新能源园林养护机械应用现状研究

蒋 慧,黎国健,翁恩彬,罗旭荣

(深圳市方格生态环境有限公司,广东深圳 518035)

随着“三分种,七分养”的意识深入人心,园林养护也慢慢得到了重视,特别是双碳目标的影响下,以燃油机械和人工操作为主的相对粗放的管养方式,也逐步朝着低碳环保的趋势转变。根据我国园林养护管理现状,整体的机械化水平、智能化水平、低碳环保水平较低,燃油机械的灵活性、实用性、轻便性、环保性等方面还存在较大的提升空间,新能源机械的应用还处在比较滞后的阶段。按“十三五”期间园林机械在国内外市场的状况,供应国际市场的产值从现在的20亿美元逐渐增加到25亿美元,国内用于园林绿地建植和养护的设备将由现在的20%左右增加到50%以上[1]。再加上园林绿化养护人员老龄化程度高、后备力量薄弱、人工成本不断提升等原因,势必会加快园林机械的推广应用。新能源技术的不断革新和对生态环境的日益重视,加快了新能源园林养护机械的快速发展。国际市场新能源机械的发展更是有目共睹,根据TraQline统计数据,在北美地区的户外动力设备领域,新能源园林机械市场份额已经从2010年的13%增长至2021年的36%。随着新能源、智能化技术的逐渐成熟,绿色、智能、高效能的园林机械设备代替传统、粗放、低效能的园林机械设备必是大势所趋。

1 园林养护机械的类型

园林养护机械主要是园林养护管理中用于草坪养护、苗木修剪整形、病虫害防治、灌溉施肥、苗木更新种植以及绿化废弃物处理清运等工作的机械设备[2]。我国园林绿化机械设备的发展始于20世纪80年代,20世纪末开始全国园林建设蓬勃开展,进入快速发展时期。较早普及的机械类型主要是修剪整形、病虫害防治和灌溉等中小型机械,改革开放以后,挖树机、高空作业车等国外大型机械也纷纷进入国内[3]。近年来,新能源技术的革新进步使得新能源园林养护机械也得到了一定的发展。据统计,2004—2018年园林行业有关机械设备类的标准规范经历了以汽油—电动—锂离子电池为动力源的升级变化,这也表明了园林机械设备动力源的转变发展趋势。目前我国园林养护机械在新能源动力方面也有了初步的尝试,主要在小型园林机械和绿化保洁的运用推广上,比如割灌机、绿篱机、吹风机、无人割草机、智能扫地机、电动清扫车、电动洒水车等。按照动力类型来分,园林养护机械分为燃油动力、交流电动力、直流锂电动力。按照用途,园林养护机械可以分为草坪养护类、乔灌木修剪类、绿地保洁类、植保施肥类、树木移植类、其他小型工具管养类。

草坪养护类机械主要包括旋刀剪草机、割灌机、滚刀剪草机、打孔机、草坪施肥机、草坪车等。乔灌木修剪类机械主要包括绿篱机、油锯、高空作业平台、多功能修剪车等。绿化保洁类机械主要包括粉碎机、垃圾清运车、扫地机、抓机、多功能作业车等。植保施肥类机械主要包括洒水车、滴灌系统、施肥机、打药机等。树木移植类主要是指挖树机、切根机、高空油锯等。其他小型工具管养主要是高枝剪、平剪等。

2 新能源园林养护机械应用现状

2.1 新能源园林养护机械发展概况新能源园林养护机械是基于锂电动力技术,相较于传统的以燃油动力驱动的园林机械产品,具有清洁环保、噪声小、振动小、操作简单等特点。目前新能源园林机械设备生产商主要集中在欧美等制造业发达的国家和地区,其园林机械设备具有高效节能、安全可靠、自动化程度高等特点,并通过锂电池管理系统、智能控制技术的开发应用,将园林机械设备行业推向高效率、低排放、智能化发展方向,趋向于一机多用化、联合作业化以及无人自动化。虽然国内的新能源机械发展相对缓慢,但是国内的园林机械设备生产企业也在不断地生产不同类型和用途的园林绿化机械设备,部分企业如格力博(江苏)股份有限公司、宝时得科技(中国)有限公司等也致力于新能源机械的开发与应用,推出了一系列绿色机械产品,并在海外市场占据了重要的地位。

近年来,国家加大了对建立绿色、低碳、循环发展的产业体系和清洁、安全、高效的现代能源体系的支持。部分走在前列的省市如深圳市在新能源机械推广中也做了初步的试点,通过选取新能源园林机械示范点,进行新能源机械低碳及性能测试。主要测试的新能源产品有智能扫地机器人、锂电池割草机、锂电池割灌机、锂电池油锯、锂电池绿篱机、锂电池吹风机等。这些新能源机械的运用对试点园区的低噪、低碳、低维护的环境起到了重要的作用。虽然我国园林养护机械也在持续不断地更新发展,但是国内产品性能和应用推广的成效与国外相比还存在较大的差距,特别是新能源园林养护机械自主创新产品性能还需要经历市场的长期考验。根据国内园林养护机械的使用现状,燃油机械仍然是目前园林养护的主要机械类型,新能源园林养护机械的推广也存在一定的阻碍。主要问题及原因有以下几点:

(1)国内园林机械化发展起步较晚,园林养护仍以劳动密集型作业为主,且传统燃油园林机械主力军大部分能满足日常的园林养护作业需求。再加上行业普遍认为燃油机械动力足,持续作业时间长,整体工作效率高。对于园林养护企业而言,存在比较看重园林养护机械的实用性和效能,容易忽视机械使用的污染、安全、便携、舒适等现象。所以新能源明显的优势并不能给园林企业带来很好的效益。

(2)新能源园林养护机械产品性能稳定性还需要经历市场的考验,在新能源机械产品运用的初期,普遍出现了续航能力差、性能不稳定、后期运行成本不确定等问题,这也极大地影响园林企业使用新能源园林养护机械产品的积极性。再加上人们对新能源园林养护机械产品的认识不足,还停留在续航能力差、电池不耐用、动力不足的认知上,在一定程度上限制了新能源机械的推广运用。

(3)现有常用的园林养护机械存在部分机械超负荷使用,维修管理不到位,新能源机械与传统燃油机械工作原理不同,需要有一定电动力专业人才,而相关养护操作人员普遍年龄较大,对新机械的接受程度较低,园林养护工人老龄化同时也导致了劳动力缺口,后备专业技术人才培养难以保障园林养护的需求。

(4)技术比较成熟的小型新能源园林养护机械产品更加适合海外家庭园艺市场,而大型的新能源机械产品又对场景地形要求较高,使用场景有限。整体的使用效率大打折扣,甚至出现闲置现象。所以新能源园林养护机械产品在应对国内市场的需求上还有很大的提升空间。

2.2 主要的新能源园林养护机械发展和应用作为一家在电动园林工具行业全球销量第一的研发制造型公司,格力博是新能源园林机械设备的行业领跑者,拥有园林工具自主品牌Greenworks(图1),其产品为全系列环保节能产品,覆盖了20、40、60、80 V 等多个电压平台,产品包括割草机、打草机、吹风机、链锯等,可以满足家用DIY及专业园林的多种使用场景需求。产品按用途可分为割草机、打草机、清洗机、吹风机、修枝机、链锯、智能割草机器人、智能坐骑式割草车等。

注:图片来源于https://www.greenworkstools.com.cn/h-col-143.html。Note:The picture came from https://www.greenworkstools.com.cn/h-col-143.html.

2.2.1常用小型新能源机械。

2.2.1.1锂电池割灌机。一般割灌机分为小型、大型2种。小型割灌机在市政园林、城市公园道路绿化以及庭院养护中应用比较普遍,常见的有侧挂式割灌机和背负式割灌机2种,集割灌除草为一体的多功能机械。大型割灌机动力强劲,适合荒草灌木丛清除以及农林大场景作业,如装拆式轻型割灌机、自走式沙柳割灌机、自走式灌木平茬机[4]。近年来发展比较成熟的锂电池割灌机主要适用于小型的应用场景,相较于传统燃油动力割灌机,采用一键启动、自锁开关,无复杂的调试和前置准备工作,不再需拉绳,不需要手动泵油,不再需要控制阻风门的发动机启动,安全可靠,操作简单。格力博在锂电池割灌机的系列产品中,根据不同场景需求开发了48V家用经济款、40V专业款、40V专业续航款、82V大马力款、82V二代专业款5款类型,形成了相对齐全的产品体系。82V牛角把手割灌机(图2),电机转速6 000 r/min,功率1 000 W,裸机重量5 kg,可充放电大于1 000 次,采用无刷电机智能数字化控制,保障强动力输出,内置数字芯片实时控制电机功率和性能。锂电池的循环使用,稳定快速充电,备用电池可有效延迟持续作业。Greenworks 82V系列产品兼具强劲动力和卓越性能,适用于全天候重型专业用途,兼顾零排放、低噪声、高效能于一身。

注:图片来源于https://item.jd.com/10056476235300.html。Note:The picture came from https://item.jd.com/10056476235300.html.

2.2.1.2锂电池绿篱机。绿篱机又称绿篱剪,传统动力依靠汽油机带动刀片切割转动。绿篱机主要分为小型便携式绿篱机和大型车载式绿篱机。按切割刀的形式可分为单刃绿篱机和双刃绿篱机[5]。作为园林绿化修剪作业中修剪树篱、灌木丛和绿墙不可或缺的机械,它操作简便、通过刀片的运转方式对植物的高度、厚度以及弧度进行修剪。同时燃油动力绿篱机也存在噪音大、振动强、废气污染以及操作者工作时不舒适等缺陷。目前使用最多的绿篱机为日本小松绿篱机与德国斯蒂尔绿篱机,相对国产绿篱机它们拥有更好的机械性能与稳定性[6]。锂电池绿篱机主要是在绿篱机使用的便捷性、安全性、舒适性、环保性来进行提升改进。格力博PTF414绿篱机40V锂电全铜无刷短杆无线修枝机绿化宽带修剪机(图3),刀片速度4000SPM,裸机重量:3.9 kg,噪声83 dB(A)。针对传统燃油绿篱机的痛点,具有重量轻,噪音小,激光切割刀片锋利、切割速度快的特点。这款Greenworks 40V绿篱机符合国家锂电绿篱机的噪音限制标准:A加权声压级应小于 88 dB,A 加权声功率级应小于108 dB。83 dB(A)相当于公共汽车上的噪音级别[7]。

注:图片来源于 https://item.jd.com/100044014999.html。Note:The picture came from https://item.jd.com/100044014999.html.

2.2.1.3锂电池吹风机。吹风机又称为鼓风机,主要用于落叶、碎草的吹扫和收集,是近年来园林机械较常用的新宠。对于灌木丛等难以用人工清扫的地方,使用一键吹出,方便快捷。对于季节性大面积的落叶清扫,极大地提高了清扫效率。以动力十足、清扫高效著称的传统燃油吹风机,被广泛使用,但同时也存在噪音巨大、严重扰民的问题。目前格力博锂电吹风机不仅覆盖了40、82 V 2种电压平台,满足不同功率场合,而且也开发出了吹吸一体多功能化的吹吸二用机,能够灵活地适用于不同的场景,面对不同作业面作出相应的调整,从而提高了机械的整理效率。格力博BVF442 40V锂电吹吸二用机(图4)采用无刷电机,转速吹15 335 r/min/吸14 945 r/min,功率吹789 W/吸870 W,噪声94 dB,无线操作,具有灵活轻便、动力强、更长续航、低能耗、低噪声的特征。

注:图片来源于 https://item.jd.com/100009660784.html#crumb-wrap。Note:The picture came from https://item.jd.com/100009660784.html#crumb-wrap.

2.2.2智能化机械。智能割草机器人的概念是在1997年的OPEI年会上被正式提出[8]。目前割草机的智能化发展已经从最初的人工遥控到依照特定路径进行自主作业、再到路径自我规划与决策的高智能作业发展阶段。以色列Friendly Machines 公司设计的Friendly Robomow是世界上第一批走向市场的割草机器人,德国博世研发的智能割草机器人通过折返式行走,真正实现了路径规划[9]。2019年2月,富世华机器人割草机——Automower 435X AWD正式发布,该机器人具有全轮驱动系统,能够在坡度高达70%的斜坡上行驶作业[10]。2021年赛格威智能割草机器人Navimow发布,提出家用无边界割草机器人(图5)的创新产品概念。这款割草机器人突破了安装边界特定路线的烦琐,只需要通过手机App建立虚拟边界,操作更便捷。采用“弓”字形规划式切割路径,以及断点续割功能,有效避免了重复切割,极大地提升了割草效率。2011年,宝时得科技(中国)有限公司成功研发出国内首台机器人割草机并投入市场。

注:图片来源于 https://www.sohu.com/a/487563580_100016644。Note:The picture came from https://www.sohu.com/a/487563580_100016644.

集定位、环境感知、路径规划、决策控制等功能于一身的割草机器人相较于传统燃油割草机具有很明显的优势,可全自动独立自主地工作,省时省力、低碳、环保、低噪。具备避障爬坡的能力,相对于乘骑式割草机更安全可靠,且具备省心的自动安全充电的返回功能。尽管割草机器人技术已经比较成熟,但是目前推向市场的割草机器人仍以特定路线的割草机器人为主,机器人在导线所围的特定区域内作业。这种割草机器人最大的缺点是需要在养护现场预先铺设路线,工作效率较低,覆盖作业面有限。而突破线路限制的多传感器系统割草机器人,又以昂贵的定位和视觉处理设备的代价,因成本问题导致无法推广试用。当然割草机器人也存在很大的发展限制,目前割草机器人整体的割草效率并没有传统割草机高,即使能保证完全覆盖除障碍以外的其他所有区域,也不能完全脱离人工修整。再加上割草机器人高昂的价格,因而现今园林养护中仍以人机协作的割草机为主。而随着新能源技术的发展,如格力博锂电池草坪车(图6)采用全铜无刷电机直驱系统,性能动力和燃油机相当,使用也更便捷、安全、灵活。

注:图片来源于https://item.jd.com/100013235268.html。Note:The picture came from https://item.jd.com/100013235268.html.

3 新能源园林养护机械的发展趋势

随着我国新能源汽车的快速发展,蓄电池技术也得到快速提升,为新能源园林养护机械带来了技术创新的启发和机会。新能源园林养护机械虽然目前仍处于发展起步阶段,但是园林机械行业正经历从燃油动力到新能源动力的革命性转变,市场空间巨大、前景非常广阔。特别是在领航企业的不断积累和技术创新下,国产机械的品类也越来越完善,新能源系列产品的体系也更加丰富多元。基于目前以燃油动力为主的传统机械的缺陷以及低碳环保、“双碳”任务的要求,现代园林精细化管养的内在发展也对园林养护机械提出了很高的要求。新能源园林养护机械发展趋势如下。

3.1 高效化园林机械的高效化是机械化作业最根本的优势。综合园林养护机械的运用现状,机械的性能、可靠性、使用便捷、安全依然是用户考虑的重点。针对新能源园林养护机械,必须从用户需求和痛点如续航能力、动力问题、性能稳定性、使用效率等出发,通过成熟的先进技术保证机械功能的高效化。除了锂电池机械续航、动力等普遍问题,还需要从机械技术改进的方向,突破应用难点,完善机械功能。由于电动力需要相对干燥、良好的外部环境,园林绿化清晨作业露水较多,对蓄电池的绝缘和防护也会有更高的要求。针对影响绿篱机工作效率的因素割刀的特性、植物粗细纤维的物理属性、切割方式方向、切割的速度、刀具与枝条的相对位置等[5],绿篱机的调变速装置、升降装置、收集装置和多元化修剪等技术升级显得尤为重要。基于园林机械化低水平的现状和未来新能源机械技术的快速发展,提高园林机械的高效化和园林管养工作的效率才能从根本上推动园林机械化的进程。

3.2 多元化园林机械设备的作业对象是具有生命力的植物,且作业环境较复杂,园林机械的使用效率很大程度上受场景场地的限制。虽然轻型、智能的新能源机械比笨重的燃油机和交流机更能适应不同的场景,但是在养护管理中也存在场景多元化与机械单一化的矛盾。即使是公园养护也有郊野公园和城市公园、社区公园和综合公园的区别,同时也存在道路绿化养护和公园养护的差异,不同的养护场景涉及的作业面对机械设备的需求也有差异。对于一些精细化程度比较高的园林绿化养护项目,目前机械的工作效能以及对场地的要求,难以更好地满足多元化的实际工作需求。所以越来越多的机械产品朝着多样化、品系化的方向发展,根据不同场景来选用适宜的机械才能发挥机械的最大使用效率。根据实际使用情况,园林养护机械存在实用且常用、不常用但实用、不常用且使用场景要求高、不实用且不常用4种现象。为了提高机械的使用效率,在机械产品多功能的研发上,需要更多地从不同的应用场景和作业对象出发,多元化发展。

3.3 智能化新能源机械走向智能化是人工智能发展的必然趋势。在自动化、智能化、平台化的深度孵化下,人工智能、电机控制及系统控制技术、电池包及电源管理技术、充电器技术等新技术的革新,为新能源园林机械的智能化运用提供了关键性技术支撑。目前割草机器人是新能源机械智能化的代表产品。随着人工智能领域技术的不断革新,园林养护机械也会在技术创新的牵引下,不断地开拓新的智能产品。最终通过数字园林、智慧园林的方式来实现园林管养的智能信息化管理平台,极大地提高现代园林管养技术水平。目前通过一些智能化平台如物联网系统、精细化管理平台来实现园林养护的信息化管理已经初现端倪。

新能源园林养护机械的推广应用除了机械性能的革新提升,还需要相关部门的引导与规范,营造良好的新能源机械发展市场,鼓励新能源机械生产商以及园林企业使用低碳环保的新型机械产品,提高管养企业对新能源机械产品的认知。在提高园林管养技术含量的同时,吸引更多的专业人才加入到园林管养中来,促进现代园林科学的可持续发展。