甘鴻星 ， 孟利清

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展承載著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要使命，電動微耕機(jī)替代傳統(tǒng)微耕機(jī)將是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。我國傳統(tǒng)微耕機(jī)常以柴油機(jī)或汽油機(jī)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(nèi)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(nóng)用機(jī)械的研究日趨白熱化，大趨勢逐步明晰，需要發(fā)展先進(jìn)適用、低排放、低污染、高效能、高效率的環(huán)保型農(nóng)用機(jī)械[1]。而電動微耕機(jī)符合“綠色、品質(zhì)、精準(zhǔn)、安全”的農(nóng)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(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

電動微耕機(jī)是在電動拖拉機(jī)的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)是在現(xiàn)有傳統(tǒng)微耕機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)上，將動力系統(tǒng)的燃油機(jī)替換為電動機(jī)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(jìn)步，電動微耕機(jī)的操控性、可靠性等都在不斷地完善，以滿足使用者對于產(chǎn)品性能的需求。

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

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

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

隨著電子技術(shù)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(jī)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(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國微耕機(jī)的發(fā)展始于20世紀(jì)80年代末和90年代初。由于這一時期的技術(shù)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(jī)，但旋耕刀入土困難導(dǎo)致碎土率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)、刀片易斷裂、齒輪箱轉(zhuǎn)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(jī)產(chǎn)品。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國家越來越重視農(nóng)業(yè)機(jī)械的推廣應(yīng)用，微耕機(jī)行業(yè)的競爭也日趨激烈，農(nóng)機(jī)企業(yè)相繼投入大量的人力物力研發(fā)微耕機(jī)，我國微耕機(jī)技術(shù)得到快速發(fā)展。21世紀(jì)以來，我國微耕機(jī)的發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定。在此階段，農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)展迅速，出現(xiàn)了用于果園、溫室大棚、農(nóng)田耕作等的電動微耕機(jī)。

2004—2009年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)李汝萃教授團(tuán)隊針對傳統(tǒng)微耕機(jī)在溫室大棚內(nèi)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(jī)，并分別進(jìn)行了優(yōu)化，但其功能單一，操作不便，且需要人跟機(jī)走[9-11]。2012年南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的高輝松團(tuán)隊研發(fā)了一款適用于溫室大棚的電動微耕機(jī)，并為其設(shè)計了一套取電系統(tǒng)。經(jīng)過長期試驗，結(jié)果表明所研制的電動微耕機(jī)系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，可同時滿足零污染和較高的經(jīng)濟(jì)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(fù)雜，必須鋪設(shè)電軌、電纜等基礎(chǔ)供電設(shè)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(xué)張強(qiáng)團(tuán)隊以大棚內(nèi)工作環(huán)境和作業(yè)要求為依據(jù)，設(shè)計了一款電動微耕機(jī)。為了實現(xiàn)微耕機(jī)的遠(yuǎn)程遙控作業(yè)，以STM32系列單片機(jī)作為微耕機(jī)控制芯片，附加無線遙控模塊、慣性導(dǎo)航傳感模塊等裝置，該微耕機(jī)的動力只有4 kW，耕幅可達(dá)60 cm，最大耕深15 cm，相對于燃油微耕機(jī)，耕作1畝土地節(jié)約成本約5.67元[13]。

2 電動微耕機(jī)存在的問題

目前，電動微耕機(jī)的研究在國內(nèi)還處于發(fā)展階段?，F(xiàn)階段電動微耕機(jī)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(nóng)業(yè)具有特殊性，在農(nóng)耕時節(jié)需要長時間高強(qiáng)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(jī)體積與重量，從而增加操作人員勞作強(qiáng)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(jī)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(dǎo)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?fù)?dān)心電力情況，但是它又會出現(xiàn)需要鋪設(shè)電軌、需要很長的電纜、人員操作轉(zhuǎn)向不便的問題，且具有一定危險性。

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

3）控制系統(tǒng)問題。電動微耕機(jī)實際作業(yè)過程負(fù)載轉(zhuǎn)矩與多種因素有關(guān)，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(nèi)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(jī)的轉(zhuǎn)速也需要進(jìn)行相應(yīng)的變化，才能使土壤的碎土率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。而我國電動微耕機(jī)控制研究較少，現(xiàn)有電動微耕機(jī)只能做到簡單的電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)的優(yōu)勢

電動微耕機(jī)相對于傳統(tǒng)微耕機(jī)，有以下幾個方面優(yōu)勢。

1）無污染，高效益。傳統(tǒng)微耕機(jī)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(jī)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(dǎo)致溫室效應(yīng)，且有科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)電能的經(jīng)濟(jì)效率是石油的3.2倍。

2）振動低，噪聲小。傳統(tǒng)燃油微耕機(jī)在運(yùn)行時，其燃油發(fā)動機(jī)會因為曲柄連桿機(jī)構(gòu)和氣缸混合氣的燃燒脈沖從而產(chǎn)生振動和噪聲。當(dāng)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(jīng)、肌肉、骨骼和關(guān)節(jié)等造成損害。電動微耕機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動，啟動扭矩大，過載能力強(qiáng)，可以適應(yīng)工作載荷的突變。電機(jī)同心度好，就不會像燃油發(fā)動機(jī)一樣引起振動，噪聲極小。

3）體積小，易操作。電動微耕機(jī)相對于傳統(tǒng)微耕機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，相同功率的電機(jī)也會比內(nèi)燃機(jī)的體積小，整體組裝起來就會顯得更加小巧；電動機(jī)不需要點火操作，市場上許多柴油機(jī)還需要使用拉環(huán)點火，顯得笨拙；電機(jī)還可以實現(xiàn)無級調(diào)速，可以不依靠變速箱來得到想要的扭矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)速高扭矩才是微耕機(jī)所需要的，電機(jī)恰好滿足這一需求，這使得電動微耕機(jī)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(nóng)業(yè)4.0。農(nóng)業(yè)4.0是繼農(nóng)業(yè)1.0到3.0的進(jìn)一步發(fā)展，是從體力、畜力耕作到機(jī)械化、設(shè)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(nóng)業(yè)4.0的主要方向。農(nóng)業(yè)4.0就是將智能化技術(shù)融入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械中，不僅可以控制農(nóng)業(yè)污染問題，還可以全面提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，有助于節(jié)約人力資源，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平。電動微耕機(jī)已經(jīng)可以做到機(jī)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(nóng)業(yè)遙感、智能控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)等被廣泛應(yīng)用于電動微耕機(jī)，溫室大棚將能夠全天候監(jiān)測農(nóng)作物的溫度、水肥、光照強(qiáng)度等各類作物生長所需要素，從而調(diào)節(jié)溫度、陽光、水肥等。電動微耕機(jī)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(qiáng)度，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

5 小結(jié)

綜上所述，電動微耕機(jī)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(jī)的噪聲大、振動高等問題，極大地減輕了作業(yè)人員勞動強(qiáng)度，降低了對作業(yè)人員的危害，更好地適應(yīng)了溫室大棚的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，應(yīng)用前景廣闊，進(jìn)而助推美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。