農業機械的環保節能設計

龐書軍

（北海精彩貿易有限責任公司，廣西 北海536000）

“十二五”是我國現代農業建設深入推進的時期。農業機械一體化水平是形成農業國際競爭力的核心能力，其高低決定著我國在農業國際領域競爭力的強弱。加快農業機械化發展進度，對我國農業地位，促進農業和農村經濟的全面、協調、可持續發展具有重要意義。而傳統的農業機械在設計過程中，存在對環保與節能方面不重視的問題。導致農業機械出現高污染、高消耗，既不利于農業機械的生產，也不利于農業機械的應用。因此，必須從農業機械設計入手必須從機制和源頭上解決農業機械設計工作的應對問題，加強新產品研發設計工作，提高產品科技含量，達到農業設計的有力創新和發展。

1 農業機械設計的理念

我國人口的增長、土地種植面積的縮小和土地的貧瘠化，使糧食增產的壓力越來越大，如何加快農業發展，增加糧食產量是當前亟待解決的問題。在機械化主導農業發展的今天，只有提高農機產品的安全性、適用性和節能性才能減少其消耗，保護農作物生長環境，才會使農民從機械化農業生產中獲得更大收益。綠色發展和低碳環保是當前循環可持續發展經濟的主要理念，經濟發展和社會進步的腳步越快就越需要良好的資源與環境條件作為支撐，應該將節能環保理念作為發展的戰略前提，以此來確保整個建設過程的長久、健康發展。

2 農業機械的環保節能設計

環保節能機械不僅具備自身的生態環境優點，也具有一定的經濟優勢。環保節能農業機械可以降低在農機制造、應用、維護過程中對生態的影響，控制過大機械能耗的產生。在減少環境污染的同時，控制土壤質量不出現上下劇烈的波動；可以有效節約種子、農藥和化肥的用量，同時減少能源、水資源、污染防控、職業病保健方面的開支，這能夠控制農業機械和農業生產的不必要支出。根據近些年環保節能農業機械的發展經驗來看，環保節能農業機械可以利用高科技元素帶來效率和效益的提升。

2.1 農業機械的材料選擇

材料選擇是農業機械節能環保設計最重要的過程，設計過程中應該做好材料控制，選擇無毒無害、可以重復利用、對生態環境影響小的材料作為環保節能農業機械的基礎，這樣可以降低農業機械對環境的負面影響，實現對環境、資源、生態的有力維護。

工程塑料由于具有密度小、比強度高、良好的耐蝕性及良好的減摩和自潤滑性等一系列優良特性，在理論研究和實際應用上引起了人們的極大關注。如活塞環在動力機械中主要是防止氣體從壓縮容器內漏出。因此,活塞環的材料除了要具有一定的力學性能與彈性外，還應有自潤滑性和減摩、耐磨性。聚四氟乙烯是制作活塞環的理想材料，常用于不能用潤滑劑或其它苛刻條件下如有嚴重腐蝕性及對安全性要求比較高的場合，其大大減少了氣缸內壁的磨損，延長了氣缸使用壽命。

木塑纖維復合材料是以木質纖維為主要組分，經過預處理使之與合成纖維、樹脂或其它材料結合而成的一種新型材料在很多領域已成為鋼材和工程塑料等常用工程材料的替代品。木塑復合材料在提高結構材料的力學強度和聲學性能，降低材料的重量、能源燃料消耗及生產成本，減少加工時間，提高乘客的安全性和在極端的溫度變化時的防碎性能上都有很好的表現，已廣泛應用在于汽車、建筑、船舶、電子和航空航天等領域。這對于農業機械比較傳統的材料應用是一個很好的啟發。

我國農業機械耐磨零部件的質量很難達到國際先進水平，農機生產領域農機零配件的合格率一直都在60%～70%徘徊，農機耐磨配件則更低，例如，旋耕刀近年來平均抽查的合格率為58.3%，錘片的平均抽查合格率為61.9%。借助堆焊、熱噴涂、激光表面處理等表面工程技術，通過對農機耐磨件易磨損表面的強化，可以大幅度提高零件的耐磨性能，延長耐磨件的使用壽命。張麟等人采用爆炸噴涂工藝，在低溫榨油機榨螺表面制備WC-12%Co耐磨涂層。研究表明，WC-12%Co耐磨涂層壽命是傳統滲碳淬火層的4.2倍。農機耐磨件惡劣的工作環境對制造材料提出更高的要求，也督促我們必須加快對新型農機材料的研究、開發和推廣。與此同時，改性處理工藝的研究也不可或缺，熱處理工藝、表面工程技術在農機耐磨零部件方面的應用也愈顯重要，尤其是表面工程技術，相對于傳統的熱處理工藝擁有不可比擬的優勢。

2.2 農業機械燃料的選擇

內燃機是農機的動力機械，內燃機的燃料主要是柴油和汽油，這類燃料燃燒后會產生大量含碳和硫的有害氣體，對農業生產環境造成污染，影響農產品的質量和農業的持續發展。所以，農業機械的環保節能設計中要研究開發清潔的能源，包括太陽能、沼氣等，減少對汽油、柴油等的使用，降低噪聲、廢氣等污染，并能夠減輕碳排放過多造成的溫室效應，保護農業生態環境不受或是少受污染，為農作物的生長營造良好的環境。

生物柴油是一種清潔的可再生能源,它是以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實、工程微藻等油料水生植物以及動物油脂、廢餐飲油等為原料制成的液體燃料，是優質的石油和柴油代用品。目前德國已成為世界最大的生物柴油生產國和消費國。德國主要以油菜籽為原料生產生物柴油，建立了1600多座生物柴油加油站。我國生物柴油正處于開發初期與小批量試產階段，主要以餐飲等行業廢油回收或以膏桐、黃連木、油菜籽等為原料。劉蕾等研究發現按照每千克柴油排放CO2量3.2kg計算，假設2007年我國農機全部采用生物柴油,每年可減少對大氣排放的CO2約6000萬t。生物柴油生產過程中相對于石化柴油，能降低污染物的排放。最明顯的是CO降低了34%，PM10(10Lm以下的顆粒)降低了68%，SOx降低了8.33%。

全球領先的農業機械品牌紐荷蘭（NEW HOLLAND）2013年就推出了世界上第一輛以氫燃料電池為動力的拖拉機，它的名字叫NH2，可以驅動一臺106馬力的電動機，四輪驅動。在這款機械身上，傳統的柴油機動力系統被兩個氫燃料電池驅動的電馬達動力系統所取代，其中，一個馬達主要用作動力牽引，另一個馬達用于動力傳遞和輔助操作，單個的氫燃料罐可以工作1.5到2個小時，能提供大約106馬力的功率。用氫燃料電池作動力也意味著動力傳遞無污染、更高效（因為無需復雜的齒輪傳動系統）。與此同時，太陽能也已廣泛應用到現代農業種植、養殖、灌溉、病蟲害防治以及農業機械（設施）動力提供等領域。如四川省攀西地區太陽能提灌站利用太陽能清潔能源，降低了電力、柴油等能源消耗，減少了碳粉塵、二氧化碳、二氧化硫等排放。

2.3 農業機械的可拆卸性

DFD(Design For Disassembly)即可拆卸性設計，DFD是綠色設計理念的主要內容之一。DFD可以分為兩類：一類是面向產品回收(Design For Recy-cling)的可拆卸性設計另一類是面向產品維修(Design For Maintenance)的可拆卸性設計。可拆卸性設計是產品綠色設計的主要內容之一。加強產品和零部件的回收再生循環，體現出農業機械設計中的綠色設計理念，在產品整個設計周期內，不僅要滿足環境目標要求，更要保證產品功能、質量及使用年限的完整等要求。

可拆卸性設計有兩種設計方法：一是基于“典型模塊”的可拆卸性設計（CMDFD）。CMDFD（Classical Module DFD）是可拆卸性設計方法發展的初期階段，它是在設計過程中，盡可能地直接或者間接利用現有的、已被驗證具有良好拆卸性的一些典型結構模塊，應用在新產品的設計上，達到良好的拆卸性目標。二是計算機輔助可拆卸性設計（CADFD）。CADFD是把經模塊設計和CAD及CAM等工程軟件綜合起來進行產品設計，實現計算機輔助設計。可拆卸性設計的核心技術：建立農業機械的“典型模塊化”數據庫，建立計算機仿真技術評價體系的知識庫和數據庫，建立計算機網絡化設計。

Ug是美國EDS公司開發的CAD/CAE/CAM一體化軟件，被廣泛應用于農業機械、航空航天等領域。該軟件可運行于WINDOWNT平臺，無論是裝配圖還是零部件設計，都從三維實體造型開始，可視化程度極高。任娟等以美國PTC公司推出的Pro/E軟件作為機械設計中有限元分析和優化設計的工具，結合播種機驅動軸的設計，介紹了優化設計的整個過程，說明了優化設計在提高農業機械設計質量中的巨大作用。

3 展望

發展綠色、低碳、循環經濟是當今世界經濟發展的主旋律，是人類可持續發展的戰略基礎。農業機械設計中應建立起將環保節能理念，并全面地應用于農業機械設計的實用型體制，充分發揮環保節能型農業機械的經濟、生態和環保價值，達到對機械化農業、生態化農業發展的有力促進。

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