電動農業機械研究現狀及發展趨勢

河南工業職業技術學院汽車工程學院 張松泓 徐碧贏

電動農業機械研究現狀及發展趨勢

河南工業職業技術學院汽車工程學院 張松泓 徐碧贏

電動化是未來農業機械發展的必然趨勢。實現農業機械的電動化可以有效緩解能源危機，同時對環境保護發揮積極的作用。為此，本文首先簡要論述了農業機械電動化研究的背景條件以及國內外的研究現狀，進而分析了國內農業機械電動化研究出現的一些問題和主要發展趨勢。

電動農業機械；研究現狀；發展趨勢

引言

當今社會，環境和能源問題日益引起全球的關注，研發出節約能源、少污染甚至無污染的綠色農業機械已成為這一行業研究的熱點，電動機械的低噪聲、零排放或低排放、高效、節能以及能源多樣化和綜合利用等顯著優點，成為各國發展的主流。因此，開展對農業機械的電動化研究是十分必要的。

1 開展對農業機械電動化研究的背景條件

首先，電機技術的發展尤其是低速大扭矩電機技術的成熟，為電動農業裝備的發展提供了基礎條件。電機技術的發展決定了電動機械的發展速度。

從 19 世紀末電機的出現到今天這 100 多年的發展歷程中，電機技術取得了突飛猛進的進步，異步交流電機和無刷永磁電機系統在電動汽車上已經得到了廣泛的應用，成為電動汽車用電機的主流，特別是 PMSM（由正弦波驅動的永磁同步電動機）非常適用于電動車的驅動系統，有廣闊的應用前景。汽車的電動化為農業機械電動化的發展提供了良好的借鑒。

其次，工業的飛速發展使能源緊缺現象日益嚴重，迫切需要開發出新的能源方式替代傳統的能源方式為機械提供動力，以緩解日益嚴峻的能源危機。據《BP 世界能源統計 2016》指出：以當前的開采速度計算，全球石油、天然氣以及煤炭分別可以供應 30 年、55 年和152 年。國家統計局的數據顯示，雖然我國每年對能源的開采量逐年增加，但仍滿足不了國內的消費，促使能源的開采量進一步增加，最終加劇了能源危機。

第三，國家一系列能源政策的出臺促進了電動農業機械的發展。作為世界上最大的能源生產國，我國已經形成了煤炭、電力、石油天然氣以及新能源和可再生能源全面發展的能源供應體系。隨著科技的發展，更多的綠色能源轉換為電能。電能來源的多樣化為電動機械的發展提供了有力支撐。

圖1 2006 年 ～2015 年國家能源生產總量與消費總量

圖2 2008 年 ～2015 年幾種主要能源發電量

第四，農業機械的電動化有利于環境保護，保障人類健康。燃油動力農業機械在工作時產生的碳煙排放給環境帶來了嚴重的污染，生存在相對封閉空間的棚類作物通過呼吸作用吸入這些廢氣后，再通過食物鏈對人類的健康造成損害，而電動農業機械有利于降低碳煙排放，是綠色環保的農業機械。

2 國內外研究現狀及分析

據《ScientificAmerican》雜志報道，19 世紀末，美國南部農場出現了一種車頭上有兩根電線連接到電網上的拖拉機，這種拖拉機的特點是不用燃油，效率較高。1912 年德國的 Siemens 公司推出了功率為 36.8kW、由電網供電的電動拖拉機，主要用于驅動旋耕機。20 世紀40 年代，二戰的爆發導致石油供應異常緊缺。電動拖拉機的研發得到世人關注。1941 年，瑞士的 Grunder研制的電動耕地拖拉機具備隨時更換農機具的功能，可以進行多種作業[1]。這個時期的電動拖拉機有個共同的特點，即都由電網通過長導線提供電源，限制了其作業范圍，而且導線過長增加了電力在傳輸過程中的損耗。

傳統的電網提供電源在田間作業移動不方便，再加上 20 世紀 70 年代的能源危機和石油短缺，使得電動拖拉機再次獲得生機。當時世界上多數發達國家如美國、加拿大、英國、意大利和日本等紛紛開展對車載電池供電電動拖拉機的研制。20 世紀 70 年代，美國General Electric 公司推出的 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，該系列拖拉機主要用于草坪修剪作業，此外，根據用戶需要還可以選配其他農具。美國其他公司從事電動拖拉機的研發，并有相當大的一部分產品推向市場，比如美國 Allis—Chalners 公司推出的電動拖拉機，采用燃料電池，該拖拉機的行駛速度通過調節起作用的燃料電池的數量實現。隨著電力電子技術和電池技術的快速發展，電動拖拉機向易操作性、高可靠性和多功能性方向發展，同時性能也得到了大幅提高。

我國的電動農業機械整體起步較晚，但經過近幾年的發展還是收獲了不少研究成果。1972 年，我國引進英國技術生產的手持式電動噴霧機械，采用干電池或蓄電池作為動力源，整機質量為 2～4kg，生產效率在4～6.67hm2/d。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12.9kW，效率可達人工采摘的 3～5 倍，大大提高了勞動效率。

針對棚室作業大部分依靠手工勞動這種情況，中國礦業大學的楊剛等人設計了針對溫室大棚用的電動自走式撒肥機，降低了勞動強度，改善了工作環境，提高了作業效率。

河北建筑工程學院的孫有亮等人研制成功了一款小型的電動播種機，解決了傳統播種機回轉半徑大以及碳煙排放污染等問題，實現了4輪驅動和2輪驅動之間方便的轉換，增加了在相對松軟的土壤表面作業的機動能力和適應性[2]。

南京農業大學的高輝松等人研發成功了一款溫室大棚用電動微耕機。其耕作效率可達 2.29 畝 /h，略高于同功率汽油微耕機；每畝耗電量約為 0.46kW·h,使經濟性得到了極大提高[3]。

新疆農機部門根據當地的農業情況于 2008 年研制成功了 2BDP-2 型電動玉米精量播種機，通過田間試驗，效果良好，得到了廣泛推廣應用。甘肅畜牧工程職業技術學院的張承國等人在 2009 年研制成功了一款新型的噴灌機，即 DYP-235 型電動圓形噴灌機，這項研究對促進西北地區土地的合理化利用、荒漠化的遏制發揮了重要作用。

華南農業大學的閆國琦等人開展了對電動水稻插秧機的研究，并對整機進行了功率分配和參數優化[4]。華南農業大學的楊洲等人在參考國內外手持式汽油挖穴機的基礎上，設計研發成功了便攜式電動挖穴機，為電動挖穴機的優化設計提供了參考[5]。

為滿足山區丘陵等特殊作業環境下油菜的機收需要，浙江工業大學的周建強等人成功研發了一款新型的輪式電動油菜割曬機，實現了油菜的分段式收獲。西南大學的何家成等人研發的手持式電動水果采摘機在智能化水平、工作效率以及經濟性等方面都較傳統采摘方式有了大幅度改善，對果實的破壞性更小，得到了廣泛的應用。

針對玉米生長期中中后期施肥困難，施肥利用率低等問題，安徽農業大學的陳黎卿等人開展了對微型電動施肥機的研究，找到了施肥量與排肥軸的轉速之間的線性關系，為作物施肥精量化提供了參考。張家口職業技術學院的張秀國等人在播種機電動化方面也進行了積極探索，在成功研制出小型電動播種機的基礎上對其節能機理進行了分析，效果顯著。

西北農林科技大學的王元杰等人研制的微型遙控拖拉機具有良好的轉向機動性以及直線行駛性，通過平行四邊形機構和深松鏟與單鏵翻轉犁的配合，有效解決了偏牽引問題，同時作業效率、連續作業時間以及經濟性均比藍天 1DN-4 微耕機、合盛 1Z-105 微耕機有了大幅度的提高。

綜上所述，國內外電動農業機械已經開展了廣泛的研究，特別是電動拖拉機成為各國研究的重點。電動農業機械在非道路行駛及機組田間作業時，其低速、大扭矩、載荷變化頻繁、過載現象頻現等特點均有別于電動汽車。目前分別在播種、插秧、噴霧、微耕以及挖穴等方面開展了電動化的研究。

3 電動農業機械發展存在的問題及發展趨勢

電動農業機械發展存在的問題主要有：

①目前國內對電動農業機械的研究整體上還比較盲目，對田間作業規律的研究較少；

②電機的適應性不夠明顯，不能滿足復雜的田間作業需求；

③電池問題亟須解決，迫切需要開發出大容量、小體積、性價比更高的新型電池；

④迫切需要開展對電動農業機械的控制系統的研究。

電動農業機械發展趨勢體現在：

通過對非道路行駛以及機組田間作業載荷變化規律的進一步研究，為電動農業機械的研究提供基本參數依據。

開展對電極驅動規律的深入研究，積極研發新型電機。

開展對電池控制策略的研究，研制出微型高能電池。

參考電動汽車整車控制系統，建立電動農業機械的整車控制系統。

4 結語

綜上所述，無論是處于緩解能源危機和保護環境方面考慮，還是為了滿足市場的需求，大力開展對農業機械的電動化研究都是十分必要的。電動農業機械的零排放、零污染，整機性價比高，輕便且便于維護，符合我國的整體發展戰略，也是我國新農村建設和農業現代化的需要。

[1]高輝松.電動拖拉機驅動系統研究[D].南京：南京農業大學,2008.

[2]孫有亮,楊月貴等.小型電動播種機研制[J].山東農業大學學報（自然科學版）,2011,42（4）：579-581.

[3]高輝松,朱思洪等.溫室大棚用電動微耕機研制[J].機械設計.2012,29（11）：83-86.

[4]閆國琦,張鐵民等.電動水稻插秧機功率分配與參數優化[J].西北農林科技大學學報,2012,40（12）：1-6.

[5]楊洲,陳朝海等.果園施肥用便攜式電動挖穴機性能試驗[J].農業工程學報,2013,29（12）：25-31.

張松泓,男，1988 出生，河南社旗人，碩士，助教，研究方向：高等職業教育、汽車車身修復。