淺析電動微耕機發(fā)展現(xiàn)狀

甘鴻星 ， 孟利清

（西南林業(yè)大學機械與交通學院，云南 昆明 650224）

農業(yè)機械的發(fā)展承載著農業(yè)現(xiàn)代化的重要使命，電動微耕機替代傳統(tǒng)微耕機將是不可逆轉的趨勢。我國傳統(tǒng)微耕機常以柴油機或汽油機作為動力裝置，工作時污染環(huán)境，且噪聲和振動較大，工作成本較高，在溫室大棚內并不適用。加上“中國制造2025”戰(zhàn)略的提出，“綠色環(huán)保”理念日益深入人心，節(jié)能環(huán)保型農用機械的研究日趨白熱化，大趨勢逐步明晰，需要發(fā)展先進適用、低排放、低污染、高效能、高效率的環(huán)保型農用機械[1]。而電動微耕機符合“綠色、品質、精準、安全”的農業(yè)裝備未來發(fā)展方向，具有廣闊的市場空間[2]。

1 電動微耕機發(fā)展現(xiàn)狀

電動微耕機是在電動拖拉機的基礎上發(fā)展而來的，它的供電方式主要有電網(wǎng)供電和蓄電池供電兩種，其整體結構是在現(xiàn)有傳統(tǒng)微耕機的技術基礎上，將動力系統(tǒng)的燃油機替換為電動機簡單改造而來的，再將動力源改為蓄電池或電網(wǎng)。隨著科技的進步，電動微耕機的操控性、可靠性等都在不斷地完善，以滿足使用者對于產品性能的需求。

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

二十世紀中葉，國外為了適應農業(yè)的多種需求開發(fā)出微耕機，主要以歐美和日韓等國家為代表，在微耕機上安裝功率為1.5 kW～6.0 kW的燃油機[3]，可連接不同農機具，方便更換以完成不同類型作業(yè)。但由于早期的技術不成熟，電動微耕機沒有得到廣泛應用。隨著電子技術和動力電池的發(fā)展，以及人們環(huán)境保護意識的不斷提高，農業(yè)機械領域農機電動化逐步成為研究熱點。

不同國家的微耕機使用情況會有差異，在歐美發(fā)達國家，微耕機主要進行修草、剪枝、掃雪等園林園藝作業(yè)[4]。20世紀70年代美國通用電器公司研制了一款微耕機，功率在6 kW，使用的是鉛酸電池，電機為永磁無刷電機，該款產品主要用于修剪草坪，也可以根據(jù)不同用戶需求更換農具[5]。在亞洲地區(qū)，日本機型多為水旱地兩用，韓國機型以旱地作業(yè)為主，但都主要進行旋耕、整地、開溝、起壟等作業(yè)[6]。日本的Arjharn W公司于2001年將一臺柴油微耕機改裝成電動微耕機，并試驗分析了該產品的整體性能，該機一次充滿電需4～5個小時，單次可作業(yè)時長可達1個小時，作業(yè)面積可達2畝[7]。

隨著電子技術研究的不斷深入與不同種類蓄電池的突破，國外電動微耕機的后續(xù)發(fā)展將主要集中在智能化、無污染、多功能等方面。

1.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀

我國微耕機的發(fā)展始于20世紀80年代末和90年代初。由于這一時期的技術水平有限和材料制作工藝問題，雖然研究人員借鑒了國外的微耕機，但旋耕刀入土困難導致碎土率達不到標準、刀片易斷裂、齒輪箱轉動時發(fā)熱量大且散熱困難等問題沒能得到解決[8]，沒有出現(xiàn)成熟的微耕機產品。

隨著科學技術的不斷進步，國家越來越重視農業(yè)機械的推廣應用，微耕機行業(yè)的競爭也日趨激烈，農機企業(yè)相繼投入大量的人力物力研發(fā)微耕機，我國微耕機技術得到快速發(fā)展。21世紀以來，我國微耕機的發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定。在此階段，農業(yè)設施發(fā)展迅速，出現(xiàn)了用于果園、溫室大棚、農田耕作等的電動微耕機。

2004—2009年，山東農業(yè)大學李汝萃教授團隊針對傳統(tǒng)微耕機在溫室大棚內難以作業(yè)與噪聲污染問題研制了3種不同類型的電動松土機，并分別進行了優(yōu)化，但其功能單一，操作不便，且需要人跟機走[9-11]。2012年南京農業(yè)大學的高輝松團隊研發(fā)了一款適用于溫室大棚的電動微耕機，并為其設計了一套取電系統(tǒng)。經過長期試驗，結果表明所研制的電動微耕機系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，可同時滿足零污染和較高的經濟性能的要求，每畝可節(jié)省5.35元。但其缺點是整個系統(tǒng)較為復雜，必須鋪設電軌、電纜等基礎供電設施，在一定程度上增加了溫室大棚危險系數(shù)[12]。2018年湖北工業(yè)大學張強團隊以大棚內工作環(huán)境和作業(yè)要求為依據(jù)，設計了一款電動微耕機。為了實現(xiàn)微耕機的遠程遙控作業(yè)，以STM32系列單片機作為微耕機控制芯片，附加無線遙控模塊、慣性導航傳感模塊等裝置，該微耕機的動力只有4 kW，耕幅可達60 cm，最大耕深15 cm，相對于燃油微耕機，耕作1畝土地節(jié)約成本約5.67元[13]。

2 電動微耕機存在的問題

目前，電動微耕機的研究在國內還處于發(fā)展階段?，F(xiàn)階段電動微耕機主要存在以下三方面的問題。

1）取電問題。例如溫室大棚采用蓄電池作為取電裝置，那么遇到的問題是成本高、續(xù)航時間不足、報廢回收困難等。農業(yè)具有特殊性，在農耕時節(jié)需要長時間高強度地工作，現(xiàn)有的蓄電池很難滿足這一要求。如果增加蓄電池的容量，則會加大整機體積與重量，從而增加操作人員勞作強度；如果增加充電時間，則需要使用電動汽車專門充電樁，充電效率才會提升，如果使用正常220 V電源充電，現(xiàn)有機型充滿電需要4～8小時，使用效率就大大減弱。報廢回收困難，蓄電池主流是使用鋰電池和鉛酸電池，但是不管是鋰電池還是鉛酸電池，里面含有的重金屬都具有污染性，但是我國電池回收體系尚不健全，導致電池報廢后收集、拆卸和處理都有一定的難度[14]。如果采用電軌電纜取電，它雖然可以不間斷地勞作，不必擔心電力情況，但是它又會出現(xiàn)需要鋪設電軌、需要很長的電纜、人員操作轉向不便的問題，且具有一定危險性。

2）整車結構問題?，F(xiàn)有市場上的電動微耕機產品大多是簡單地更換傳統(tǒng)微耕機的動力系統(tǒng)，而電機與內燃機是不同的，在啟動的一刻開始便具有額定轉矩，在轉速不斷提升后轉矩才逐漸下降。電機的啟動扭矩大、轉速快會造成傳動軸在一瞬間承受的應力巨大，那么對于使用材料和結構就會有些許差異，而且由于農業(yè)機械的使用環(huán)境惡劣，對蓄電池和電機絕緣與防護就有了更高的要求，它的整車框架設計與動力元件擺放就需要比傳統(tǒng)微耕機更加精細。

3）控制系統(tǒng)問題。電動微耕機實際作業(yè)過程負載轉矩與多種因素有關，在作業(yè)過程中路面并不平整，會有高低起伏，且溫室大棚內每一處土壤的含水量不同，寬度和深度不同，旋耕時阻力會發(fā)生變化，那么電機的轉速也需要進行相應的變化，才能使土壤的碎土率達到標準。而我國電動微耕機控制研究較少，現(xiàn)有電動微耕機只能做到簡單的電機轉動控制使傳動系統(tǒng)工作，還沒有實現(xiàn)智能化。

3 電動微耕機的優(yōu)勢

電動微耕機相對于傳統(tǒng)微耕機，有以下幾個方面優(yōu)勢。

1）無污染，高效益。傳統(tǒng)微耕機動力源使用的是化石燃料，化石燃料作為不可再生能源，未來將出現(xiàn)資源短缺并最終走向枯竭，而且會在作業(yè)時排放尾氣，加劇環(huán)境污染；電動微耕機就不會有此顧慮，電能是二次能源，屬于可再生資源，不會對環(huán)境造成污染和導致溫室效應，且有科學研究發(fā)現(xiàn)電能的經濟效率是石油的3.2倍。

2）振動低，噪聲小。傳統(tǒng)燃油微耕機在運行時，其燃油發(fā)動機會因為曲柄連桿機構和氣缸混合氣的燃燒脈沖從而產生振動和噪聲。當人體受到超出其可承受范圍的振動時間，可能會對操作者的神經、肌肉、骨骼和關節(jié)等造成損害。電動微耕機采用電機驅動，啟動扭矩大，過載能力強，可以適應工作載荷的突變。電機同心度好，就不會像燃油發(fā)動機一樣引起振動，噪聲極小。

3）體積小，易操作。電動微耕機相對于傳統(tǒng)微耕機結構更加緊湊，相同功率的電機也會比內燃機的體積小，整體組裝起來就會顯得更加小巧；電動機不需要點火操作，市場上許多柴油機還需要使用拉環(huán)點火，顯得笨拙；電機還可以實現(xiàn)無級調速，可以不依靠變速箱來得到想要的扭矩調節(jié)轉速，低轉速高扭矩才是微耕機所需要的，電機恰好滿足這一需求，這使得電動微耕機更加容易操作。

4 未來發(fā)展展望

德國在提出工業(yè)4.0后，最近又提出了農業(yè)4.0。農業(yè)4.0是繼農業(yè)1.0到3.0的進一步發(fā)展，是從體力、畜力耕作到機械化、設施化勞作再到自動化、信息化作業(yè)的又一步提升[15]，智能化將成為農業(yè)4.0的主要方向。農業(yè)4.0就是將智能化技術融入現(xiàn)代農業(yè)機械中，不僅可以控制農業(yè)污染問題，還可以全面提升農業(yè)生產效益，有助于節(jié)約人力資源，提升農業(yè)機械化發(fā)展水平。電動微耕機已經可以做到機械化和自動化，那么智能化將作為它未來發(fā)展的重要方向。

隨著農業(yè)遙感、智能控制技術、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術等被廣泛應用于電動微耕機，溫室大棚將能夠全天候監(jiān)測農作物的溫度、水肥、光照強度等各類作物生長所需要素，從而調節(jié)溫度、陽光、水肥等。電動微耕機可以自動除草、翻整土壤、播種、施肥以及最后的收割，工作人員只需要在辦公室遙控指揮，極大地降低了勞動強度，提高了農作物的產量和質量。

5 小結

綜上所述，電動微耕機由于其無污染、零排放、高效益等優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)微耕機的噪聲大、振動高等問題，極大地減輕了作業(yè)人員勞動強度，降低了對作業(yè)人員的危害，更好地適應了溫室大棚的生產作業(yè)環(huán)境，應用前景廣闊，進而助推美麗鄉(xiāng)村建設。