平基本反應(yīng)以電網(wǎng)電源農(nóng)業(yè)機(jī)械為主的動(dòng)力電使用規(guī)模。圖3為1995年來農(nóng)用電動(dòng)機(jī)總功率情況;圖4為1952年來我國農(nóng)村用電量情況。近年來,自動(dòng)化溫室大棚技術(shù)發(fā)展較快,該技術(shù)的應(yīng)用為有線電動(dòng)農(nóng)機(jī)提供了作業(yè)環(huán)境。文獻(xiàn)[4]所描述的一種單相交流電機(jī)為動(dòng)力的多用途溫室機(jī)械,具有一定的代表性。該機(jī)械采用電纜供電,電機(jī)功率為2.2kW,額定轉(zhuǎn)速2850r/min,配以變速箱和執(zhí)行機(jī)構(gòu),總質(zhì)量為45kg,可以實(shí)現(xiàn)自行走、翻地、卷簾和播種施肥等功能。該電動(dòng)機(jī)械體積和質(zhì)量較小,適合棚室作業(yè),而且沒有尾氣和噪音污染,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。綜上所述,自改革開放以來,我國農(nóng)村電氣化水平得到迅速發(fā)展,特別是近年來中央對(duì)農(nóng)村的重視和農(nóng)村電網(wǎng)的改造,為我國農(nóng)村電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展提供了巨大的動(dòng)力。

  2.2移動(dòng)式電源電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械

  農(nóng)產(chǎn)品加工和設(shè)施農(nóng)業(yè)可以方便地獲得電網(wǎng)電源,其加工機(jī)械及作業(yè)機(jī)械宜優(yōu)先采用電動(dòng)力;而移動(dòng)式電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械多選用蓄電池電源或小型發(fā)電機(jī)組,由于容量和輸出功率等技術(shù)現(xiàn)狀,該類農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用集中在中小功率范圍。

  2.2.1園林植保電動(dòng)力機(jī)械

  小型噴霧機(jī)械輸出功率較小,多采用人力肩背式,對(duì)于整體質(zhì)量和體積提出小型化的要求,適合電動(dòng)力的引入。特別是隨著超低量噴霧技術(shù)和靜電噴霧技術(shù)的發(fā)展,電控方式成為必然選擇。1972年,我國引進(jìn)英國技術(shù)仿制了一系列手持式電動(dòng)噴霧機(jī)械[5]。我國最早研發(fā)生產(chǎn)電動(dòng)噴霧劑的一批科研單位或企業(yè)主要有唐山地區(qū)農(nóng)科所、上海明光儀表廠、上海崇明縣紅星農(nóng)場(chǎng)、石家莊紅旗五金塑料廠、天津農(nóng)機(jī)所和北京懷柔農(nóng)機(jī)廠等[6]。當(dāng)時(shí),此類產(chǎn)品采用干電池或蓄電池為動(dòng)力源,整機(jī)質(zhì)量為2~4kg,生產(chǎn)效率在4~6.67hm2/d。目前,電動(dòng)噴霧器技術(shù)已很成熟,國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)在300家以上,產(chǎn)品已大量走進(jìn)農(nóng)村農(nóng)戶。20世紀(jì)80年代,我國從美國和日本等國家批量進(jìn)口電動(dòng)割草機(jī);2002年,日本本田技研工業(yè)株式會(huì)社在我國申請(qǐng)了發(fā)明專利,采用充電電池組動(dòng)力驅(qū)動(dòng)割草機(jī)[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(dòng)割草機(jī)的特殊要求”(GB4706.78-2005),進(jìn)一步規(guī)范了電動(dòng)割草機(jī)的生產(chǎn)[8]。直到目前,國內(nèi)涉及電動(dòng)割草機(jī)的各種專利44項(xiàng),生產(chǎn)廠家主要集中在廣東、江蘇、北京和上海等地區(qū)。1998年,牡丹江林業(yè)科學(xué)研究所、黑龍江省森林工業(yè)總局和大海林林業(yè)局機(jī)械廠等單位聯(lián)合研制了一款便攜式電動(dòng)園林整枝機(jī),并申請(qǐng)了國家專利[9]。該機(jī)械采用汽油發(fā)電機(jī)組提供電源,480W異步交流電機(jī)作為動(dòng)力輸出,最大輸出轉(zhuǎn)速達(dá)10000r/min,整機(jī)直徑達(dá)到100mm。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)減少了變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu),工作頭質(zhì)量只有3kg。四川省農(nóng)科院蠶業(yè)研究所與江蘇省電氣機(jī)械設(shè)計(jì)院合作開發(fā)了電動(dòng)桑剪[10],采用24V蓄電池供電,連續(xù)工作4-5h,整體質(zhì)量小于6kg。1994年,肖家彪農(nóng)藝師研發(fā)了一款電動(dòng)采粉授粉器,與人工相比效率提高30倍[11];2009年,中棉種業(yè)科技股份有限公司研發(fā)了的一款電動(dòng)棉花電動(dòng)采粉器,解決了過濾裝置由于花粉常常堵塞濾網(wǎng)而增加了電能消耗等問題,并申請(qǐng)了實(shí)用新型專利[12]。

  2.2.2大田作業(yè)電動(dòng)力機(jī)械

  田間農(nóng)業(yè)機(jī)械需要克服復(fù)雜地況和惡劣環(huán)境等問題,輸出動(dòng)力大多在千瓦級(jí)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(shù)的出現(xiàn),使得田間電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展較為緩慢。最早出現(xiàn)具有代表性的電動(dòng)力大田作業(yè)機(jī)械是1912年德國西門子公司生產(chǎn)的36.8kW乘坐式電動(dòng)拖拉機(jī),后續(xù)又推出2.9kW手扶式電動(dòng)拖拉機(jī),該系列產(chǎn)品主要耕地作業(yè)。1941年,瑞典研發(fā)了一款可換耕具的多用途電動(dòng)拖拉機(jī)[13]。對(duì)我國電動(dòng)拖拉機(jī)影響較大的是前蘇聯(lián)在20世紀(jì)三四十年代研發(fā)的系列電動(dòng)拖拉機(jī)[14]。20世紀(jì)50年代,東北農(nóng)學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和松江拖拉機(jī)廠聯(lián)合研發(fā)了“電牛”系列電動(dòng)拖拉機(jī)[15]。以上電動(dòng)機(jī)械均采用電纜供電方式。20世紀(jì)70年代,美國通用電氣公司推出了Elec-Trak系列電動(dòng)拖拉機(jī),采用鉛酸蓄電池供電和永磁無刷電機(jī)作動(dòng)力源。由于當(dāng)時(shí)國際能源危機(jī),電動(dòng)力拖拉機(jī)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(dòng)拖拉機(jī)的研究,推出的產(chǎn)品功率大多在10kW左右,后續(xù)也有采用燃料電池等新技術(shù)。目前,我國南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位正在開展電動(dòng)拖拉機(jī)的.研究[16-17]。長(zhǎng)治市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站研制出直流電動(dòng)微耕機(jī),電動(dòng)機(jī)功率為380W,采用36V蓄電池供電,可連續(xù)使用3.5~4h[18]。該款機(jī)型中耕除草作業(yè)時(shí),耕深2.4cm,耕深穩(wěn)定性為89%,耕層地表平整度3.5cm,碎土率60%。該設(shè)計(jì)采用直流電機(jī),很好地解決了調(diào)速問題,在小型棚室作業(yè)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。廣西荔浦縣順風(fēng)微型農(nóng)機(jī)廠研制生產(chǎn)的一款多功能電動(dòng)收割機(jī),采用12~16V蓄電池供電,連續(xù)工作1~3h,可收割水稻和小麥等農(nóng)作物0.067~1hm2,也可用來割雜草和園林花卉整形,該產(chǎn)品已申請(qǐng)國家專利[19];江西亞泰特種電源電器廠研發(fā)的電動(dòng)割禾器體積小、質(zhì)量輕,每小時(shí)可收割0.067hm2[20];安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一款微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)采茶機(jī),質(zhì)量1kg,背負(fù)電池質(zhì)量5kg,電機(jī)功率12.9W,效率可達(dá)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(chǎn)機(jī)械化技術(shù)研討會(huì)”上,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)展示了一款步進(jìn)式兩行電動(dòng)插秧機(jī),采用10Ah鋰電池供電,額定電壓36V,直流永磁電機(jī)最大功率135W,連續(xù)工作時(shí)間4h,插秧頻率0~90r/min可調(diào)。

  3面臨的主要問題

  3.1動(dòng)力電池

  采用電纜供電方式的農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)環(huán)境受到限制,而采用蓄電池動(dòng)力可以更大地增加使用靈活性,但蓄電池的容量、體積質(zhì)量、輸出功率和價(jià)格之間的優(yōu)比是目前國際性問題。隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,動(dòng)力電池問題也指日可待。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)環(huán)境惡劣,蓄電池的絕緣和防護(hù)問題要比電動(dòng)汽車更加嚴(yán)格。廢舊電池的回收或處理不當(dāng),會(huì)對(duì)土壤和環(huán)境造成污染,但嚴(yán)格按照相關(guān)程序進(jìn)行處理可以避免這一問題。

  3.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)

  與電動(dòng)汽車比較,電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)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(nóng)業(yè)機(jī)械工作特性的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。永磁直流電機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單,調(diào)速范圍寬,在小功率農(nóng)業(yè)機(jī)械上較為實(shí)用;鼠籠式異步交流電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度大,有較大的過載能力,價(jià)格便宜,但需要直-交變頻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng),適合較大功率的電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械。包括整個(gè)電路系統(tǒng),在絕緣防護(hù)上要求較高的工藝。

  3.3配套設(shè)施

  雖然電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械在核心部件或整體結(jié)構(gòu)上比燃油農(nóng)業(yè)機(jī)械較簡(jiǎn)單,便于低成本維護(hù)和維修,但由于能量傳遞系統(tǒng)不同于以往,需要專業(yè)的人員和設(shè)備。對(duì)于大功率的電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械,還需要配套的充電設(shè)施,今后可以借鑒電動(dòng)力汽車充電站示范工程有關(guān)技術(shù)和管理模式建立農(nóng)村充電站。

  4發(fā)展趨勢(shì)

  在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行電氣化改進(jìn),技術(shù)上沒有不可逾越的障礙,如何發(fā)揮和利用電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍寬、控制靈活和精準(zhǔn)定位等特點(diǎn),是今后研究的主要技術(shù)點(diǎn)。具體措施如下:1)利用多電機(jī)控制技術(shù),可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu),從而減輕農(nóng)業(yè)機(jī)械整體質(zhì)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(jié)能的電源管理技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)也是電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)之一。

  5結(jié)語

  綜上所述,無論在技術(shù)條件和能源發(fā)展方向,還是市場(chǎng)需求,都有必要大力開展電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究。電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械能源清潔,沒有噪音和尾氣排放,整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)約,便于維護(hù)維修,使用成本較低,適合我國新農(nóng)村建設(shè)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。

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