拖拉機(jī)的新能源化發(fā)展及其現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用趨勢

于志剛

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

近年來，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式趨于合理化發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本實現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)，生產(chǎn)過程呈現(xiàn)出高效、高產(chǎn)出的優(yōu)勢。農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)揮優(yōu)勢的同時也因發(fā)動機(jī)的使用產(chǎn)生了大量排放污染，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周邊環(huán)境和總體空氣環(huán)境造成了不利影響。隨著《農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展行動方案》強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)機(jī)械的新能源化發(fā)展以來，國家對于農(nóng)機(jī)企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的綠色、低碳、環(huán)保提出了更高的要求。一直以來，拖拉機(jī)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)型，承擔(dān)著運輸、配套機(jī)具生產(chǎn)等眾多任務(wù)，拖拉機(jī)也成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中保有量最高的機(jī)型。拖拉機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)具有大部分農(nóng)業(yè)機(jī)械的典型特征，拖拉機(jī)的新能源化發(fā)展不僅能促進(jìn)拖拉機(jī)動力系統(tǒng)的改革，還有利于指導(dǎo)其他自走式農(nóng)機(jī)設(shè)備向新能源動力方向轉(zhuǎn)型，進(jìn)而引領(lǐng)農(nóng)機(jī)化生產(chǎn)應(yīng)用更多清潔能源，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色化、可持續(xù)發(fā)展。

1 新能源理念及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

近年來，社會對于新能源技術(shù)的關(guān)注度持續(xù)提升，以新能源汽車為代表的多種新能源設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用與普及。新能源有別于傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等化石能源，具有易于取材、可再生、使用清潔無污染等特點，新能源的概念是在20世紀(jì)80年代由聯(lián)合國新能源和可再生能源會議提出的，強(qiáng)調(diào)通過研究和應(yīng)用如太陽能、生物質(zhì)能、原子能等技術(shù)，實現(xiàn)能源的取之不盡、周而復(fù)始利用，且在能源利用過程中減少對環(huán)境的危害。

我國近年來加強(qiáng)了新能源技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用力度，通過基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實現(xiàn)了可再生能源的高效利用，現(xiàn)階段應(yīng)用較多的新能源種類包括風(fēng)能、太陽能、核能、生物質(zhì)能、潮汐能、地?zé)崮艿龋茉吹睦眉杏诎l(fā)電和供暖等方向。上述新能源均可用于生產(chǎn)電能，再利用電能替代傳統(tǒng)的石油、煤炭等能源。截至2021年9月，我國利用光伏發(fā)電累計裝機(jī)2.78億kW，實現(xiàn)了太陽能的有效利用；同年，我國的風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量突破3億kW大關(guān)，風(fēng)能利用率連續(xù)12年居全球第一。此外，近十年來，我國的生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)量、核電主設(shè)備建設(shè)、潮汐發(fā)電站建設(shè)、地?zé)崮馨l(fā)電裝機(jī)量均實現(xiàn)了快速增長，為我國能源的供給和有序利用創(chuàng)造了良好條件。

2 新能源技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 有利于節(jié)約不可再生資源

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的動力機(jī)械以柴油機(jī)和汽油機(jī)為主，使用過程會消耗大量石油資源，隨著資源緊缺問題的進(jìn)一步凸顯，節(jié)能已成為全世界的共同需求。新能源通過電能、生物質(zhì)能等可再生能源作為拖拉機(jī)等農(nóng)機(jī)的驅(qū)動能源，能夠顯著降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程對于燃油的消耗。截至2020年底我國拖拉機(jī)保有量達(dá)到2 204.88萬臺，其中58.84 kW(80馬力)以上拖拉機(jī)擁有量143.66萬臺，通過新能源替代傳統(tǒng)燃油能源，僅拖拉機(jī)一項即可節(jié)省大量的不可再生能源。

2.2 有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境

燃油發(fā)動機(jī)的大量應(yīng)用會造成嚴(yán)重的污染排放，尾氣中的硫化物、顆粒物會對農(nóng)田環(huán)境和周邊氣候造成嚴(yán)重污染，可能對人身健康和食品安全造成一定程度的影響。對比而言，新能源技術(shù)的應(yīng)用使拖拉機(jī)使用過程的排放問題得到了良好解決，由于清潔能源幾乎不產(chǎn)生污染物，使農(nóng)田環(huán)境得到了更好的保護(hù)，拖拉機(jī)使用過程對自然界的影響得到了更好控制[1]。

2.3 有效降低用機(jī)成本

采用純電動或混合動力技術(shù)的新能源拖拉機(jī)與傳統(tǒng)的燃油拖拉機(jī)相比，新源購置成本明顯降低，農(nóng)民用機(jī)中充電花費通常僅為燃油的30%～50%。且現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的電驅(qū)動技術(shù)與傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機(jī)技術(shù)相比，動力機(jī)械在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性上更為簡單，電動機(jī)出現(xiàn)故障問題的概率明顯降低，混合動力拖拉機(jī)產(chǎn)品由于通過電動機(jī)替代了大部分燃油發(fā)動機(jī)的工作，也有效降低了燃油發(fā)動機(jī)的故障率，用機(jī)過程的維修、保養(yǎng)等成本明顯降低。

2.4 有利于提升技術(shù)先進(jìn)性

新能源技術(shù)的應(yīng)用使拖拉機(jī)具備了更強(qiáng)大的電力儲備，有利于先進(jìn)的車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等技術(shù)應(yīng)用，電動機(jī)的各項參數(shù)相對于傳統(tǒng)燃油發(fā)動機(jī)更容易控制，且動力響應(yīng)迅速，有利于實現(xiàn)在自動控制下的精確化生產(chǎn)作業(yè)，能夠為拖拉機(jī)技術(shù)的智能化發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

3 新能源拖拉機(jī)的技術(shù)體系

3.1 電動拖拉機(jī)技術(shù)

電動拖拉機(jī)是僅依靠電能作為運轉(zhuǎn)能源的拖拉機(jī)設(shè)備，其利用電動機(jī)替代傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機(jī)，并配套蓄電池、配電箱、減速機(jī)等裝置。

3.1.1 電動機(jī)技術(shù)

電動機(jī)是利用定子繞組通電后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子快速旋轉(zhuǎn)而輸出扭矩的動力裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程，電動機(jī)可分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)兩大類，其中用于農(nóng)機(jī)驅(qū)動的電動機(jī)多以交流電動機(jī)為主，普通的交流電動機(jī)工作部件包括定子與轉(zhuǎn)子兩大部分，當(dāng)有電源供給時通過轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩。在普通交流電機(jī)基礎(chǔ)上，近年來，永磁同步電機(jī)(圖1)的應(yīng)用逐漸增多，相對于普通交流電機(jī)體積小且質(zhì)量輕，能夠節(jié)省空間和重量，使拖拉機(jī)有更多空間布置其他先進(jìn)設(shè)備。同時永磁同步電機(jī)能源轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)97%，能夠為拖拉機(jī)作業(yè)提供更強(qiáng)的動力和加速度。

圖1 永磁同步電機(jī)

3.1.2 電池與供能技術(shù)

電池是電動拖拉機(jī)的能源供給裝置，電池的性能和技術(shù)對于拖拉機(jī)的動力、續(xù)航、使用成本影響很大，現(xiàn)階段應(yīng)用較多的電池技術(shù)包括鋰離子電池、鉛酸蓄電池、鎳氫電池等。其中以鋰離子電池的應(yīng)用范圍最廣，使用過程具有零污染、充電快、電能輸出效率高等優(yōu)勢，且廢舊電池通過回收處理易于再利用，適合在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多個領(lǐng)域應(yīng)用。

3.1.3 機(jī)械傳動技術(shù)

拖拉機(jī)的機(jī)械傳動是將電動機(jī)輸出的扭矩傳遞給各個運轉(zhuǎn)和需要驅(qū)動的部件，使其在一定的匹配關(guān)系下實現(xiàn)規(guī)律的運轉(zhuǎn)，包括減速器、換擋機(jī)構(gòu)、傳動軸等，機(jī)械傳動技術(shù)對于電動拖拉機(jī)駕駛的平順性、動力性能影響很大。機(jī)械傳動系統(tǒng)主要包括離合器、中央傳動機(jī)構(gòu)、變速箱及最終傳動等部分，該技術(shù)涉及拖拉機(jī)的換擋、動力輸出、牽引力等參數(shù)。一方面，傳動系統(tǒng)應(yīng)保證拖拉機(jī)換擋的平順性，以提供更好的駕駛體驗，并降低傳動部件因沖擊載荷造成的磨損和損壞問題；另一方面，傳動系統(tǒng)的合理設(shè)計能保證傳動過程將電動機(jī)能源最大化利用，車輪、動力輸出軸等位置能輸出更好的牽引力和動力[2]。

3.1.4 電液懸掛控制

電液懸掛控制是拖拉機(jī)與配套農(nóng)機(jī)具聯(lián)合作業(yè)的關(guān)鍵部件，配套機(jī)具通過與拖拉機(jī)的電液懸掛系統(tǒng)連接后，能夠在駕駛室通過電控系統(tǒng)控制配套機(jī)具的工作狀態(tài)，調(diào)整工作參數(shù)。電液懸掛控制技術(shù)的設(shè)計與應(yīng)用能夠很好地改善拖拉機(jī)的牽引性能，并優(yōu)化配套機(jī)具的作業(yè)質(zhì)量。除此之外，電液懸掛控制技術(shù)還能為配套機(jī)具提供動力、位置調(diào)整及控制，實現(xiàn)多種作業(yè)模式的更換。

3.2 混合動力拖拉機(jī)技術(shù)

混合動力系統(tǒng)是指應(yīng)用兩種以上動力技術(shù)的驅(qū)動系統(tǒng)，現(xiàn)階段應(yīng)用較多的是油電混合的動力技術(shù)，其相對于傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機(jī)和現(xiàn)階段應(yīng)用的電驅(qū)動技術(shù)均具有一定的優(yōu)勢。工作過程中，當(dāng)拖拉機(jī)處于怠速或低動力輸出時，只通過電動機(jī)提供驅(qū)動力，能夠?qū)崿F(xiàn)拖拉機(jī)在多數(shù)使用狀態(tài)下的低功耗、零排放、低污染，當(dāng)拖拉機(jī)用于耕整地或其他牽引力較大的作業(yè)時，利用柴油發(fā)動機(jī)或汽油機(jī)提供動力，以保證良好的行駛速度或牽引力輸出。混合動力技術(shù)根據(jù)不同的動力傳輸形式可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種，混合動力是現(xiàn)階段最容易實現(xiàn)的農(nóng)用新能源驅(qū)動形式[3]。

混合動力拖拉機(jī)集成了傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)和新型電動拖拉機(jī)的優(yōu)勢，其工作性能受到混合動力控制系統(tǒng)的影響較大，動力的選擇與切換時機(jī)成為影響混合動力系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，各農(nóng)機(jī)廠家也針對混合動力系統(tǒng)的性能展開了重點研發(fā)。圖2所示為菲亞特動力科技與STEYR公司聯(lián)合研發(fā)的混合動力拖拉機(jī)，實現(xiàn)了傳統(tǒng)拖拉機(jī)在效率、性能、生產(chǎn)率、環(huán)保性和可持續(xù)性方面的全面提升。

圖2 技術(shù)先進(jìn)的混合動力拖拉機(jī)

4 技術(shù)應(yīng)用與現(xiàn)代化發(fā)展趨勢

4.1 技術(shù)應(yīng)用特征

現(xiàn)階段，我國的大型農(nóng)機(jī)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)加強(qiáng)了對新能源拖拉機(jī)的研究開發(fā)力度，大量的新能源拖拉機(jī)產(chǎn)品在國際國內(nèi)農(nóng)機(jī)展會上亮相，為新能源拖拉機(jī)的技術(shù)應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。圖3所示為我國自主研發(fā)的純電動拖拉機(jī)，能實現(xiàn)6 h充電完成耕整地3.33 hm2，顯示了我國在新能源拖拉機(jī)領(lǐng)域的科研實力。但與此同時，與發(fā)達(dá)國家新能源拖拉機(jī)普及度相比，我國大部分相關(guān)技術(shù)和機(jī)型還處于小范圍應(yīng)用和試驗改進(jìn)階段，技術(shù)進(jìn)一步普及還有很多工作要做。

圖3 我國自主研發(fā)的純電動無人駕駛拖拉機(jī)

4.2 發(fā)展趨勢

1)向高蓄能電池方向發(fā)展。無論是電動拖拉機(jī)還是混合動力拖拉機(jī)，對于電池續(xù)航能力的依賴性均很高，現(xiàn)階段的電池技術(shù)在常規(guī)汽車、設(shè)備供電方面使用已經(jīng)相對成熟，但應(yīng)用于拖拉機(jī)上，面對復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和多種不同的作業(yè)模式，仍需電池提供更長久的續(xù)航和使用壽命。

2)向高效充電技術(shù)發(fā)展。現(xiàn)階段來看，電動拖拉機(jī)一大弊端就是充電效率低，當(dāng)拖拉機(jī)能源不足時，往往需要6～10 h 的充電才能充滿，這在一定程度影響了拖拉機(jī)的使用壽命，因此加強(qiáng)快速充電技術(shù)研究是提升新能源拖拉機(jī)使用效率的關(guān)鍵[4]。

3)向智能控制方向發(fā)展。利用計算機(jī)技術(shù)和電子控制技術(shù)進(jìn)一步提升新能源拖拉機(jī)的控制能力，優(yōu)化電能供給邏輯，優(yōu)化混合動力切換時機(jī)，使新能源拖拉機(jī)進(jìn)一步與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際相匹配。

5 結(jié)語

綜上所述，新能源技術(shù)與拖拉機(jī)的良好結(jié)合能夠有效替代傳統(tǒng)的燃油機(jī)械，使生產(chǎn)過程的能源消耗、環(huán)境污染問題得到良好改善。我國農(nóng)業(yè)管理部門及農(nóng)機(jī)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對新能源拖拉機(jī)的研發(fā)與技術(shù)應(yīng)用力度，促進(jìn)新能源拖拉機(jī)更多應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并引領(lǐng)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品整體向新能源、低污染、可持續(xù)方向發(fā)展。