鐘 陽(yáng)，李小聰

（1.邵陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南邵陽(yáng) 422004；2.益陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南益陽(yáng) 413055）

我國(guó)為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化是發(fā)展現(xiàn)代化、智能化農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)保障，是改善農(nóng)民工作環(huán)境、提高農(nóng)民生活水平和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要途徑。隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械化得到了快速發(fā)展，改善了農(nóng)業(yè)農(nóng)田環(huán)境，提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體收益水平，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要助推器，有利于推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向現(xiàn)代化發(fā)展階段前進(jìn)。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)種植規(guī)模較大，但機(jī)械化程度較低，農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)力短缺制約了我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。為滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展要求，需不斷推廣應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)械，不斷提升我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械水平和質(zhì)量[1]?；旌蟿?dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車的研究是農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究的一個(gè)智能化方向，可更好地提升我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的科技能力。

1 混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械小車發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)機(jī)械研究廣泛，產(chǎn)品應(yīng)用較為普遍，常見(jiàn)產(chǎn)品類型主要有農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械、農(nóng)田建設(shè)機(jī)械、土壤耕作機(jī)械、種植和施肥機(jī)械、植物保護(hù)機(jī)械及農(nóng)田排灌機(jī)械等。隨著研究不斷深入和農(nóng)耕技術(shù)不斷優(yōu)化，農(nóng)機(jī)設(shè)備種類和技術(shù)水平快速提升，不斷朝著集成化、新能源化方向發(fā)展。混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車的提出，對(duì)創(chuàng)新性引領(lǐng)農(nóng)業(yè)機(jī)械具有積極作用。

2022 年1 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)《“十四五”全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展規(guī)劃》，明確到2025 年，全國(guó)農(nóng)機(jī)總動(dòng)力穩(wěn)定在11 億kW 左右，農(nóng)機(jī)具配置結(jié)構(gòu)趨于合理，農(nóng)機(jī)作業(yè)條件顯著改善，覆蓋面廣，機(jī)械化與信息化、智能化進(jìn)一步融合。2020 年，我國(guó)出口“一帶一路”國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械總額36.47 億美元，占同期農(nóng)機(jī)出口總額的41.7%，同比增長(zhǎng)13.3%，增幅比行業(yè)整體出口高3.9 個(gè)百分點(diǎn)。但與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在一定的差距。例如，在農(nóng)機(jī)品種方面，歐美國(guó)家有7 000個(gè)，我國(guó)有3 500 個(gè)；在油耗方面，我國(guó)每年比歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)多消耗（同等功率）180 多萬(wàn)t 柴油。

2 研究目的

2.1 基于農(nóng)業(yè)發(fā)展需求

目前，我國(guó)仍是農(nóng)業(yè)大國(guó)，尚未發(fā)展為農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)，且多年中央一號(hào)文件都在強(qiáng)調(diào)“三農(nóng)”問(wèn)題?！叭r(nóng)”問(wèn)題一直是我國(guó)的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域，而研究農(nóng)業(yè)機(jī)械有利解放農(nóng)民生產(chǎn)力，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)民收入水平，實(shí)現(xiàn)中國(guó)式農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

2.2 符合綠色協(xié)調(diào)發(fā)展理念

“十四五”規(guī)劃綱要提出，全面啟動(dòng)碳中和規(guī)劃，推動(dòng)綠色低碳發(fā)展，力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。同時(shí)，相關(guān)政府部門(mén)對(duì)農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼政策給予了一定支持，以減少農(nóng)民購(gòu)買(mǎi)機(jī)械設(shè)備的成本支出，提高農(nóng)民使用農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的積極性，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展。農(nóng)業(yè)機(jī)械具有能耗高、排放量大、污染大等特點(diǎn)，因此須對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化，以減少能耗消耗、減少排放量、減少污染，以加快農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

2.3 農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展水平較低

當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)發(fā)展迅速但不成熟，整體科技水平落后于歐美、日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，國(guó)外農(nóng)業(yè)機(jī)械研究趨于智能化、綠色化，農(nóng)業(yè)機(jī)械整體工作效率高、能耗低。我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械目前以柴油動(dòng)力為主，存在污染大、能耗高、工作性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，須進(jìn)行混合動(dòng)力研究，以提高能源利用率，降低能耗，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化、綠色化發(fā)展水平[2]。

3 混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車的組成

項(xiàng)目組成員在結(jié)合現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)深入分析，初步確立了混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車的動(dòng)力系統(tǒng)部分、車身部分、驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分及其他部分。

3.1 動(dòng)力系統(tǒng)部分

以混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車為例。通過(guò)查閱多種農(nóng)業(yè)機(jī)械資料文獻(xiàn)，結(jié)合國(guó)家新能源規(guī)劃要求，項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)初步確立將光伏能+柴油機(jī)混合動(dòng)力能作為動(dòng)力源。如圖1 所示，采用3 種不同的動(dòng)力功能方案。當(dāng)日照充足時(shí)，利用光伏進(jìn)行發(fā)電，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械小車的動(dòng)能，同時(shí)存儲(chǔ)多余的電能。當(dāng)日照較弱時(shí)，將存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械小車的動(dòng)能。當(dāng)日照不足時(shí)，通過(guò)家用柴油機(jī)為機(jī)械小車進(jìn)行儲(chǔ)能，通過(guò)柴油機(jī)產(chǎn)生動(dòng)能驅(qū)動(dòng)機(jī)械小車正常行駛。

圖1 混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車動(dòng)力功能方案

3.2 車身部分

農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車工作環(huán)境復(fù)雜，常在露天、多塵、潮濕和污穢的環(huán)境中或水中作業(yè)，與土壤、肥料、農(nóng)藥、糞便、腐爛植物和水體等密切接觸，易受到腐蝕[3]。在作業(yè)中，底盤(pán)部件易與土壤、作物根莖和牲畜皮毛等發(fā)生摩擦而產(chǎn)生磨損，部分部件因土壤阻力大、凹凸不平而承受較大的動(dòng)載荷和沖擊作用。因此，在農(nóng)業(yè)機(jī)械制造中，車身材料應(yīng)具有耐腐蝕、耐磨、減摩、耐沖擊、耐疲勞、壽命長(zhǎng)及重量輕等特點(diǎn)。如圖2 所示，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選用鈦合金作用車身材料，且車身形狀采用長(zhǎng)方形，可在擴(kuò)大農(nóng)業(yè)機(jī)械小車工作面積的同時(shí)解決車身受力問(wèn)題，同時(shí)可對(duì)車身的結(jié)構(gòu)空間進(jìn)行有效利用，便于動(dòng)力源結(jié)構(gòu)的擺放，且鈦合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化處理，以減少能源損耗。

圖2 混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車車身結(jié)構(gòu)

3.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分

1）在定位機(jī)械多功能小車時(shí)，主要考慮小車的功能，即兼具松土功能與播種功能。因此，項(xiàng)目組設(shè)置了一個(gè)轉(zhuǎn)換接頭裝置，既可連接松土裝置使其順利松土，又可以連接播種結(jié)構(gòu)使其播撒種子。其中，在小車前端安裝了松土刀片，可將農(nóng)田內(nèi)的土壤打散，使其疏松，有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)；在多功能小車中間的下部開(kāi)有1 個(gè)槽，安裝播種工具，當(dāng)車子車輪滾動(dòng)1 圈即播撒1 次種子，實(shí)現(xiàn)了合理的覆蓋面積。2）考慮到轉(zhuǎn)換接頭需電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，受力較大，且為避免價(jià)格過(guò)高，因此用國(guó)產(chǎn)電機(jī)。同時(shí)，機(jī)械部分的靈敏運(yùn)轉(zhuǎn)需該質(zhì)量的轉(zhuǎn)換接頭，項(xiàng)目組在材料選擇上使用具有性能穩(wěn)定、耐腐蝕等特點(diǎn)的合金鋼，以保障定位機(jī)械多功能小車的使用質(zhì)量與使用時(shí)間[4]。

3.4 其他部分

3.4.1 地面驅(qū)動(dòng)裝置

在選用地面驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，項(xiàng)目組在輪胎和履帶之間進(jìn)行擇優(yōu)。輪胎更換較為方便，工作性能強(qiáng)，能在田野間進(jìn)行良好運(yùn)轉(zhuǎn)，但使用壽命較短，且會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；履帶工作性能強(qiáng)，可在平坦的田野間進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，動(dòng)力足，不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，且使用壽命長(zhǎng)，但維修復(fù)雜、保養(yǎng)成本高，不利于農(nóng)戶安裝使用。綜合實(shí)際使用情況，項(xiàng)目組采用輪胎作為地面驅(qū)動(dòng)裝置。

3.4.2 儲(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能裝置采用的是市面上常見(jiàn)的電池，對(duì)目前家用轎車中應(yīng)用最多的三元鋰電池、鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池進(jìn)行性能比較，主要比較額定電壓、重量能量密度、體積能量密度、最佳工作溫度、安全性、環(huán)保、記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命及電池成本等方面[5]。綜合比較結(jié)果表明，磷酸鐵鋰電池壽命長(zhǎng)，可完成快速充電，能在復(fù)雜的環(huán)境下工作而不會(huì)發(fā)生爆炸，且綠色環(huán)保、無(wú)毒、無(wú)污染，成本低，因此項(xiàng)目組決定采用磷酸鐵鋰電池。

4 存在的不足及今后研究發(fā)展方向

4.1 存在的不足

1）研究性與實(shí)踐性開(kāi)展不充分，相關(guān)研究少，知識(shí)儲(chǔ)備和研究能力有待提升，使研究過(guò)程中困難較多，實(shí)踐操作較為復(fù)雜，導(dǎo)致在研究中會(huì)存在部分主觀臆想的可能，與實(shí)際操作存在一定差距。2）由于缺乏相關(guān)研究的工作經(jīng)驗(yàn)，還無(wú)法完全掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車在實(shí)際工作應(yīng)如何正確、精準(zhǔn)工作，導(dǎo)致研究成果創(chuàng)新性不足。

4.2 研究發(fā)展方向

4.2.1 實(shí)戰(zhàn)化研究

本次研究為指導(dǎo)性研究，與實(shí)際操作還存在一定差距，后續(xù)會(huì)更加注重實(shí)踐研究。例如，加強(qiáng)實(shí)物的制作與研發(fā)，將重心放在農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車的動(dòng)力源裝置，將混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)。

4.2.2 精細(xì)化研究

混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車將朝著精細(xì)化、智能化研究方向發(fā)展，例如，運(yùn)動(dòng)軌跡正確、傳播數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、播撒數(shù)量精確等精細(xì)化工作，同時(shí)通過(guò)智能化研究實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡、播撒數(shù)量等，以更全面地解放農(nóng)民生產(chǎn)力，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)高新技術(shù)水平不斷提高[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，“三農(nóng)”問(wèn)題一直都是國(guó)家高度重視的問(wèn)題。混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車的研究有利于我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，但混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車研究較為復(fù)雜，缺少研究先例，需研究人員不斷創(chuàng)新探索。本次混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車指導(dǎo)性研究仍存在較多不足，需進(jìn)行后續(xù)的實(shí)踐性、智能化、精細(xì)化研究，以促進(jìn)混合動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能小車的研究及應(yīng)用，促進(jìn)中國(guó)式農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。