電動拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)特點及發(fā)展趨勢

0 引言

傳統(tǒng)拖拉機(jī)主要以柴油為主，在燃燒時拖拉機(jī)尾氣排放會對環(huán)境產(chǎn)生一定的污染，主要包括一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、硫化物等，會排出一些固體顆粒及光化學(xué)煙霧等，還會加劇溫室效應(yīng)、臭氧層破壞及酸雨等自然災(zāi)害，對于資源消耗、社會發(fā)展及農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展造成一定影響

。

電能是一種經(jīng)濟(jì)、清潔、使用及容易控制的能源

，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的發(fā)展，隨著該技術(shù)在拖拉機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，逐步開始探索電動農(nóng)機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，電動拖拉機(jī)具有清潔高效、投入成本低、易于控制等特點，是未來的主要發(fā)展方向與研究熱點。

本研究針對目前電動拖拉機(jī)的主要研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，進(jìn)一步總結(jié)電動拖拉機(jī)驅(qū)動裝置、控制器、電池能量分配、傳動裝置、自動導(dǎo)航技術(shù)等仍然存在技術(shù)瓶頸，針對以上問題提出未來電動拖拉機(jī)的主要發(fā)展趨勢與相關(guān)技術(shù)建議，研究結(jié)果旨在為電動拖拉機(jī)的高效利用與普及提供技術(shù)參考，對于推動電動能源的發(fā)展具有重要意義。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外對電動汽車及電動拖拉機(jī)的研究起步較早，目前已經(jīng)有近100多年的發(fā)展歷史

。最早是在19世紀(jì)90年代，德國、美國、前蘇聯(lián)等國家先后研制出用于田間整地的農(nóng)用拖拉機(jī)，后期，挪威研制出第一臺38 kW的小型電動拖拉機(jī)

，這一階段電動拖拉機(jī)的動力來源主要以電線與電網(wǎng)進(jìn)行連接，限制了電動拖拉機(jī)在田間的作業(yè)里程與工作范圍；在20世紀(jì)中期，利用車載電池為電動拖拉機(jī)進(jìn)行動力提供；20世紀(jì)80年代，德國電氣公司使用蓄電池作為電動拖拉機(jī)的動力源，這也是現(xiàn)代電動拖拉機(jī)的雛形；后期，美國約翰迪爾發(fā)布了第一個可以在田間進(jìn)行農(nóng)業(yè)操作的樣機(jī)，其功率可以達(dá)到250 kW，采用兩塊電池進(jìn)行續(xù)航，一塊電池主要為動力供電，另一塊為PTO供電，與玉米旋耕機(jī)進(jìn)行配套使用，田間試驗結(jié)果表明,可以連續(xù)進(jìn)行3 h的田間作業(yè)或者進(jìn)行60 km里程運輸，電池充電壽命超過3 000次

。隨著蓄電池技術(shù)的不斷發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的蓄電池類型主要包括鋰電池、鉛酸蓄電池等。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

與電動汽車相比，我國電動拖拉機(jī)發(fā)展較為緩慢，隨著電動拖拉機(jī)的廣泛應(yīng)用，我國開始逐步關(guān)注電動拖拉機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用，受到國外電動拖拉機(jī)發(fā)展的影響，在20世紀(jì)50年代，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)及哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制出我國第一臺電動拖拉機(jī)，但是在田間作業(yè)時需要與電線進(jìn)行鏈接使用，且對田間環(huán)境要求較高，因此沒有得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展；在2008年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出我國第一臺自主研發(fā)的4擋電動拖拉機(jī)，并在后期田間試驗時進(jìn)行性能優(yōu)化

；在2011年，中國一拖集團(tuán)與電氣有限公司進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)電動拖拉機(jī)，但是至今沒有研制出相關(guān)成品；2013年，吉林大學(xué)對電動拖拉機(jī)的蓄電池進(jìn)行優(yōu)化升級，研制出我國第一臺遙控駕駛的電動拖拉機(jī)，并通過溫室試驗驗證其工作可靠性；2018年，西北農(nóng)林科技大學(xué)通過CAN總線實現(xiàn)小型電動拖拉機(jī)的通信設(shè)計，推動電動拖拉機(jī)的智能化發(fā)展

；近年來，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)就我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部對電動拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)性能及智能控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，對電動拖拉機(jī)CAN總線、控制策略及驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬與田間試驗，取得了一定的成果，但是尚未進(jìn)行大田的推廣與應(yīng)用。

2 結(jié)構(gòu)特點

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)

對2013年種子生物測定表現(xiàn)為抗藥性的12個看麥娘種群，采用整株生物測定方法進(jìn)一步驗證其抗藥性。表3結(jié)果顯示，12個看麥娘種群對精唑禾草靈的相對抗性倍數(shù)在6.86～125.53倍之間，表明這12個看麥娘種群確實對精唑禾草靈產(chǎn)生了抗藥性。其中，低抗種群2個，比例為16.67%；中抗種群3個，比例為25.00%；高抗種群7個，比例為58.33%?？剐运阶罡叩氖?3JYGY-4種群，其抑制中劑量為 1 835.21 g a.i./hm2，相對抗性倍數(shù)達(dá)125.53倍。

電動拖拉機(jī)作為一種農(nóng)業(yè)動力機(jī)械，與傳統(tǒng)拖拉機(jī)相比，具有能源清潔、安全環(huán)保、體積小、操作靈活等特點，尤其適宜于在南方丘陵、小地塊耕作及溫室大棚內(nèi)使用，我國目前多為理論研究、仿真實驗，并無成型樣機(jī)進(jìn)行大田的推廣應(yīng)用；蓄電池多以鉛酸電池為主，在田間與大馬力機(jī)械進(jìn)行配套使用時，存在續(xù)航能力不足的問題。

2.2 控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)農(nóng)用拖拉機(jī)田間作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量評價體系較為完善，在GB/T15370《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)通用技術(shù)條件》中進(jìn)行了明確要求，依據(jù)傳統(tǒng)拖拉機(jī)的質(zhì)量評價體系，目前基本形成了電動拖拉機(jī)的相關(guān)評價體系，主要包括電動拖拉機(jī)的通用性、安全性、工作效率及可靠性等。電動拖拉機(jī)的經(jīng)濟(jì)性主要包括耗電量、能量消耗率、利用率及連續(xù)作業(yè)時間等進(jìn)行評價；拖拉機(jī)作為一種田間動力機(jī)械，因此，動力性評價指標(biāo)是評價體系的重要內(nèi)容之一，主要包括最大傳遞功率、最大牽引功率、加速度、爬坡性能等；由于農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境較為惡劣，因此，安全性也是質(zhì)量評價體系之一，主要對防護(hù)裝置、照明裝置、安全操作、安全電力輸送等進(jìn)行評價。

電動拖拉機(jī)主要包括蓄電池、動力傳遞系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變速器等組成(圖1)，在電動拖拉機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)時，主要由電池裝置提供動力，通過變速裝置和差速器將動力傳遞至電動拖拉機(jī)的車輪，用于田間進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)操作。

2.3 質(zhì)量評價體系

控制系統(tǒng)是電動拖拉機(jī)的關(guān)鍵部分，是電動拖拉機(jī)的“大腦”，用于控制電動拖拉機(jī)的工況，目前，針對電動拖拉機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究及相關(guān)試驗。在2015年，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)針對電動拖拉機(jī)的功率平衡進(jìn)行試驗研究，通過軟件開發(fā)建立了電動拖拉機(jī)四輪控制模型，并制定出一項模糊控制策略進(jìn)行整機(jī)能量控制與分配；在2019年，江蘇大學(xué)針對履帶式電動拖拉機(jī)控制系統(tǒng)中的力學(xué)傳遞效率進(jìn)行試驗研究，提出一種電動拖拉機(jī)單元控制器，克服控制器開發(fā)困難的問題，以耕地模式為目標(biāo)，建立適合的力學(xué)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，制定了4層控制策略，提高電動拖拉機(jī)的能量利用效率。但是以上研究主要以理論研究及實驗室研究為主，尚未進(jìn)行田間大面積推廣應(yīng)用。

式(2)表示線路限額約束。其中，Ri為轉(zhuǎn)移側(cè)的線路容量；ai為轉(zhuǎn)移側(cè)實際負(fù)載率；Li為失電前饋線的負(fù)荷量。

3 存在的問題

3.1 蓄電池動力不足

在仔豬白痢發(fā)病的后期，仔豬會出現(xiàn)不良狀況，上述方法可用于治療仔豬。此外，還可在靜脈注射或腹腔注射的協(xié)助下，利用添加一定量抗生素的葡萄糖鹽水治療患病仔豬，為防止機(jī)體酸中毒的情況發(fā)生，可以利用碳酸氫鈉（3%～5%）；如果患病仔豬心臟出現(xiàn)衰竭，則需要配合利用強(qiáng)心藥物進(jìn)行及時治療。

3.2 電機(jī)故障頻發(fā)

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較為惡劣，因此電動拖拉機(jī)電機(jī)工況十分復(fù)雜，在田間環(huán)境中電機(jī)故障頻發(fā)，如電源無法接通，電機(jī)不能啟動且伴有嗡嗡聲、電動機(jī)啟動困難、電機(jī)啟動后發(fā)熱或者冒煙等，但是目前關(guān)于電機(jī)故障診斷方式較為單一，不能滿足在較為復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境中進(jìn)行電機(jī)故障診斷。

4 發(fā)展趨勢

4.1 完善質(zhì)量評價體系

由于電動拖拉機(jī)與傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)的動力來源不同，因此相關(guān)動力性能及經(jīng)濟(jì)性能評價體系應(yīng)該在傳統(tǒng)拖拉機(jī)的基礎(chǔ)上完善電動拖拉機(jī)的評價體系，主要包括耗電率、連續(xù)作業(yè)里程、最大牽引效率、最大加速度等，由于電動拖拉機(jī)的動力來源為蓄電池，其種類較多，因此應(yīng)該對拖拉機(jī)蓄電池進(jìn)行通用性與規(guī)范性要求，加快電動拖拉機(jī)質(zhì)量評價體系標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)與發(fā)展。

小桁架、上層平臺焊接組件、固定機(jī)位支撐件、活動機(jī)位支撐件、導(dǎo)軌、附墻導(dǎo)座及各部件連接件組成，如圖1所示。為了研究4種不同工況下施工平臺各部件的應(yīng)力分布規(guī)律，根據(jù)平臺運行的工況條件做如下簡化：

4.2 發(fā)展多電機(jī)耦合驅(qū)動裝置

雙電機(jī)耦合驅(qū)動裝置實質(zhì)是將兩個電機(jī)或多個電機(jī)耦合，可以提高驅(qū)動效率。由于農(nóng)用拖拉機(jī)屬于田間動力機(jī)械，因此，較高的功率輸出對于提高田間作業(yè)效率具有重要意義，目前單個電機(jī)驅(qū)動下的電動拖拉機(jī)在爬坡或者與大馬力聯(lián)合收獲機(jī)配合時效率下降較為嚴(yán)重，單電機(jī)輸出扭矩有一定的限制。目前提高輸出功率的主要途徑是配合較大的驅(qū)動器，成本較高，采用雙電機(jī)可以提高工作效率與多擋位變換，降低出現(xiàn)動力中斷的問題。

5 結(jié)語

隨著電動能源的逐漸發(fā)展，電動能源車輛在國內(nèi)外發(fā)展迅速，其中以電動汽車發(fā)展最為廣泛，其相關(guān)技術(shù)逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械中，對于傳統(tǒng)燃油農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展與轉(zhuǎn)型起到一定的推動作用，電動拖拉機(jī)在國內(nèi)外發(fā)展迅速，但是核心技術(shù)研發(fā)還存在一定的技術(shù)難題，未來應(yīng)該加快對電動拖拉機(jī)核心技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，加快建立完善的電動拖拉機(jī)技術(shù)體系，如動力性能、安全性能、經(jīng)濟(jì)性能等。本研究首先闡述了電動拖拉機(jī)在國內(nèi)外的主要應(yīng)用現(xiàn)狀，對電動拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)特點及質(zhì)量技術(shù)體系進(jìn)行詳述，提出目前電動拖拉機(jī)發(fā)展存在的主要問題與制約條件，針對以上問題提出未來電動拖拉機(jī)應(yīng)該加快核心技術(shù)研發(fā)并完善相關(guān)田間標(biāo)準(zhǔn)體系，研究結(jié)果以期為電動拖拉機(jī)的快速發(fā)展提供技術(shù)參考，對于推動農(nóng)業(yè)機(jī)械化綠色可持續(xù)發(fā)展及電動清潔能源深入研究具有重要意義。

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