電動拖拉機結構特點及發展趨勢

0 引言

傳統拖拉機主要以柴油為主，在燃燒時拖拉機尾氣排放會對環境產生一定的污染，主要包括一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、硫化物等，會排出一些固體顆粒及光化學煙霧等，還會加劇溫室效應、臭氧層破壞及酸雨等自然災害，對于資源消耗、社會發展及農業綠色發展造成一定影響

。

電能是一種經濟、清潔、使用及容易控制的能源

，目前已經被廣泛應用于各個領域的發展，隨著該技術在拖拉機行業的快速發展，逐步開始探索電動農機的發展與應用，電動拖拉機具有清潔高效、投入成本低、易于控制等特點，是未來的主要發展方向與研究熱點。

本研究針對目前電動拖拉機的主要研究發展現狀進行分析，進一步總結電動拖拉機驅動裝置、控制器、電池能量分配、傳動裝置、自動導航技術等仍然存在技術瓶頸，針對以上問題提出未來電動拖拉機的主要發展趨勢與相關技術建議，研究結果旨在為電動拖拉機的高效利用與普及提供技術參考，對于推動電動能源的發展具有重要意義。

1 發展現狀

1.1 國外發展現狀

國外對電動汽車及電動拖拉機的研究起步較早，目前已經有近100多年的發展歷史

。最早是在19世紀90年代，德國、美國、前蘇聯等國家先后研制出用于田間整地的農用拖拉機，后期，挪威研制出第一臺38 kW的小型電動拖拉機

，這一階段電動拖拉機的動力來源主要以電線與電網進行連接，限制了電動拖拉機在田間的作業里程與工作范圍；在20世紀中期，利用車載電池為電動拖拉機進行動力提供；20世紀80年代，德國電氣公司使用蓄電池作為電動拖拉機的動力源，這也是現代電動拖拉機的雛形；后期，美國約翰迪爾發布了第一個可以在田間進行農業操作的樣機，其功率可以達到250 kW，采用兩塊電池進行續航，一塊電池主要為動力供電，另一塊為PTO供電，與玉米旋耕機進行配套使用，田間試驗結果表明,可以連續進行3 h的田間作業或者進行60 km里程運輸，電池充電壽命超過3 000次

。隨著蓄電池技術的不斷發展，目前廣泛應用的蓄電池類型主要包括鋰電池、鉛酸蓄電池等。

1.2 國內發展現狀

與電動汽車相比，我國電動拖拉機發展較為緩慢，隨著電動拖拉機的廣泛應用，我國開始逐步關注電動拖拉機的研發與應用，受到國外電動拖拉機發展的影響，在20世紀50年代，東北農業大學及哈爾濱工業大學聯合研制出我國第一臺電動拖拉機，但是在田間作業時需要與電線進行鏈接使用，且對田間環境要求較高，因此沒有得到廣泛的應用與發展；在2008年，南京農業大學研制出我國第一臺自主研發的4擋電動拖拉機，并在后期田間試驗時進行性能優化

；在2011年，中國一拖集團與電氣有限公司進行聯合研發電動拖拉機，但是至今沒有研制出相關成品；2013年，吉林大學對電動拖拉機的蓄電池進行優化升級，研制出我國第一臺遙控駕駛的電動拖拉機，并通過溫室試驗驗證其工作可靠性；2018年，西北農林科技大學通過CAN總線實現小型電動拖拉機的通信設計，推動電動拖拉機的智能化發展

；近年來，中國農業大學就我國農業農村部對電動拖拉機結構性能及智能控制系統進行深入研究，對電動拖拉機CAN總線、控制策略及驅動系統進行仿真模擬與田間試驗，取得了一定的成果，但是尚未進行大田的推廣與應用。

2 結構特點

2.1 驅動系統

對2013年種子生物測定表現為抗藥性的12個看麥娘種群，采用整株生物測定方法進一步驗證其抗藥性。表3結果顯示，12個看麥娘種群對精唑禾草靈的相對抗性倍數在6.86～125.53倍之間，表明這12個看麥娘種群確實對精唑禾草靈產生了抗藥性。其中，低抗種群2個，比例為16.67%；中抗種群3個，比例為25.00%；高抗種群7個，比例為58.33%。抗性水平最高的是13JYGY-4種群，其抑制中劑量為 1 835.21 g a.i./hm2，相對抗性倍數達125.53倍。

電動拖拉機作為一種農業動力機械，與傳統拖拉機相比，具有能源清潔、安全環保、體積小、操作靈活等特點，尤其適宜于在南方丘陵、小地塊耕作及溫室大棚內使用，我國目前多為理論研究、仿真實驗，并無成型樣機進行大田的推廣應用；蓄電池多以鉛酸電池為主，在田間與大馬力機械進行配套使用時，存在續航能力不足的問題。

2.2 控制系統

傳統農用拖拉機田間作業標準及質量評價體系較為完善，在GB/T15370《農業拖拉機通用技術條件》中進行了明確要求，依據傳統拖拉機的質量評價體系，目前基本形成了電動拖拉機的相關評價體系，主要包括電動拖拉機的通用性、安全性、工作效率及可靠性等。電動拖拉機的經濟性主要包括耗電量、能量消耗率、利用率及連續作業時間等進行評價；拖拉機作為一種田間動力機械，因此，動力性評價指標是評價體系的重要內容之一，主要包括最大傳遞功率、最大牽引功率、加速度、爬坡性能等；由于農業作業環境較為惡劣，因此，安全性也是質量評價體系之一，主要對防護裝置、照明裝置、安全操作、安全電力輸送等進行評價。

電動拖拉機主要包括蓄電池、動力傳遞系統、轉向系統、變速器等組成(圖1)，在電動拖拉機進行田間作業時，主要由電池裝置提供動力，通過變速裝置和差速器將動力傳遞至電動拖拉機的車輪，用于田間進行農業生產操作。

2.3 質量評價體系

控制系統是電動拖拉機的關鍵部分，是電動拖拉機的“大腦”，用于控制電動拖拉機的工況，目前，針對電動拖拉機控制系統進行了廣泛的研究及相關試驗。在2015年，河南農業大學針對電動拖拉機的功率平衡進行試驗研究，通過軟件開發建立了電動拖拉機四輪控制模型，并制定出一項模糊控制策略進行整機能量控制與分配；在2019年，江蘇大學針對履帶式電動拖拉機控制系統中的力學傳遞效率進行試驗研究，提出一種電動拖拉機單元控制器，克服控制器開發困難的問題，以耕地模式為目標，建立適合的力學控制系統結構，如圖2所示，制定了4層控制策略，提高電動拖拉機的能量利用效率。但是以上研究主要以理論研究及實驗室研究為主，尚未進行田間大面積推廣應用。

式(2)表示線路限額約束。其中，Ri為轉移側的線路容量；ai為轉移側實際負載率；Li為失電前饋線的負荷量。

3 存在的問題

3.1 蓄電池動力不足

在仔豬白痢發病的后期，仔豬會出現不良狀況，上述方法可用于治療仔豬。此外，還可在靜脈注射或腹腔注射的協助下，利用添加一定量抗生素的葡萄糖鹽水治療患病仔豬，為防止機體酸中毒的情況發生，可以利用碳酸氫鈉（3%～5%）；如果患病仔豬心臟出現衰竭，則需要配合利用強心藥物進行及時治療。

3.2 電機故障頻發

由于農業生產條件較為惡劣，因此電動拖拉機電機工況十分復雜，在田間環境中電機故障頻發，如電源無法接通，電機不能啟動且伴有嗡嗡聲、電動機啟動困難、電機啟動后發熱或者冒煙等，但是目前關于電機故障診斷方式較為單一，不能滿足在較為復雜的農業環境中進行電機故障診斷。

4 發展趨勢

4.1 完善質量評價體系

由于電動拖拉機與傳統燃油拖拉機的動力來源不同，因此相關動力性能及經濟性能評價體系應該在傳統拖拉機的基礎上完善電動拖拉機的評價體系，主要包括耗電率、連續作業里程、最大牽引效率、最大加速度等，由于電動拖拉機的動力來源為蓄電池，其種類較多，因此應該對拖拉機蓄電池進行通用性與規范性要求，加快電動拖拉機質量評價體系標準的建設與發展。

小桁架、上層平臺焊接組件、固定機位支撐件、活動機位支撐件、導軌、附墻導座及各部件連接件組成，如圖1所示。為了研究4種不同工況下施工平臺各部件的應力分布規律，根據平臺運行的工況條件做如下簡化：

4.2 發展多電機耦合驅動裝置

雙電機耦合驅動裝置實質是將兩個電機或多個電機耦合，可以提高驅動效率。由于農用拖拉機屬于田間動力機械，因此，較高的功率輸出對于提高田間作業效率具有重要意義，目前單個電機驅動下的電動拖拉機在爬坡或者與大馬力聯合收獲機配合時效率下降較為嚴重，單電機輸出扭矩有一定的限制。目前提高輸出功率的主要途徑是配合較大的驅動器，成本較高，采用雙電機可以提高工作效率與多擋位變換，降低出現動力中斷的問題。

5 結語

隨著電動能源的逐漸發展，電動能源車輛在國內外發展迅速，其中以電動汽車發展最為廣泛，其相關技術逐漸應用到農業機械中，對于傳統燃油農業機械的發展與轉型起到一定的推動作用，電動拖拉機在國內外發展迅速，但是核心技術研發還存在一定的技術難題，未來應該加快對電動拖拉機核心技術的研發與應用，加快建立完善的電動拖拉機技術體系，如動力性能、安全性能、經濟性能等。本研究首先闡述了電動拖拉機在國內外的主要應用現狀，對電動拖拉機結構特點及質量技術體系進行詳述，提出目前電動拖拉機發展存在的主要問題與制約條件，針對以上問題提出未來電動拖拉機應該加快核心技術研發并完善相關田間標準體系，研究結果以期為電動拖拉機的快速發展提供技術參考，對于推動農業機械化綠色可持續發展及電動清潔能源深入研究具有重要意義。

[1] 趙崇付,司金冬,龔立嬌.電動拖拉機驅動控制系統建模與仿真分析[J].新疆農機化,2022(1):15-17+37.

[2] 黃盛杰,鄭巍,孫傳東.淺談電動拖拉機的開發研究[J].農業裝備技術,2021,47(5):43-44.

[3] 邴坤,劉元義,宋發成,等.國內電動拖拉機研究現狀[J].農業開發與裝備,2021(7):22-23.

[4] 曹六建.純電動拖拉機驅動技術路線探析[J].拖拉機與農用運輸車,2022,49(1):37-39+42.

[5] 韓建剛,張琳琳,陳俊杰,等.電動拖拉機驅動電機試驗臺測控系統的設計[J].拖拉機與農用運輸車,2020,47(5):34-38.

[6] 白學峰,常江雪,紀鴻波,等.農業電動輪式拖拉機質量評價技術規范研究[J].拖拉機與農用運輸車,2020,47(5):7-11.

[7] 趙國棟,管春松,高慶生,等.電動拖拉機發展現狀與趨勢[J].江蘇農業科學,2018,46(22):24-28.