本文作者：張鐵民 閆國琦 溫利利 廖懿華 單位：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基本特征，是解決我國“三農(nóng)”問題的重要途徑。自改革開放以來，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化有了長足進(jìn)展，并且仍有很大潛力。新能源發(fā)展戰(zhàn)略是包括發(fā)達(dá)國家在內(nèi)的全球性重點(diǎn)研究課題，而電動(dòng)力則是新能源的集中體現(xiàn)形式。目前，電動(dòng)力汽車技術(shù)成為世界范圍內(nèi)主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家的重點(diǎn)優(yōu)先研究方向。可以預(yù)測，電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械是農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)一步發(fā)展的重要途徑。我國除在研究領(lǐng)域?qū)r(nóng)業(yè)機(jī)械和新能源大力支持外，在產(chǎn)業(yè)化上也積極扶植。《2010年農(nóng)業(yè)機(jī)械購置補(bǔ)貼實(shí)施指導(dǎo)意見》將補(bǔ)貼范圍擴(kuò)大到12大類180個(gè)品目，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)或農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)配套補(bǔ)貼接近或高于國家補(bǔ)貼，農(nóng)民甚至可以買到“3～4折”的農(nóng)業(yè)機(jī)械。

隨著“新能源發(fā)電補(bǔ)貼”和“新能源汽車補(bǔ)貼”的試點(diǎn)運(yùn)行，我國對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)支持力度不斷加大。可見，未來新能源動(dòng)力的農(nóng)業(yè)機(jī)械將得到更大力度的政策扶植，具有巨大的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展優(yōu)勢。我國人多地少，能源短缺，山區(qū)與丘陵耕地面積多，地塊分散，尤其適合小型電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械。隨著油價(jià)的上漲，農(nóng)機(jī)使用成本不斷增加，大力發(fā)展電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械符合我國國情和未來的需要。廣義上講，電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械包括利用電力作為驅(qū)動(dòng)力的農(nóng)業(yè)機(jī)械，在農(nóng)業(yè)排灌和農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械中應(yīng)用較早，技術(shù)較為成熟，如電動(dòng)碾米機(jī)、脫殼機(jī)、榨油機(jī)、潛水泵和鼓風(fēng)機(jī)等。此類以電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力的農(nóng)業(yè)機(jī)械以固定式為主，方便獲得電網(wǎng)能量。而移動(dòng)式農(nóng)業(yè)機(jī)械特別是大中功率的農(nóng)業(yè)機(jī)械，電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)形式應(yīng)用范圍較小，目前處于探索階段。

1電動(dòng)力技術(shù)優(yōu)勢

燃油動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械體積大，質(zhì)量大，不利于小空間環(huán)境作業(yè);而電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，呈現(xiàn)“小、靈、巧”特點(diǎn)，工作回轉(zhuǎn)半徑小，尤其適用于南方丘陵與山地等小面積地塊作業(yè)和溫室大棚環(huán)境工作。中小功率傳統(tǒng)動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械燃油發(fā)動(dòng)機(jī)效率低，機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，特別是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作在大余量恒功率輸出狀態(tài)，不利于低碳節(jié)能。電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械具有良好的調(diào)速和靈活的功率控制能力，可使系統(tǒng)保持在高效狀態(tài)，特別是分散式多電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)代替了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步簡化了農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)，減小了農(nóng)機(jī)的質(zhì)量和體積。隨著世界一次能源進(jìn)一步枯竭，近年來國際油價(jià)的漲幅明顯高于電價(jià)，而電能也可以從可再生能源中獲得。目前，無論從能耗的成本上看，還是從未來的能源取向來看，以電能作為最終利用形式的新能源取代一次能源是未來發(fā)展趨勢。電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，使用與維護(hù)成本低于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)鏈短，易于控制。在整體機(jī)械結(jié)構(gòu)上，電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械也較為簡單可靠。初步估算，使用電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的成本相當(dāng)于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的1/3～1/5。燃油動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械具有較嚴(yán)重的廢氣污染和油污染，對(duì)空氣和土壤有不良影響，特別在溫室大棚環(huán)境中，燃油動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械的噪音污染也不得不考慮。以上因素對(duì)人體和環(huán)境影響較大［1］，特別是小功率的二沖程汽油機(jī)，尾氣排放和噪音污染更為嚴(yán)重。而電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械均不存在以上問題或影響較小，是真正節(jié)能、環(huán)保與綠色的農(nóng)業(yè)機(jī)械。

2我國電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

2．1有線電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械

隨著電動(dòng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，該技術(shù)被較早地引入到固定式有線電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，此類機(jī)械主要包括農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械、農(nóng)業(yè)排灌機(jī)械和部分畜牧機(jī)械。交流感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便、功率轉(zhuǎn)速特性較好、成本低廉和便于維護(hù)等特點(diǎn)，在利用電網(wǎng)電源農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用最多，技術(shù)較為成熟。近年來，自動(dòng)化溫室大棚技術(shù)發(fā)展較快，該技術(shù)的應(yīng)用為有線電動(dòng)農(nóng)機(jī)提供了作業(yè)環(huán)境。文獻(xiàn)［4］所描述的一種單相交流電機(jī)為動(dòng)力的多用途溫室機(jī)械，具有一定的代表性。該機(jī)械采用電纜供電，電機(jī)功率為2．2kW，額定轉(zhuǎn)速2850r/min，配以變速箱和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，總質(zhì)量為45kg，可以實(shí)現(xiàn)自行走、翻地、卷簾和播種施肥等功能。該電動(dòng)機(jī)械體積和質(zhì)量較小，適合棚室作業(yè)，而且沒有尾氣和噪音污染，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。綜上所述，自改革開放以來，我國農(nóng)村電氣化水平得到迅速發(fā)展，特別是近年來中央對(duì)農(nóng)村的重視和農(nóng)村電網(wǎng)的改造，為我國農(nóng)村電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展提供了巨大的動(dòng)力。

2．2移動(dòng)式電源電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械

農(nóng)產(chǎn)品加工和設(shè)施農(nóng)業(yè)可以方便地獲得電網(wǎng)電源，其加工機(jī)械及作業(yè)機(jī)械宜優(yōu)先采用電動(dòng)力;而移動(dòng)式電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械多選用蓄電池電源或小型發(fā)電機(jī)組，由于容量和輸出功率等技術(shù)現(xiàn)狀，該類農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用集中在中小功率范圍。

2．2．1園林植保電動(dòng)力機(jī)械

小型噴霧機(jī)械輸出功率較小，多采用人力肩背式，對(duì)于整體質(zhì)量和體積提出小型化的要求，適合電動(dòng)力的引入。特別是隨著超低量噴霧技術(shù)和靜電噴霧技術(shù)的發(fā)展，電控方式成為必然選擇。1972年，我國引進(jìn)英國技術(shù)仿制了一系列手持式電動(dòng)噴霧機(jī)械［5］。我國最早研發(fā)生產(chǎn)電動(dòng)噴霧劑的一批科研單位或企業(yè)主要有唐山地區(qū)農(nóng)科所、上海明光儀表廠、上海崇明縣紅星農(nóng)場、石家莊紅旗五金塑料廠、天津農(nóng)機(jī)所和北京懷柔農(nóng)機(jī)廠等［6］。當(dāng)時(shí)，此類產(chǎn)品采用干電池或蓄電池為動(dòng)力源，整機(jī)質(zhì)量為2～4kg，生產(chǎn)效率在4～6．67hm2/d。目前，電動(dòng)噴霧器技術(shù)已很成熟，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)在300家以上，產(chǎn)品已大量走進(jìn)農(nóng)村農(nóng)戶。20世紀(jì)80年代，我國從美國和日本等國家批量進(jìn)口電動(dòng)割草機(jī);2002年，日本本田技研工業(yè)株式會(huì)社在我國申請(qǐng)了發(fā)明專利，采用充電電池組動(dòng)力驅(qū)動(dòng)割草機(jī)［7］;2005年，我國推出了“家用和類似用途電器的安全－步行控制的電動(dòng)割草機(jī)的特殊要求”(GB4706．78－2005)，進(jìn)一步規(guī)范了電動(dòng)割草機(jī)的生產(chǎn)［8］。直到目前，國內(nèi)涉及電動(dòng)割草機(jī)的各種專利44項(xiàng)，生產(chǎn)廠家主要集中在廣東、江蘇、北京和上海等地區(qū)。1998年，牡丹江林業(yè)科學(xué)研究所、黑龍江省森林工業(yè)總局和大海林林業(yè)局機(jī)械廠等單位聯(lián)合研制了一款便攜式電動(dòng)園林整枝機(jī)，并申請(qǐng)了國家專利［9］。該機(jī)械采用汽油發(fā)電機(jī)組提供電源，480W異步交流電機(jī)作為動(dòng)力輸出，最大輸出轉(zhuǎn)速達(dá)10000r/min，整機(jī)直徑達(dá)到100mm。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)減少了變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作頭質(zhì)量只有3kg。四川省農(nóng)科院蠶業(yè)研究所與江蘇省電氣機(jī)械設(shè)計(jì)院合作開發(fā)了電動(dòng)桑剪［10］，采用24V蓄電池供電，連續(xù)工作4－5h，整體質(zhì)量小于6kg。1994年，肖家彪農(nóng)藝師研發(fā)了一款電動(dòng)采粉授粉器，與人工相比效率提高30倍［11］;2009年，中棉種業(yè)科技股份有限公司研發(fā)了的一款電動(dòng)棉花電動(dòng)采粉器，解決了過濾裝置由于花粉常常堵塞濾網(wǎng)而增加了電能消耗等問題，并申請(qǐng)了實(shí)用新型專利［12］。