無級(jí)變速和電傳動(dòng)農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械現(xiàn)狀研究*

薛麗君，趙業(yè)慧，宋悅，鄒方磊，姜紅花，王光明

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安，271018； 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安，271018； 3. 山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安，271018； 4. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京市，210031； 5. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京市100083)

0 引言

農(nóng)業(yè)作業(yè)車輛的作業(yè)工況較為復(fù)雜，除了道路運(yùn)輸以外，大多都要在地面條件較差的田間進(jìn)行。以拖拉機(jī)為例，其要從事的農(nóng)田作業(yè)包括重負(fù)荷下的犁耕、旋耕、土豆收獲等，中負(fù)荷下的中耕、耙耕、起壟等，以及輕負(fù)荷下的播種、施肥和植保作業(yè)等[1]。不僅工況多，同時(shí)還會(huì)受到土壤類別、作物品種、自然條件及栽植制度的影響和制約，這就要求農(nóng)業(yè)作業(yè)車輛具有較高的適應(yīng)性，而無級(jí)變速和電傳動(dòng)恰好是解決這一問題的最佳方法。目前，在非拖拉機(jī)領(lǐng)域，靜液壓無級(jí)變速[2]的應(yīng)用極為廣泛，而在拖拉機(jī)領(lǐng)域，液壓功率分流無級(jí)傳動(dòng)[3-4]仍然是主流。近年來，我國逐步加大無級(jí)變速拖拉機(jī)的研究力度，也有部分企業(yè)跨過動(dòng)力換擋而直接開始從事無級(jí)變速的研發(fā)工作，甚至已有部分企業(yè)成功試制了樣機(jī)。但這一技術(shù)在國內(nèi)目前還并不成熟，關(guān)鍵在于燃油經(jīng)濟(jì)性控制[5-6]以及可靠性問題未能得到很好的解決。此外，在道路車輛電動(dòng)化的背景下，拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械也開始朝著電動(dòng)化發(fā)展[7-8]。盡管電動(dòng)汽車和混動(dòng)汽車已開始普及，但農(nóng)機(jī)的電動(dòng)化進(jìn)程卻異常艱難，主要受制于其復(fù)雜且惡劣的農(nóng)田作業(yè)環(huán)境，很難同時(shí)滿足成本、續(xù)航時(shí)間以及性能方面的需求。為了理清無級(jí)變速與電傳動(dòng)的研究現(xiàn)狀，進(jìn)而把握行業(yè)走向，本文在介紹無級(jí)變速與電傳動(dòng)的發(fā)展歷程及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)其仍存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和探討。

1 農(nóng)機(jī)無級(jí)變速與電傳動(dòng)發(fā)展歷程

1.1 無級(jí)變速與電傳動(dòng)農(nóng)機(jī)研究背景

長期以來，拖拉機(jī)或自走式農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的行走系統(tǒng)都是有級(jí)傳動(dòng)，其核心部件為機(jī)械換擋變速箱，典型的換擋機(jī)構(gòu)包括滑動(dòng)齒輪、嚙合套、同步器和濕式離合器等[9-11]。滑動(dòng)齒輪在高擋換抵擋時(shí)需要兩次踩下離合器，結(jié)構(gòu)簡單但對(duì)駕駛員技術(shù)水平要求較高；嚙合套通常與從動(dòng)齒輪直接嚙合，致使其在換擋時(shí)需要先停車以避免沖擊；同步器由于引入了摩擦副實(shí)現(xiàn)齒輪嚙合前的轉(zhuǎn)速同步而大幅提高了換擋平順性，但卻因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而增加了制造成本；濕式離合器廣泛應(yīng)用于動(dòng)力換擋變速箱[12-13]中，其在換擋過程中僅通過離合器摩擦片的滑摩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步和接合，可以實(shí)現(xiàn)換擋期間的持續(xù)動(dòng)力輸出，是最為理想的換擋方式，但綜合控制難度較大。

考慮到如前所述的復(fù)雜農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境，拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)車輛往往需要設(shè)置更多的擋位以滿足不同作業(yè)下的速度和功率需求。以動(dòng)力換擋拖拉機(jī)為例，國產(chǎn)LF2204拖拉機(jī)最多可配置48個(gè)前進(jìn)擋和41個(gè)倒退擋，PL2304和PH2304拖拉機(jī)也都具有40個(gè)前進(jìn)擋和40個(gè)倒退擋。擋位數(shù)量的增加提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)車輛的適應(yīng)能力，但同時(shí)也引起了更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和過程控制難題。為此，沒有擋位，但是相當(dāng)于具有無數(shù)擋位的無級(jí)變速成為一種理想的傳動(dòng)形式。

事實(shí)上，除了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境以外，農(nóng)業(yè)作業(yè)車輛對(duì)無級(jí)變速的需求同時(shí)也體現(xiàn)在：采棉機(jī)等部分收獲機(jī)械為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的恒功率輸出(即負(fù)載自適應(yīng)控制)，從而確保工作系統(tǒng)的穩(wěn)定工作[14]，也逐步采用無級(jí)變速這一傳動(dòng)形式；此外收獲機(jī)等農(nóng)業(yè)無人駕駛車輛，為了解決機(jī)器運(yùn)行期間的換擋與調(diào)速難題，無級(jí)變速也成為重要解決方案之一；一些山地丘陵地帶的農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械，如多功能履帶式果園管理機(jī)或者植保機(jī)等[15]，為了應(yīng)對(duì)車輛作業(yè)刀具(如開溝機(jī))或者農(nóng)藥對(duì)人的潛在威脅，也逐步出現(xiàn)了部分便于遙控的無級(jí)變速機(jī)型。電傳動(dòng)則不僅具有無級(jí)調(diào)速的特性，還能實(shí)現(xiàn)污染物的零排放，是未來農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的重要發(fā)展方向，只是目前受制于成本和技術(shù)限制還無法取得廣泛應(yīng)用。

1.2 無級(jí)變速與電傳動(dòng)研究現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械無級(jí)變速的研究起步較早，有價(jià)值的研究是從20世紀(jì)初期開始的。一般來說，農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速主要有3種方法：機(jī)械無級(jí)變速、液力液壓無級(jí)變速和電傳動(dòng)。

1.2.1 機(jī)械式無級(jí)變速

機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速的核心原理是摩擦傳動(dòng)，如1907年德國工程師設(shè)計(jì)的Stock自走式犁地機(jī)無級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)即采用了摩擦盤進(jìn)行動(dòng)力傳遞[16]。該系統(tǒng)具有1個(gè)主動(dòng)摩擦盤和2個(gè)從動(dòng)摩擦盤，主動(dòng)摩擦盤與動(dòng)力輸入軸相連，其轉(zhuǎn)速等同于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速，而2個(gè)從動(dòng)摩擦盤分別連接前驅(qū)和后驅(qū)。通過絲杠改變從動(dòng)摩擦盤與主動(dòng)摩擦盤的接觸點(diǎn)位置，即可改變主動(dòng)摩擦盤的動(dòng)力半徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從動(dòng)摩擦盤轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)的主要問題是功率密度過低，故并未實(shí)際取得應(yīng)用。

機(jī)械無級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)的典型代表為金屬帶(鏈)無級(jí)變速箱，也就是通常意義上的CVT[17-19]。這種變速箱被廣泛應(yīng)用于小汽車等道路車輛，其原理是將主、從動(dòng)帶輪設(shè)計(jì)成可相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)錐盤：當(dāng)兩個(gè)錐盤相互接近時(shí)，金屬帶(鏈)延徑向被擠出，其動(dòng)力半徑變大；反之，當(dāng)兩個(gè)錐盤相互遠(yuǎn)離時(shí)，金屬帶(鏈)朝著徑向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，其動(dòng)力半徑減小。在此基礎(chǔ)上，同時(shí)調(diào)節(jié)主、從動(dòng)帶輪的動(dòng)力半徑，即可實(shí)現(xiàn)帶(鏈)傳動(dòng)比的連續(xù)改變。這種變速箱于1886年開始在汽車上使用，其在拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械上應(yīng)用的里程碑式事件是1988年德國工程師研制的Munich試驗(yàn)拖拉機(jī)，以及1990年左右研制的60 kW無級(jí)變速拖拉機(jī)，均表現(xiàn)出卓越的傳動(dòng)性能。該變速箱在技術(shù)上非常成熟，但最大的問題是金屬帶(鏈)在大負(fù)載下容易打滑，導(dǎo)致其傳遞功率極為有限，不適合大功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械。盡管有學(xué)者提出了金屬帶(鏈)功率分流方案，但該問題仍未能從根本上得到解決。

1.2.2 液力液壓式無級(jí)變速

液力液壓式無級(jí)變速主要依靠液壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)速比調(diào)節(jié)，較為典型的傳動(dòng)系統(tǒng)為靜液壓無級(jí)變速箱(HST)和液壓功率分流無級(jí)變速箱(即液壓機(jī)械無級(jí)變速箱HMCVT，也有譯作HMT，本文中的稱謂與國際上較為正式的術(shù)語“Hydrostatic Power Split Transmission”保持一致)。HST的本質(zhì)是容積調(diào)速回路[20]，其原理如圖1所示。通過改變柱塞泵的排量，即可調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。液壓馬達(dá)可采用定量馬達(dá)，也可采用變量馬達(dá)以提高其在高速輸出時(shí)的效率。

圖1 靜液壓無級(jí)傳動(dòng)

通常情況下，HST變速箱很少單獨(dú)使用，為了改善液壓系統(tǒng)的傳動(dòng)性能，需要與機(jī)械換擋變速箱串聯(lián)。該類變速箱以相對(duì)較低的成本實(shí)現(xiàn)了無級(jí)變速，在農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用極為廣泛，如無級(jí)變速采棉機(jī)、收獲機(jī)、田園管理機(jī)、插秧機(jī)等。HST在拖拉機(jī)中也有應(yīng)用，最早由美國于1967年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[21]。但其靜液壓的傳動(dòng)效率不高[22]，滿負(fù)荷效率一般僅能達(dá)到75%～80%左右，遠(yuǎn)低于齒輪傳動(dòng)。而且由于HST與機(jī)械系統(tǒng)串聯(lián)，進(jìn)一步拉低了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，故在市場(chǎng)上很少見到高能耗的HST拖拉機(jī)。

HMCVT內(nèi)部包含機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)以及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，可充分發(fā)揮機(jī)械傳動(dòng)以及液壓傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。該變速箱最早出現(xiàn)在軍工領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代中期在拖拉機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，使其走向民用，目前廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)各個(gè)行業(yè)。HMCVT變速箱相當(dāng)于HST與機(jī)械傳動(dòng)的“并聯(lián)”，其傳動(dòng)效率介于純機(jī)械與純液壓之間，普遍可以實(shí)現(xiàn)最高約90%的滿負(fù)荷效率，部分機(jī)型如德國HM8變速箱和TRAXION變速箱，其最高滿負(fù)荷效率高達(dá)93%～94%。如圖2所示，這種變速箱的基本原理是發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功率分成機(jī)械與液壓兩路傳遞，而后再匯流后輸出。分流的目的是僅使部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率流經(jīng)效率較低的泵馬達(dá)，從而提高整個(gè)變速箱的傳動(dòng)效率。

(a) 行星排輸入耦合式

圖2(a)為定軸齒輪實(shí)現(xiàn)分流、差動(dòng)行星排實(shí)現(xiàn)匯流，即行星排輸入耦合式，圖2(b)為行星排輸出耦合式。世界上第1臺(tái)商業(yè)化的液壓功率分流無級(jí)變速拖拉機(jī)是Fendt Favorit 926[23]，其變速箱Vario即為行星齒輪分流、定軸齒輪匯流，而此后ZF、John Deere、CLAAS等公司生產(chǎn)的液壓功率分流無級(jí)變速箱則大多采用定軸齒輪分流、行星齒輪匯流的傳動(dòng)方案[24]，且配合多區(qū)段技術(shù)[25-26]降低液壓功率分流比從而擺脫變速箱對(duì)高效率泵控液壓馬達(dá)的依賴。

1.2.3 電傳動(dòng)無級(jí)變速

無級(jí)變速傳動(dòng)還可以通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，即電傳動(dòng)無級(jí)變速。相比液壓無級(jí)變速，電控機(jī)構(gòu)消耗的能量較少，能有效提升CVT的傳動(dòng)效率。由于不使用燃料(純電動(dòng))或少使用燃料(混電傳動(dòng))，對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義。電傳動(dòng)無級(jí)變速是一種面向未來的傳動(dòng)形式，也是未來農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的重要發(fā)展方向。

近年來，道路車輛的電動(dòng)化趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)，也在加速推進(jìn)，但存在的主要問題是：農(nóng)機(jī)的作業(yè)環(huán)境和工況均較為復(fù)雜，現(xiàn)有電傳動(dòng)技術(shù)難以直接嫁接到農(nóng)機(jī)領(lǐng)域中，主要制約因素為電池的成本和續(xù)航能力不足以支撐大功率的農(nóng)機(jī)化應(yīng)用，故多出現(xiàn)在小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械中。不僅如此，電機(jī)技術(shù)也有待提高，最理想的情況是電池直接驅(qū)動(dòng)(輪轂)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而省去一切形式的傳動(dòng)系統(tǒng)，但目前的技術(shù)水平尚無法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)德國拖拉機(jī)權(quán)威Renius教授的分析，目前可供選擇的電傳動(dòng)方案包括通常意義上的直驅(qū)電傳動(dòng)(圖3)[27]，輪轂電機(jī)配合輪邊減速的電傳動(dòng)，以及功率分流式電傳動(dòng)(e-CVT)，而e-CVT是最有可能在拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械中取得應(yīng)用的電傳動(dòng)形式[28-30]。e-CVT的基本原理與前述液壓功率分流傳動(dòng)較為類似，可近似認(rèn)為是由發(fā)電機(jī)和電機(jī)取代泵馬達(dá)得到，其關(guān)鍵技術(shù)在于解決不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的功率匹配問題，從而滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)所需的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

圖3 直驅(qū)電傳動(dòng)系統(tǒng)

2 農(nóng)機(jī)無級(jí)變速與電傳動(dòng)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 無級(jí)變速農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械

無級(jí)變速已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)用機(jī)械，但以金屬帶(鏈)為代表的機(jī)械式無級(jí)變速受其材料限制，所能傳遞的功率有限，難以在大功率機(jī)械中取得應(yīng)用，在現(xiàn)階段主要以HST與HMCVT為主。其中，HST的典型代表為無級(jí)變速采棉機(jī)。采棉機(jī)無級(jí)調(diào)速的基本方案：發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力首先分成兩部分傳遞，一部分通過離合器驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，另一部分則通過HST接入分動(dòng)箱，而分動(dòng)箱再將動(dòng)力分成兩部分，一部分通過變速箱進(jìn)入行走系，另一部分則用于驅(qū)動(dòng)采摘臺(tái)工作。較為典型的機(jī)型為John Deer 9970自走式采棉機(jī)，該機(jī)配套功率186 kW，具有18排摘錠，傳動(dòng)系統(tǒng)為HST變速箱串聯(lián)1個(gè)3擋機(jī)械式變速箱，使其能夠在3個(gè)擋位內(nèi)分別實(shí)現(xiàn)區(qū)間無級(jí)調(diào)速。近年來，國產(chǎn)無級(jí)變速采棉機(jī)也日趨成熟，如4MZ-3自走式棉花收獲機(jī)。4MZ-3配套發(fā)動(dòng)機(jī)功率179 kW，3個(gè)擋位下分別可實(shí)現(xiàn)0～5.5、0～6.7和0～21 km/h范圍內(nèi)的區(qū)間無級(jí)調(diào)速，分別對(duì)應(yīng)于初采、復(fù)采和運(yùn)輸3種作業(yè)工況。

HST在履帶機(jī)上的應(yīng)用也較為廣泛，一般結(jié)構(gòu)為發(fā)動(dòng)機(jī)依次串聯(lián)HST和機(jī)械變速箱，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)兩側(cè)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種用于濕爛田地的稻茬麥旋耕滅茬施肥播種復(fù)式作業(yè)機(jī)[31]，該機(jī)就采用HST靜液壓無級(jí)變速箱串聯(lián)機(jī)械變速箱進(jìn)行調(diào)速，其作業(yè)幅寬為2.3 m，作業(yè)行數(shù)為16行，作業(yè)效率為0.4～0.8 hm2/h。水稻收獲機(jī)上也普遍采用HST作為調(diào)速系統(tǒng)，較為典型的為久保田4LBZ-172B半喂入式無級(jí)變速收獲機(jī)，該收獲機(jī)標(biāo)定功率為66.1 kW，收割行數(shù)為5，割臺(tái)寬度為1.72 m，生產(chǎn)率達(dá)到0.27～0.53 hm2/h。

作為最重要的農(nóng)業(yè)動(dòng)力作業(yè)機(jī)械，拖拉機(jī)的無級(jí)變速則主要采用液壓功率分流無級(jí)變速箱HMCVT。如Maxxum系列無級(jí)變速拖拉機(jī)，其配套的雙離合CNH HMCVT如圖4所示[27]。該變速箱采用具有雙聯(lián)行星輪的復(fù)合行星排作為匯流機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是使用了結(jié)構(gòu)緊湊的雙向離合器。其在前進(jìn)方向上有高、低2個(gè)速比首尾銜接的工作區(qū)段，倒退方向上也有1個(gè)區(qū)段，但需使用動(dòng)力換擋實(shí)現(xiàn)低速段與倒退段之間的切換。除Maxxum外，該變速箱目前也被裝備于New Holland T6和T7系列拖拉機(jī)。

圖4 CNH HMCVT拖拉機(jī)無級(jí)變速箱

我國最早對(duì)HMCVT開展試驗(yàn)研究的高校是河南科技大學(xué)和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)。以南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的132.5 kW HMCVT樣機(jī)為例[32]，其采用了雙行星排功率匯流式傳動(dòng)方案，具有1個(gè)靜液壓起步段和4個(gè)液壓功率分流段，通過5個(gè)濕式離合器與2個(gè)行星排的交替控制，可使拖拉機(jī)在0～50 km/h范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。近年來，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)也試制了132.5 kW HMCVT樣機(jī)，但與主流的多行星排傳動(dòng)方案不同的是，其所設(shè)計(jì)的變速箱僅有1個(gè)行星排，在沒有同步點(diǎn)的情況下即可實(shí)現(xiàn)非等差區(qū)段配置與大范圍無級(jí)調(diào)速。雖然該方案對(duì)變速箱的換段動(dòng)力學(xué)控制提出了更高要求，但卻簡化了變速箱結(jié)構(gòu)并降低了制造成本。此外，該團(tuán)隊(duì)還在國內(nèi)率先對(duì)小功率HMCVT進(jìn)行了研究并試制了25 kW試驗(yàn)樣機(jī)(圖5)，通過串聯(lián)方案降低了HMCVT對(duì)液壓系統(tǒng)的性能要求，使得傳統(tǒng)HST可以直接作為該HMCVT的調(diào)速單元。該方案大幅降低了HMCVT的應(yīng)用成本，使得HMCVT的小型化成為了可能。

圖5 25 kW串聯(lián)式HMCVT試驗(yàn)樣機(jī)原理圖

2.2 電傳動(dòng)農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械

電傳動(dòng)在農(nóng)機(jī)方面的應(yīng)用一定程度上借鑒于發(fā)展較為成熟的電動(dòng)汽車。由于電池技術(shù)和電機(jī)技術(shù)的限制，電動(dòng)農(nóng)機(jī)的使用趨于小型化，如微耕機(jī)、植保無人機(jī)、機(jī)器人等。大型電動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械主要是拖拉機(jī)，因其作業(yè)工況復(fù)雜，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的要求較為苛刻，目前尚未取得大范圍使用，企業(yè)推出的樣機(jī)多數(shù)還停留在概念階段。

EKDC20電動(dòng)微耕機(jī)采用直流電機(jī)串聯(lián)機(jī)械變速箱的傳動(dòng)方案，標(biāo)定功率0.3 kW，續(xù)航時(shí)間50～80 min。相比于普通內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的微耕機(jī)，其作業(yè)功率、續(xù)航時(shí)間和價(jià)格都不占優(yōu)勢(shì)，但其零排放的特性使其非常適合于設(shè)施園藝等大棚環(huán)境中工作。近年來，我國高校也在研制更大功率的電動(dòng)微耕機(jī)，以及由輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微耕機(jī)[33]，但電池成本過于昂貴，以至于始終未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

近年來，植保無人機(jī)[34-35]在我國取得了較大發(fā)展，其也是電傳動(dòng)的典型代表。相比于日本，我國的植保無人機(jī)多為旋翼機(jī)，使用鋰電池供電，提供10～20 min或者更長的續(xù)航時(shí)間，從而滿足小塊農(nóng)田的植保作業(yè)需求。植保無人機(jī)的作業(yè)系統(tǒng)一般包括3個(gè)部分，即地面站系統(tǒng)、機(jī)載系統(tǒng)和飛行平臺(tái)，如圖6所示。無人機(jī)既可由操作人員通過遙控器進(jìn)行手動(dòng)控制，也可由計(jì)算機(jī)在RTK GPS引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)自主飛行，其具體工作流程：首先，確認(rèn)作業(yè)區(qū)域并對(duì)起飛位置進(jìn)行定位；其次，進(jìn)行飛行軌跡規(guī)劃和加載；再次，起飛并切入設(shè)定軌跡后開始噴施作業(yè)；最后，作業(yè)結(jié)束或機(jī)載電池電量不足時(shí)，飛機(jī)自動(dòng)返航著陸。以大疆T30植保無人機(jī)為例，該機(jī)具有6個(gè)旋翼和16個(gè)噴頭，鋰電池容量29 000 mAh，單個(gè)電機(jī)的最大功率為3.6 kW，藥箱容積30 L，滿載30 kg藥液，空中懸停時(shí)間可達(dá)20.5 min。T30同時(shí)具備自主導(dǎo)航和變量噴施能力，例如在獲得作物長勢(shì)、病蟲害等農(nóng)情數(shù)據(jù)后，可根據(jù)處方圖適時(shí)調(diào)控施肥量。

圖6 無人植保機(jī)的組成

電傳動(dòng)的另一個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域即農(nóng)業(yè)機(jī)器人。以瑞士ecoRobotix農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人為例，其采用太陽能電池為系統(tǒng)供電，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)田間行走。這種機(jī)器人使用了RTK差分GPS技術(shù)，在導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)下對(duì)大田進(jìn)行巡視作業(yè)，當(dāng)其視覺系統(tǒng)識(shí)別雜草存在時(shí)，可立即定位并通過并聯(lián)機(jī)械手操縱噴霧器對(duì)雜草所在位置精準(zhǔn)噴施除草劑。

在拖拉機(jī)領(lǐng)域，世界上首臺(tái)實(shí)用的電動(dòng)拖拉機(jī)是2018年推出的Fendt e100 Vario。該拖拉機(jī)采用容量100 kW·h、650 V的鋰電池作為能量來源，可在40 min 內(nèi)充電80%，續(xù)航時(shí)間約5 h，輸出功率50 kW。在大型電動(dòng)拖拉機(jī)領(lǐng)域，一個(gè)稱之為SESAM的項(xiàng)目于2017年推出了其第一代概念機(jī)，通過兩塊130 kW鋰電池輸出279.3 kW動(dòng)力，充電時(shí)間為3 h，可持續(xù)作業(yè)時(shí)間約為4 h。目前，該機(jī)已推出其第三代概念機(jī)，其功率達(dá)到500 kW，且完全取消駕駛室實(shí)現(xiàn)了無人駕駛。

2.3 對(duì)比分析

為了便于對(duì)無級(jí)變速與電傳動(dòng)農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械進(jìn)行比較，本研究將兩者的主要技術(shù)實(shí)施方案和性能分析進(jìn)行了總結(jié)，如表1所示。

表1 無級(jí)變速與電傳動(dòng)的技術(shù)方案比較

3 農(nóng)機(jī)無級(jí)變速與電傳動(dòng)發(fā)展瓶頸及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 存在問題

無級(jí)變速與電傳動(dòng)在節(jié)能減排、智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但其在當(dāng)前的發(fā)展階段又都進(jìn)入瓶頸，具體表現(xiàn)如下。

1) 動(dòng)力與傳動(dòng)未能協(xié)同發(fā)展。工業(yè)界長期以來將節(jié)能減排的目標(biāo)完全寄希望于發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)升級(jí)，而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率已經(jīng)趨于極限，節(jié)能和減排的提升空間也愈發(fā)狹窄，大幅的節(jié)能減排已很難實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，傳動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能長期以來未能獲得重視。以液壓功率分流無級(jí)變速箱為例，其通過與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配控制，在輕負(fù)荷下可節(jié)省燃油10%～20%以上。因此，建議在后續(xù)無級(jí)變速農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的研究中，將發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱視作一個(gè)整體，結(jié)合具體工況開展系統(tǒng)性的節(jié)能減排研究。

2) 小功率無級(jí)變速技術(shù)未能引起重視。我國人均耕地面積較少，因此在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，小功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械仍將作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的中堅(jiān)力量。然而，現(xiàn)有的HMCVT無級(jí)傳動(dòng)技術(shù)很難應(yīng)用于小功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械，原因是HMCVT的泵控液壓馬達(dá)價(jià)格昂貴，尤其是專用的一體式泵控液壓馬達(dá)尚難以完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)。為此，建議對(duì)金屬帶(鏈)、HST和串聯(lián)式HMCVT等現(xiàn)有技術(shù)開展廣泛的學(xué)術(shù)討論，從中優(yōu)選出適于小功率無級(jí)變速的低成本傳動(dòng)系統(tǒng)。

3) 技術(shù)與成本之間相互制約。電動(dòng)化是公認(rèn)的農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的重點(diǎn)發(fā)展方向之一，但農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的電動(dòng)化還難以進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。雖然電傳動(dòng)涉及電池、電機(jī)和控制等多方面的問題，但該技術(shù)在農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械中應(yīng)用的最大困難仍然是由電池的成本過高以及電機(jī)性能的不足造成的，而不僅僅是系統(tǒng)集成與控制的問題。只有電池和電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究取得突破，才會(huì)大幅推動(dòng)農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的電動(dòng)化進(jìn)程。因此，建議加大對(duì)新型電池和高性能電機(jī)的研發(fā)力度，而不是將研究重點(diǎn)完全放在電動(dòng)化產(chǎn)品的開發(fā)上，否則電動(dòng)化只能成為一個(gè)概念而終究無法進(jìn)入市場(chǎng)。

3.2 未來發(fā)展趨勢(shì)

1) 無級(jí)變速與電傳動(dòng)的共存與交匯。如第1節(jié)所述，電傳動(dòng)是無級(jí)變速的一種形式，兩者在價(jià)值觀念上是統(tǒng)一的，都是為了實(shí)現(xiàn)便捷的操作、廣泛的工況自適應(yīng)性以及節(jié)能減排。但電傳動(dòng)普遍被認(rèn)為是未來農(nóng)機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)，這就形成了對(duì)立，即電傳動(dòng)有可能取代一切形式的傳動(dòng)系統(tǒng)(包括無級(jí)變速)。事實(shí)上，這種情況在短時(shí)間內(nèi)很難發(fā)生，除非電池和電機(jī)技術(shù)取得革命性進(jìn)展，否則電驅(qū)動(dòng)仍然離不開減速器及無級(jí)變速箱。在可預(yù)見的未來，無級(jí)變速與電傳動(dòng)之間是并存的，是相互交融的。一個(gè)典型的例子是CVT混合電傳動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)離合器C1和C2的接合狀態(tài)可分別工作于純電傳動(dòng)(僅C2接合)、混合驅(qū)動(dòng)/燃油驅(qū)動(dòng)(C1、C2同時(shí)接合)和電功率分流傳動(dòng)(e-CVT)模式(僅C1接合)。

2) 電池與電機(jī)技術(shù)的持續(xù)變革。農(nóng)業(yè)機(jī)械的田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，電動(dòng)化后所需能耗較高，續(xù)航能力不足導(dǎo)致作業(yè)效率降低，因此電池和電機(jī)技術(shù)[36-37]制約著農(nóng)機(jī)電動(dòng)化的發(fā)展。當(dāng)前，電池技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：第一代為鉛酸電池，也是目前使用最為廣泛的電池，成本低，技術(shù)成熟，但性能的提升空間非常有限；第二代為高能電池，以鎳氫電池和鋰電池最為典型，其能量和比功率較高，但成本較高，管理系統(tǒng)和使用條件均較為復(fù)雜；第三代為燃料電池，可將燃料中的化學(xué)能在不經(jīng)燃燒的情況下直接轉(zhuǎn)化為電能，其發(fā)展?jié)摿^大，但使用壽命和成本有待進(jìn)一步改善。電機(jī)的類型也較多，例如直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁無刷電機(jī)等。直流電機(jī)在早期應(yīng)用較多，但容易產(chǎn)生機(jī)械磨損，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電刷和轉(zhuǎn)向器之間容易產(chǎn)生火花；感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，但其參數(shù)變化對(duì)控制性能影響較大；永磁無刷電機(jī)可靠性高、成本低、輸出功率大，非常適合于電傳動(dòng)，但在一定條件下(如高溫、振動(dòng)、過高電流等)容易發(fā)生磁性衰退現(xiàn)象。農(nóng)機(jī)電傳動(dòng)對(duì)電池和電機(jī)的要求較高，除了普遍關(guān)注的電池可靠性、續(xù)航能力，以及電機(jī)的低速扭矩特性外，對(duì)成本和結(jié)構(gòu)體積都有著相當(dāng)苛刻的要求。一般而言，農(nóng)機(jī)研究偏向于應(yīng)用，一旦電池、電機(jī)技術(shù)取得較大進(jìn)步，電傳動(dòng)農(nóng)機(jī)就能得以快速發(fā)展和普及。

3) 能源的多樣化獲取。微型高能的電池只能一定程度上解決儲(chǔ)能問題，電池成本依舊較高，可以通過三種能源獲取渠道解決。一是如果農(nóng)機(jī)在固定區(qū)域內(nèi)工作，可以通過架空的電纜為其提供電力，從而獲得持續(xù)的續(xù)航能力，比如糧食晾曬設(shè)備、果園有軌運(yùn)輸設(shè)備、大棚采摘車等。二是將可再生能源如太陽能、風(fēng)能等[38]作為輔助能源使用，以提升農(nóng)機(jī)續(xù)航能力并大幅度降低作業(yè)成本。光伏組件俘獲的太陽能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行存儲(chǔ)，雖具有較大的可行性，但產(chǎn)生的電能有限，不能驅(qū)動(dòng)大型農(nóng)機(jī)作業(yè)機(jī)械，只能應(yīng)用于小型農(nóng)業(yè)機(jī)器人和移動(dòng)平臺(tái)；利用自然風(fēng)及農(nóng)機(jī)行駛相對(duì)氣流形成的風(fēng)能可賦能農(nóng)機(jī)作業(yè)，但風(fēng)能的間歇性導(dǎo)致風(fēng)力不穩(wěn)且時(shí)斷時(shí)續(xù)，產(chǎn)生的能源也非常有限。因此，太陽能和風(fēng)能只能作為輔助能源，配合化石能源和生物燃料共同使用。三是通過能量回收將廢棄的能量收集再利用[39-40]，有效提高能量的利用率，提升電傳動(dòng)的續(xù)航能力，從而增加車輛續(xù)航里程，如制動(dòng)能量回收、車輛振動(dòng)能量回收以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱能回收等。發(fā)展的總趨勢(shì)是，農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的能源獲取要服務(wù)于“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)需要，新能源農(nóng)機(jī)是未來的重要發(fā)展方向，國家農(nóng)機(jī)裝備創(chuàng)新中心發(fā)布的國內(nèi)首臺(tái)5G氫燃料無人駕駛電動(dòng)拖拉機(jī)(ET504-H)則是該領(lǐng)域的1項(xiàng)重要成果。

4) 無級(jí)變速、電傳動(dòng)與無人駕駛的交相融合。隨著我國老齡化以及農(nóng)村勞動(dòng)力向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移，國內(nèi)勞動(dòng)力嚴(yán)重緊缺，勞動(dòng)成本日趨增加，人機(jī)分離的無人駕駛技術(shù)[41-42]對(duì)解放農(nóng)村生產(chǎn)力、降低勞動(dòng)強(qiáng)度及保障駕駛?cè)税踩染哂兄匾饬x。美國GUSS果園無人駕駛彌霧機(jī)，1個(gè)駕駛員可以同時(shí)監(jiān)控并指導(dǎo)8臺(tái)機(jī)器作業(yè)，大幅提高了作業(yè)效率；大田植保作業(yè)和果園開溝作業(yè)均存在一定的危險(xiǎn)性，通過無人駕駛可有效確保人員安全。在以往的研究中，往往只關(guān)注定位與導(dǎo)航本身，RTK等厘米級(jí)差分GPS技術(shù)被大量使用，但卻忽略了變速箱自身所存在的問題。駕駛員不在車輛上，無法中途換擋，難以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自身的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，主要表現(xiàn)為輕負(fù)荷作業(yè)時(shí)呈現(xiàn)高油耗和重負(fù)荷作業(yè)時(shí)呈現(xiàn)動(dòng)力不足。因此，除了動(dòng)力換擋等自動(dòng)變速箱外，速比連續(xù)可調(diào)的無級(jí)變速與電傳動(dòng)無疑是更好的選擇，更適宜作為無人駕駛車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文回顧了無級(jí)變速與電傳動(dòng)的發(fā)展歷程與應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)其各自的技術(shù)方案進(jìn)行了介紹和分析比較，從中可以得到如下結(jié)論。

1) 機(jī)械式無級(jí)變速具有極佳的傳動(dòng)效率，噪聲也很低。但由于其傳遞功率有限，故僅適用于小功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械。如果需要傳遞中等功率，則建議采用金屬帶(鏈)的功率分流方案。

2) 靜液壓HST(包括全液壓驅(qū)動(dòng))的驅(qū)動(dòng)功率大，但傳動(dòng)效率很低，噪聲水平較高。HMCVT融合了HST的大負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力和機(jī)械傳動(dòng)的高效率，是理想的無級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)，但自身噪聲也很大，通常只用于大中功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械。建議對(duì)串聯(lián)式HMCVT開展研究以降低其應(yīng)用成本，從而填補(bǔ)其在小功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械中的研究空白。

3) 電傳動(dòng)是公認(rèn)的面向未來的傳動(dòng)系統(tǒng)，但就目前的技術(shù)水平而言還很難取得規(guī)模化應(yīng)用。目前，電傳動(dòng)用于小功率農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械是可行的(盡管成本偏高)，而用于大中功率傳動(dòng)(如拖拉機(jī))，其電功率分流方案(eCVT)無疑是最具潛力的。

目前，無級(jí)變速與電傳動(dòng)技術(shù)在動(dòng)力與傳動(dòng)的協(xié)同發(fā)展、小功率無級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)以及技術(shù)成本之間的平衡方面仍然存在諸多問題，故在其系統(tǒng)集成、小型化和關(guān)鍵部件的基礎(chǔ)研究方面應(yīng)當(dāng)引起重視。

此外，本研究還對(duì)無級(jí)變速與電傳動(dòng)的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1) 無級(jí)變速與電傳動(dòng)是未來農(nóng)機(jī)的重要發(fā)展趨勢(shì)，兩者在短期內(nèi)不存在取代關(guān)系，而且需要相互融合。

2) 電傳動(dòng)是最理想的農(nóng)機(jī)傳動(dòng)形式，其發(fā)展受到電池和電機(jī)等基礎(chǔ)領(lǐng)域研究的約束，但這種約束將隨著電池與電機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展而解除，從而大幅推動(dòng)農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的電動(dòng)化進(jìn)程。

3) 隨著電傳動(dòng)研究的深入，未來的能源獲取將是多樣化的，太陽能、風(fēng)能、生物燃料、再生能量等均可能被轉(zhuǎn)化成電能而得到綜合利用。

4) 無人駕駛依賴于高度自動(dòng)化的傳動(dòng)系統(tǒng)，故可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)操控的無級(jí)變速和電傳動(dòng)將與之深度融合，并逐步成為其重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。