新能源園林養護機械應用現狀研究

蔣 慧,黎國健,翁恩彬,羅旭榮

(深圳市方格生態環境有限公司,廣東深圳 518035)

隨著“三分種,七分養”的意識深入人心,園林養護也慢慢得到了重視,特別是雙碳目標的影響下,以燃油機械和人工操作為主的相對粗放的管養方式,也逐步朝著低碳環保的趨勢轉變。根據我國園林養護管理現狀,整體的機械化水平、智能化水平、低碳環保水平較低,燃油機械的靈活性、實用性、輕便性、環保性等方面還存在較大的提升空間,新能源機械的應用還處在比較滯后的階段。按“十三五”期間園林機械在國內外市場的狀況,供應國際市場的產值從現在的20億美元逐漸增加到25億美元,國內用于園林綠地建植和養護的設備將由現在的20%左右增加到50%以上[1]。再加上園林綠化養護人員老齡化程度高、后備力量薄弱、人工成本不斷提升等原因,勢必會加快園林機械的推廣應用。新能源技術的不斷革新和對生態環境的日益重視,加快了新能源園林養護機械的快速發展。國際市場新能源機械的發展更是有目共睹,根據TraQline統計數據,在北美地區的戶外動力設備領域,新能源園林機械市場份額已經從2010年的13%增長至2021年的36%。隨著新能源、智能化技術的逐漸成熟,綠色、智能、高效能的園林機械設備代替傳統、粗放、低效能的園林機械設備必是大勢所趨。

1 園林養護機械的類型

園林養護機械主要是園林養護管理中用于草坪養護、苗木修剪整形、病蟲害防治、灌溉施肥、苗木更新種植以及綠化廢棄物處理清運等工作的機械設備[2]。我國園林綠化機械設備的發展始于20世紀80年代,20世紀末開始全國園林建設蓬勃開展,進入快速發展時期。較早普及的機械類型主要是修剪整形、病蟲害防治和灌溉等中小型機械,改革開放以后,挖樹機、高空作業車等國外大型機械也紛紛進入國內[3]。近年來,新能源技術的革新進步使得新能源園林養護機械也得到了一定的發展。據統計,2004—2018年園林行業有關機械設備類的標準規范經歷了以汽油—電動—鋰離子電池為動力源的升級變化,這也表明了園林機械設備動力源的轉變發展趨勢。目前我國園林養護機械在新能源動力方面也有了初步的嘗試,主要在小型園林機械和綠化保潔的運用推廣上,比如割灌機、綠籬機、吹風機、無人割草機、智能掃地機、電動清掃車、電動灑水車等。按照動力類型來分,園林養護機械分為燃油動力、交流電動力、直流鋰電動力。按照用途,園林養護機械可以分為草坪養護類、喬灌木修剪類、綠地保潔類、植保施肥類、樹木移植類、其他小型工具管養類。

草坪養護類機械主要包括旋刀剪草機、割灌機、滾刀剪草機、打孔機、草坪施肥機、草坪車等。喬灌木修剪類機械主要包括綠籬機、油鋸、高空作業平臺、多功能修剪車等。綠化保潔類機械主要包括粉碎機、垃圾清運車、掃地機、抓機、多功能作業車等。植保施肥類機械主要包括灑水車、滴灌系統、施肥機、打藥機等。樹木移植類主要是指挖樹機、切根機、高空油鋸等。其他小型工具管養主要是高枝剪、平剪等。

2 新能源園林養護機械應用現狀

2.1 新能源園林養護機械發展概況新能源園林養護機械是基于鋰電動力技術,相較于傳統的以燃油動力驅動的園林機械產品,具有清潔環保、噪聲小、振動小、操作簡單等特點。目前新能源園林機械設備生產商主要集中在歐美等制造業發達的國家和地區,其園林機械設備具有高效節能、安全可靠、自動化程度高等特點,并通過鋰電池管理系統、智能控制技術的開發應用,將園林機械設備行業推向高效率、低排放、智能化發展方向,趨向于一機多用化、聯合作業化以及無人自動化。雖然國內的新能源機械發展相對緩慢,但是國內的園林機械設備生產企業也在不斷地生產不同類型和用途的園林綠化機械設備,部分企業如格力博(江蘇)股份有限公司、寶時得科技(中國)有限公司等也致力于新能源機械的開發與應用,推出了一系列綠色機械產品,并在海外市場占據了重要的地位。

近年來,國家加大了對建立綠色、低碳、循環發展的產業體系和清潔、安全、高效的現代能源體系的支持。部分走在前列的省市如深圳市在新能源機械推廣中也做了初步的試點,通過選取新能源園林機械示范點,進行新能源機械低碳及性能測試。主要測試的新能源產品有智能掃地機器人、鋰電池割草機、鋰電池割灌機、鋰電池油鋸、鋰電池綠籬機、鋰電池吹風機等。這些新能源機械的運用對試點園區的低噪、低碳、低維護的環境起到了重要的作用。雖然我國園林養護機械也在持續不斷地更新發展,但是國內產品性能和應用推廣的成效與國外相比還存在較大的差距,特別是新能源園林養護機械自主創新產品性能還需要經歷市場的長期考驗。根據國內園林養護機械的使用現狀,燃油機械仍然是目前園林養護的主要機械類型,新能源園林養護機械的推廣也存在一定的阻礙。主要問題及原因有以下幾點:

(1)國內園林機械化發展起步較晚,園林養護仍以勞動密集型作業為主,且傳統燃油園林機械主力軍大部分能滿足日常的園林養護作業需求。再加上行業普遍認為燃油機械動力足,持續作業時間長,整體工作效率高。對于園林養護企業而言,存在比較看重園林養護機械的實用性和效能,容易忽視機械使用的污染、安全、便攜、舒適等現象。所以新能源明顯的優勢并不能給園林企業帶來很好的效益。

(2)新能源園林養護機械產品性能穩定性還需要經歷市場的考驗,在新能源機械產品運用的初期,普遍出現了續航能力差、性能不穩定、后期運行成本不確定等問題,這也極大地影響園林企業使用新能源園林養護機械產品的積極性。再加上人們對新能源園林養護機械產品的認識不足,還停留在續航能力差、電池不耐用、動力不足的認知上,在一定程度上限制了新能源機械的推廣運用。

(3)現有常用的園林養護機械存在部分機械超負荷使用,維修管理不到位,新能源機械與傳統燃油機械工作原理不同,需要有一定電動力專業人才,而相關養護操作人員普遍年齡較大,對新機械的接受程度較低,園林養護工人老齡化同時也導致了勞動力缺口,后備專業技術人才培養難以保障園林養護的需求。

(4)技術比較成熟的小型新能源園林養護機械產品更加適合海外家庭園藝市場,而大型的新能源機械產品又對場景地形要求較高,使用場景有限。整體的使用效率大打折扣,甚至出現閑置現象。所以新能源園林養護機械產品在應對國內市場的需求上還有很大的提升空間。

2.2 主要的新能源園林養護機械發展和應用作為一家在電動園林工具行業全球銷量第一的研發制造型公司,格力博是新能源園林機械設備的行業領跑者,擁有園林工具自主品牌Greenworks(圖1),其產品為全系列環保節能產品,覆蓋了20、40、60、80 V 等多個電壓平臺,產品包括割草機、打草機、吹風機、鏈鋸等,可以滿足家用DIY及專業園林的多種使用場景需求。產品按用途可分為割草機、打草機、清洗機、吹風機、修枝機、鏈鋸、智能割草機器人、智能坐騎式割草車等。

注:圖片來源于https://www.greenworkstools.com.cn/h-col-143.html。Note:The picture came from https://www.greenworkstools.com.cn/h-col-143.html.

2.2.1常用小型新能源機械。

2.2.1.1鋰電池割灌機。一般割灌機分為小型、大型2種。小型割灌機在市政園林、城市公園道路綠化以及庭院養護中應用比較普遍,常見的有側掛式割灌機和背負式割灌機2種,集割灌除草為一體的多功能機械。大型割灌機動力強勁,適合荒草灌木叢清除以及農林大場景作業,如裝拆式輕型割灌機、自走式沙柳割灌機、自走式灌木平茬機[4]。近年來發展比較成熟的鋰電池割灌機主要適用于小型的應用場景,相較于傳統燃油動力割灌機,采用一鍵啟動、自鎖開關,無復雜的調試和前置準備工作,不再需拉繩,不需要手動泵油,不再需要控制阻風門的發動機啟動,安全可靠,操作簡單。格力博在鋰電池割灌機的系列產品中,根據不同場景需求開發了48V家用經濟款、40V專業款、40V專業續航款、82V大馬力款、82V二代專業款5款類型,形成了相對齊全的產品體系。82V牛角把手割灌機(圖2),電機轉速6 000 r/min,功率1 000 W,裸機重量5 kg,可充放電大于1 000 次,采用無刷電機智能數字化控制,保障強動力輸出,內置數字芯片實時控制電機功率和性能。鋰電池的循環使用,穩定快速充電,備用電池可有效延遲持續作業。Greenworks 82V系列產品兼具強勁動力和卓越性能,適用于全天候重型專業用途,兼顧零排放、低噪聲、高效能于一身。

注:圖片來源于https://item.jd.com/10056476235300.html。Note:The picture came from https://item.jd.com/10056476235300.html.

2.2.1.2鋰電池綠籬機。綠籬機又稱綠籬剪,傳統動力依靠汽油機帶動刀片切割轉動。綠籬機主要分為小型便攜式綠籬機和大型車載式綠籬機。按切割刀的形式可分為單刃綠籬機和雙刃綠籬機[5]。作為園林綠化修剪作業中修剪樹籬、灌木叢和綠墻不可或缺的機械,它操作簡便、通過刀片的運轉方式對植物的高度、厚度以及弧度進行修剪。同時燃油動力綠籬機也存在噪音大、振動強、廢氣污染以及操作者工作時不舒適等缺陷。目前使用最多的綠籬機為日本小松綠籬機與德國斯蒂爾綠籬機,相對國產綠籬機它們擁有更好的機械性能與穩定性[6]。鋰電池綠籬機主要是在綠籬機使用的便捷性、安全性、舒適性、環保性來進行提升改進。格力博PTF414綠籬機40V鋰電全銅無刷短桿無線修枝機綠化寬帶修剪機(圖3),刀片速度4000SPM,裸機重量:3.9 kg,噪聲83 dB(A)。針對傳統燃油綠籬機的痛點,具有重量輕,噪音小,激光切割刀片鋒利、切割速度快的特點。這款Greenworks 40V綠籬機符合國家鋰電綠籬機的噪音限制標準:A加權聲壓級應小于 88 dB,A 加權聲功率級應小于108 dB。83 dB(A)相當于公共汽車上的噪音級別[7]。

注:圖片來源于 https://item.jd.com/100044014999.html。Note:The picture came from https://item.jd.com/100044014999.html.

2.2.1.3鋰電池吹風機。吹風機又稱為鼓風機,主要用于落葉、碎草的吹掃和收集,是近年來園林機械較常用的新寵。對于灌木叢等難以用人工清掃的地方,使用一鍵吹出,方便快捷。對于季節性大面積的落葉清掃,極大地提高了清掃效率。以動力十足、清掃高效著稱的傳統燃油吹風機,被廣泛使用,但同時也存在噪音巨大、嚴重擾民的問題。目前格力博鋰電吹風機不僅覆蓋了40、82 V 2種電壓平臺,滿足不同功率場合,而且也開發出了吹吸一體多功能化的吹吸二用機,能夠靈活地適用于不同的場景,面對不同作業面作出相應的調整,從而提高了機械的整理效率。格力博BVF442 40V鋰電吹吸二用機(圖4)采用無刷電機,轉速吹15 335 r/min/吸14 945 r/min,功率吹789 W/吸870 W,噪聲94 dB,無線操作,具有靈活輕便、動力強、更長續航、低能耗、低噪聲的特征。

注:圖片來源于 https://item.jd.com/100009660784.html#crumb-wrap。Note:The picture came from https://item.jd.com/100009660784.html#crumb-wrap.

2.2.2智能化機械。智能割草機器人的概念是在1997年的OPEI年會上被正式提出[8]。目前割草機的智能化發展已經從最初的人工遙控到依照特定路徑進行自主作業、再到路徑自我規劃與決策的高智能作業發展階段。以色列Friendly Machines 公司設計的Friendly Robomow是世界上第一批走向市場的割草機器人,德國博世研發的智能割草機器人通過折返式行走,真正實現了路徑規劃[9]。2019年2月,富世華機器人割草機——Automower 435X AWD正式發布,該機器人具有全輪驅動系統,能夠在坡度高達70%的斜坡上行駛作業[10]。2021年賽格威智能割草機器人Navimow發布,提出家用無邊界割草機器人(圖5)的創新產品概念。這款割草機器人突破了安裝邊界特定路線的煩瑣,只需要通過手機App建立虛擬邊界,操作更便捷。采用“弓”字形規劃式切割路徑,以及斷點續割功能,有效避免了重復切割,極大地提升了割草效率。2011年,寶時得科技(中國)有限公司成功研發出國內首臺機器人割草機并投入市場。

注:圖片來源于 https://www.sohu.com/a/487563580_100016644。Note:The picture came from https://www.sohu.com/a/487563580_100016644.

集定位、環境感知、路徑規劃、決策控制等功能于一身的割草機器人相較于傳統燃油割草機具有很明顯的優勢,可全自動獨立自主地工作,省時省力、低碳、環保、低噪。具備避障爬坡的能力,相對于乘騎式割草機更安全可靠,且具備省心的自動安全充電的返回功能。盡管割草機器人技術已經比較成熟,但是目前推向市場的割草機器人仍以特定路線的割草機器人為主,機器人在導線所圍的特定區域內作業。這種割草機器人最大的缺點是需要在養護現場預先鋪設路線,工作效率較低,覆蓋作業面有限。而突破線路限制的多傳感器系統割草機器人,又以昂貴的定位和視覺處理設備的代價,因成本問題導致無法推廣試用。當然割草機器人也存在很大的發展限制,目前割草機器人整體的割草效率并沒有傳統割草機高,即使能保證完全覆蓋除障礙以外的其他所有區域,也不能完全脫離人工修整。再加上割草機器人高昂的價格,因而現今園林養護中仍以人機協作的割草機為主。而隨著新能源技術的發展,如格力博鋰電池草坪車(圖6)采用全銅無刷電機直驅系統,性能動力和燃油機相當,使用也更便捷、安全、靈活。

注:圖片來源于https://item.jd.com/100013235268.html。Note:The picture came from https://item.jd.com/100013235268.html.

3 新能源園林養護機械的發展趨勢

隨著我國新能源汽車的快速發展,蓄電池技術也得到快速提升,為新能源園林養護機械帶來了技術創新的啟發和機會。新能源園林養護機械雖然目前仍處于發展起步階段,但是園林機械行業正經歷從燃油動力到新能源動力的革命性轉變,市場空間巨大、前景非常廣闊。特別是在領航企業的不斷積累和技術創新下,國產機械的品類也越來越完善,新能源系列產品的體系也更加豐富多元。基于目前以燃油動力為主的傳統機械的缺陷以及低碳環保、“雙碳”任務的要求,現代園林精細化管養的內在發展也對園林養護機械提出了很高的要求。新能源園林養護機械發展趨勢如下。

3.1 高效化園林機械的高效化是機械化作業最根本的優勢。綜合園林養護機械的運用現狀,機械的性能、可靠性、使用便捷、安全依然是用戶考慮的重點。針對新能源園林養護機械,必須從用戶需求和痛點如續航能力、動力問題、性能穩定性、使用效率等出發,通過成熟的先進技術保證機械功能的高效化。除了鋰電池機械續航、動力等普遍問題,還需要從機械技術改進的方向,突破應用難點,完善機械功能。由于電動力需要相對干燥、良好的外部環境,園林綠化清晨作業露水較多,對蓄電池的絕緣和防護也會有更高的要求。針對影響綠籬機工作效率的因素割刀的特性、植物粗細纖維的物理屬性、切割方式方向、切割的速度、刀具與枝條的相對位置等[5],綠籬機的調變速裝置、升降裝置、收集裝置和多元化修剪等技術升級顯得尤為重要。基于園林機械化低水平的現狀和未來新能源機械技術的快速發展,提高園林機械的高效化和園林管養工作的效率才能從根本上推動園林機械化的進程。

3.2 多元化園林機械設備的作業對象是具有生命力的植物,且作業環境較復雜,園林機械的使用效率很大程度上受場景場地的限制。雖然輕型、智能的新能源機械比笨重的燃油機和交流機更能適應不同的場景,但是在養護管理中也存在場景多元化與機械單一化的矛盾。即使是公園養護也有郊野公園和城市公園、社區公園和綜合公園的區別,同時也存在道路綠化養護和公園養護的差異,不同的養護場景涉及的作業面對機械設備的需求也有差異。對于一些精細化程度比較高的園林綠化養護項目,目前機械的工作效能以及對場地的要求,難以更好地滿足多元化的實際工作需求。所以越來越多的機械產品朝著多樣化、品系化的方向發展,根據不同場景來選用適宜的機械才能發揮機械的最大使用效率。根據實際使用情況,園林養護機械存在實用且常用、不常用但實用、不常用且使用場景要求高、不實用且不常用4種現象。為了提高機械的使用效率,在機械產品多功能的研發上,需要更多地從不同的應用場景和作業對象出發,多元化發展。

3.3 智能化新能源機械走向智能化是人工智能發展的必然趨勢。在自動化、智能化、平臺化的深度孵化下,人工智能、電機控制及系統控制技術、電池包及電源管理技術、充電器技術等新技術的革新,為新能源園林機械的智能化運用提供了關鍵性技術支撐。目前割草機器人是新能源機械智能化的代表產品。隨著人工智能領域技術的不斷革新,園林養護機械也會在技術創新的牽引下,不斷地開拓新的智能產品。最終通過數字園林、智慧園林的方式來實現園林管養的智能信息化管理平臺,極大地提高現代園林管養技術水平。目前通過一些智能化平臺如物聯網系統、精細化管理平臺來實現園林養護的信息化管理已經初現端倪。

新能源園林養護機械的推廣應用除了機械性能的革新提升,還需要相關部門的引導與規范,營造良好的新能源機械發展市場,鼓勵新能源機械生產商以及園林企業使用低碳環保的新型機械產品,提高管養企業對新能源機械產品的認知。在提高園林管養技術含量的同時,吸引更多的專業人才加入到園林管養中來,促進現代園林科學的可持續發展。