浅析电动微耕机发展现状

甘鸿星 ， 孟利清

（西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224）

农业机械的发展承载着农业现代化的重要使命，电动微耕机替代传统微耕机将是不可逆转的趋势。我国传统微耕机常以柴油机或汽油机作为动力装置，工作时污染环境，且噪声和振动较大，工作成本较高，在温室大棚内并不适用。加上“中国制造2025”战略的提出，“绿色环保”理念日益深入人心，节能环保型农用机械的研究日趋白热化，大趋势逐步明晰，需要发展先进适用、低排放、低污染、高效能、高效率的环保型农用机械[1]。而电动微耕机符合“绿色、品质、精准、安全”的农业装备未来发展方向，具有广阔的市场空间[2]。

1 电动微耕机发展现状

电动微耕机是在电动拖拉机的基础上发展而来的，它的供电方式主要有电网供电和蓄电池供电两种，其整体结构是在现有传统微耕机的技术基础上，将动力系统的燃油机替换为电动机简单改造而来的，再将动力源改为蓄电池或电网。随着科技的进步，电动微耕机的操控性、可靠性等都在不断地完善，以满足使用者对于产品性能的需求。

1.1 国外发展现状

二十世纪中叶，国外为了适应农业的多种需求开发出微耕机，主要以欧美和日韩等国家为代表，在微耕机上安装功率为1.5 kW～6.0 kW的燃油机[3]，可连接不同农机具，方便更换以完成不同类型作业。但由于早期的技术不成熟，电动微耕机没有得到广泛应用。随着电子技术和动力电池的发展，以及人们环境保护意识的不断提高，农业机械领域农机电动化逐步成为研究热点。

不同国家的微耕机使用情况会有差异，在欧美发达国家，微耕机主要进行修草、剪枝、扫雪等园林园艺作业[4]。20世纪70年代美国通用电器公司研制了一款微耕机，功率在6 kW，使用的是铅酸电池，电机为永磁无刷电机，该款产品主要用于修剪草坪，也可以根据不同用户需求更换农具[5]。在亚洲地区，日本机型多为水旱地两用，韩国机型以旱地作业为主，但都主要进行旋耕、整地、开沟、起垄等作业[6]。日本的Arjharn W公司于2001年将一台柴油微耕机改装成电动微耕机，并试验分析了该产品的整体性能，该机一次充满电需4～5个小时，单次可作业时长可达1个小时，作业面积可达2亩[7]。

随着电子技术研究的不断深入与不同种类蓄电池的突破，国外电动微耕机的后续发展将主要集中在智能化、无污染、多功能等方面。

1.2 国内发展现状

我国微耕机的发展始于20世纪80年代末和90年代初。由于这一时期的技术水平有限和材料制作工艺问题，虽然研究人员借鉴了国外的微耕机，但旋耕刀入土困难导致碎土率达不到标准、刀片易断裂、齿轮箱转动时发热量大且散热困难等问题没能得到解决[8]，没有出现成熟的微耕机产品。

随着科学技术的不断进步，国家越来越重视农业机械的推广应用，微耕机行业的竞争也日趋激烈，农机企业相继投入大量的人力物力研发微耕机，我国微耕机技术得到快速发展。21世纪以来，我国微耕机的发展逐渐趋于稳定。在此阶段，农业设施发展迅速，出现了用于果园、温室大棚、农田耕作等的电动微耕机。

2004—2009年，山东农业大学李汝萃教授团队针对传统微耕机在温室大棚内难以作业与噪声污染问题研制了3种不同类型的电动松土机，并分别进行了优化，但其功能单一，操作不便，且需要人跟机走[9-11]。2012年南京农业大学的高辉松团队研发了一款适用于温室大棚的电动微耕机，并为其设计了一套取电系统。经过长期试验，结果表明所研制的电动微耕机系统工作性能稳定，可同时满足零污染和较高的经济性能的要求，每亩可节省5.35元。但其缺点是整个系统较为复杂，必须铺设电轨、电缆等基础供电设施，在一定程度上增加了温室大棚危险系数[12]。2018年湖北工业大学张强团队以大棚内工作环境和作业要求为依据，设计了一款电动微耕机。为了实现微耕机的远程遥控作业，以STM32系列单片机作为微耕机控制芯片，附加无线遥控模块、惯性导航传感模块等装置，该微耕机的动力只有4 kW，耕幅可达60 cm，最大耕深15 cm，相对于燃油微耕机，耕作1亩土地节约成本约5.67元[13]。

2 电动微耕机存在的问题

目前，电动微耕机的研究在国内还处于发展阶段。现阶段电动微耕机主要存在以下三方面的问题。

1）取电问题。例如温室大棚采用蓄电池作为取电装置，那么遇到的问题是成本高、续航时间不足、报废回收困难等。农业具有特殊性，在农耕时节需要长时间高强度地工作，现有的蓄电池很难满足这一要求。如果增加蓄电池的容量，则会加大整机体积与重量，从而增加操作人员劳作强度；如果增加充电时间，则需要使用电动汽车专门充电桩，充电效率才会提升，如果使用正常220 V电源充电，现有机型充满电需要4～8小时，使用效率就大大减弱。报废回收困难，蓄电池主流是使用锂电池和铅酸电池，但是不管是锂电池还是铅酸电池，里面含有的重金属都具有污染性，但是我国电池回收体系尚不健全，导致电池报废后收集、拆卸和处理都有一定的难度[14]。如果采用电轨电缆取电，它虽然可以不间断地劳作，不必担心电力情况，但是它又会出现需要铺设电轨、需要很长的电缆、人员操作转向不便的问题，且具有一定危险性。

2）整车结构问题。现有市场上的电动微耕机产品大多是简单地更换传统微耕机的动力系统，而电机与内燃机是不同的，在启动的一刻开始便具有额定转矩，在转速不断提升后转矩才逐渐下降。电机的启动扭矩大、转速快会造成传动轴在一瞬间承受的应力巨大，那么对于使用材料和结构就会有些许差异，而且由于农业机械的使用环境恶劣，对蓄电池和电机绝缘与防护就有了更高的要求，它的整车框架设计与动力元件摆放就需要比传统微耕机更加精细。

3）控制系统问题。电动微耕机实际作业过程负载转矩与多种因素有关，在作业过程中路面并不平整，会有高低起伏，且温室大棚内每一处土壤的含水量不同，宽度和深度不同，旋耕时阻力会发生变化，那么电机的转速也需要进行相应的变化，才能使土壤的碎土率达到标准。而我国电动微耕机控制研究较少，现有电动微耕机只能做到简单的电机转动控制使传动系统工作，还没有实现智能化。

3 电动微耕机的优势

电动微耕机相对于传统微耕机，有以下几个方面优势。

1）无污染，高效益。传统微耕机动力源使用的是化石燃料，化石燃料作为不可再生能源，未来将出现资源短缺并最终走向枯竭，而且会在作业时排放尾气，加剧环境污染；电动微耕机就不会有此顾虑，电能是二次能源，属于可再生资源，不会对环境造成污染和导致温室效应，且有科学研究发现电能的经济效率是石油的3.2倍。

2）振动低，噪声小。传统燃油微耕机在运行时，其燃油发动机会因为曲柄连杆机构和气缸混合气的燃烧脉冲从而产生振动和噪声。当人体受到超出其可承受范围的振动时间，可能会对操作者的神经、肌肉、骨骼和关节等造成损害。电动微耕机采用电机驱动，启动扭矩大，过载能力强，可以适应工作载荷的突变。电机同心度好，就不会像燃油发动机一样引起振动，噪声极小。

3）体积小，易操作。电动微耕机相对于传统微耕机结构更加紧凑，相同功率的电机也会比内燃机的体积小，整体组装起来就会显得更加小巧；电动机不需要点火操作，市场上许多柴油机还需要使用拉环点火，显得笨拙；电机还可以实现无级调速，可以不依靠变速箱来得到想要的扭矩调节转速，低转速高扭矩才是微耕机所需要的，电机恰好满足这一需求，这使得电动微耕机更加容易操作。

4 未来发展展望

德国在提出工业4.0后，最近又提出了农业4.0。农业4.0是继农业1.0到3.0的进一步发展，是从体力、畜力耕作到机械化、设施化劳作再到自动化、信息化作业的又一步提升[15]，智能化将成为农业4.0的主要方向。农业4.0就是将智能化技术融入现代农业机械中，不仅可以控制农业污染问题，还可以全面提升农业生产效益，有助于节约人力资源，提升农业机械化发展水平。电动微耕机已经可以做到机械化和自动化，那么智能化将作为它未来发展的重要方向。

随着农业遥感、智能控制技术、物联网、人工智能技术等被广泛应用于电动微耕机，温室大棚将能够全天候监测农作物的温度、水肥、光照强度等各类作物生长所需要素，从而调节温度、阳光、水肥等。电动微耕机可以自动除草、翻整土壤、播种、施肥以及最后的收割，工作人员只需要在办公室遥控指挥，极大地降低了劳动强度，提高了农作物的产量和质量。

5 小结

综上所述，电动微耕机由于其无污染、零排放、高效益等优势，解决了传统微耕机的噪声大、振动高等问题，极大地减轻了作业人员劳动强度，降低了对作业人员的危害，更好地适应了温室大棚的生产作业环境，应用前景广阔，进而助推美丽乡村建设。