混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車的初步設(shè)計

鐘 陽，李小聰

（1.邵陽職業(yè)技術(shù)學院，湖南邵陽 422004；2.益陽職業(yè)技術(shù)學院，湖南益陽 413055）

我國為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)機械化是發(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，有利于推動我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向現(xiàn)代化發(fā)展階段前進。目前，我國農(nóng)業(yè)種植規(guī)模較大，但機械化程度較低，農(nóng)民勞動強度大、勞動力短缺制約了我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。為滿足農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展要求，需不斷推廣應(yīng)用農(nóng)業(yè)機械，不斷提升我國農(nóng)業(yè)機械水平和質(zhì)量[1]。混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車的研究是農(nóng)業(yè)機械化研究的一個智能化方向，可更好地提升我國農(nóng)業(yè)機械的科技能力。

1 混合動力農(nóng)業(yè)機械小車發(fā)展現(xiàn)狀

當前，農(nóng)業(yè)機械研究廣泛，產(chǎn)品應(yīng)用較為普遍，常見產(chǎn)品類型主要有農(nóng)用動力機械、農(nóng)田建設(shè)機械、土壤耕作機械、種植和施肥機械、植物保護機械及農(nóng)田排灌機械等。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。混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車的提出，對創(chuàng)新性引領(lǐng)農(nóng)業(yè)機械具有積極作用。

2022 年1 月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)《“十四五”全國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展規(guī)劃》，明確到2025 年，全國農(nóng)機總動力穩(wěn)定在11 億kW 左右，農(nóng)機具配置結(jié)構(gòu)趨于合理，農(nóng)機作業(yè)條件顯著改善，覆蓋面廣，機械化與信息化、智能化進一步融合。2020 年，我國出口“一帶一路”國家農(nóng)業(yè)機械總額36.47 億美元，占同期農(nóng)機出口總額的41.7%，同比增長13.3%，增幅比行業(yè)整體出口高3.9 個百分點。但與歐美等發(fā)達國家相比仍存在一定的差距。例如，在農(nóng)機品種方面，歐美國家有7 000個，我國有3 500 個；在油耗方面，我國每年比歐美等發(fā)達國家和地區(qū)多消耗（同等功率）180 多萬t 柴油。

2 研究目的

2.1 基于農(nóng)業(yè)發(fā)展需求

目前，我國仍是農(nóng)業(yè)大國，尚未發(fā)展為農(nóng)業(yè)強國，且多年中央一號文件都在強調(diào)“三農(nóng)”問題。“三農(nóng)”問題一直是我國的重點關(guān)注領(lǐng)域，而研究農(nóng)業(yè)機械有利解放農(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，實現(xiàn)中國式農(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，全面啟動碳中和規(guī)劃，推動綠色低碳發(fā)展，力爭2030 年前實現(xiàn)碳達峰目標，2060 年前實現(xiàn)碳中和目標。同時，相關(guān)政府部門對農(nóng)機購置補貼政策給予了一定支持，以減少農(nóng)民購買機械設(shè)備的成本支出，提高農(nóng)民使用農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的積極性，促進農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展。農(nóng)業(yè)機械具有能耗高、排放量大、污染大等特點，因此須對農(nóng)業(yè)機械進行優(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，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

2.3 農(nóng)業(yè)機械發(fā)展水平較低

當前，我國農(nóng)業(yè)機械技術(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)達國家和地區(qū)，國外農(nóng)業(yè)機械研究趨于智能化、綠色化，農(nóng)業(yè)機械整體工作效率高、能耗低。我國農(nóng)業(yè)機械目前以柴油動力為主，存在污染大、能耗高、工作性能不穩(wěn)定等問題，須進行混合動力研究，以提高能源利用率，降低能耗，提升農(nóng)業(yè)機械智能化、綠色化發(fā)展水平[2]。

3 混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車的組成

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

3.1 動力系統(tǒng)部分

以混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車為例。通過查閱多種農(nóng)業(yè)機械資料文獻，結(jié)合國家新能源規(guī)劃要求，項目研究團隊初步確立將光伏能+柴油機混合動力能作為動力源。如圖1 所示，采用3 種不同的動力功能方案。當日照充足時，利用光伏進行發(fā)電，將電能轉(zhuǎn)化為機械小車的動能，同時存儲多余的電能。當日照較弱時，將存儲的電能轉(zhuǎn)化為機械小車的動能。當日照不足時，通過家用柴油機為機械小車進行儲能，通過柴油機產(chǎn)生動能驅(qū)動機械小車正常行駛。

圖1 混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車動力功能方案

3.2 車身部分

農(nóng)業(yè)機械多功能小車工作環(huán)境復雜，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載荷和沖擊作用。因此，在農(nóng)業(yè)機械制造中，車身材料應(yīng)具有耐腐蝕、耐磨、減摩、耐沖擊、耐疲勞、壽命長及重量輕等特點。如圖2 所示，項目團隊選用鈦合金作用車身材料，且車身形狀采用長方形，可在擴大農(nóng)業(yè)機械小車工作面積的同時解決車身受力問題，同時可對車身的結(jié)構(gòu)空間進行有效利用，便于動力源結(jié)構(gòu)的擺放，且鈦合金結(jié)構(gòu)進行了輕量化處理，以減少能源損耗。

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

3.3 驅(qū)動機械部分

1）在定位機械多功能小車時，主要考慮小車的功能，即兼具松土功能與播種功能。因此，項目組設(shè)置了一個轉(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；在多功能小車中間的下部開有1 個槽，安裝播種工具，當車子車輪滾動1 圈即播撒1 次種子，實現(xiàn)了合理的覆蓋面積。2）考慮到轉(zhuǎn)換接頭需電機進行驅(qū)動，受力較大，且為避免價格過高，因此用國產(chǎn)電機。同時，機械部分的靈敏運轉(zhuǎn)需該質(zhì)量的轉(zhuǎn)換接頭，項目組在材料選擇上使用具有性能穩(wěn)定、耐腐蝕等特點的合金鋼，以保障定位機械多功能小車的使用質(zhì)量與使用時間[4]。

3.4 其他部分

3.4.1 地面驅(qū)動裝置

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

3.4.2 儲能裝置

儲能裝置采用的是市面上常見的電池，對目前家用轎車中應(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，可完成快速充電，能在復雜的環(huán)境下工作而不會發(fā)生爆炸，且綠色環(huán)保、無毒、無污染，成本低，因此項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）研究性與實踐性開展不充分，相關(guān)研究少，知識儲備和研究能力有待提升，使研究過程中困難較多，實踐操作較為復雜，導致在研究中會存在部分主觀臆想的可能，與實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，還無法完全掌握農(nóng)業(yè)機械多功能小車在實際工作應(yīng)如何正確、精準工作，導致研究成果創(chuàng)新性不足。

4.2 研究發(fā)展方向

4.2.1 實戰(zhàn)化研究

本次研究為指導性研究，與實際操作還存在一定差距，后續(xù)會更加注重實踐研究。例如，加強實物的制作與研發(fā)，將重心放在農(nóng)業(yè)機械多功能小車的動力源裝置，將混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車實現(xiàn)投產(chǎn)。

4.2.2 精細化研究

混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車將朝著精細化、智能化研究方向發(fā)展，例如，運動軌跡正確、傳播數(shù)據(jù)準確、播撒數(shù)量精確等精細化工作，同時通過智能化研究實現(xiàn)自動化設(shè)定運動軌跡、播撒數(shù)量等，以更全面地解放農(nóng)民生產(chǎn)力，促進我國農(nóng)業(yè)高新技術(shù)水平不斷提高[6]。

5 結(jié)語

我國是農(nóng)業(yè)大國，“三農(nóng)”問題一直都是國家高度重視的問題。混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車的研究有利于我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，但混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車研究較為復雜，缺少研究先例，需研究人員不斷創(chuàng)新探索。本次混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車指導性研究仍存在較多不足，需進行后續(xù)的實踐性、智能化、精細化研究，以促進混合動力農(nóng)業(yè)機械多功能小車的研究及應(yīng)用，促進中國式農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。