農(nóng)業(yè)機(jī)械的環(huán)保節(jié)能設(shè)計(jì)

龐書軍

（北海精彩貿(mào)易有限責(zé)任公司，廣西 北海536000）

“十二五”是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)深入推進(jìn)的時(shí)期。農(nóng)業(yè)機(jī)械一體化水平是形成農(nóng)業(yè)國際競(jìng)爭(zhēng)力的核心能力，其高低決定著我國在農(nóng)業(yè)國際領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)力的強(qiáng)弱。加快農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展進(jìn)度，對(duì)我國農(nóng)業(yè)地位，促進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。而傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械在設(shè)計(jì)過程中，存在對(duì)環(huán)保與節(jié)能方面不重視的問題。導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械出現(xiàn)高污染、高消耗，既不利于農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)，也不利于農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用。因此，必須從農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)入手必須從機(jī)制和源頭上解決農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)工作的應(yīng)對(duì)問題，加強(qiáng)新產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)工作，提高產(chǎn)品科技含量，達(dá)到農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)的有力創(chuàng)新和發(fā)展。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的理念

我國人口的增長、土地種植面積的縮小和土地的貧瘠化，使糧食增產(chǎn)的壓力越來越大，如何加快農(nóng)業(yè)發(fā)展，增加糧食產(chǎn)量是當(dāng)前亟待解決的問題。在機(jī)械化主導(dǎo)農(nóng)業(yè)發(fā)展的今天，只有提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的安全性、適用性和節(jié)能性才能減少其消耗，保護(hù)農(nóng)作物生長環(huán)境，才會(huì)使農(nóng)民從機(jī)械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得更大收益。綠色發(fā)展和低碳環(huán)保是當(dāng)前循環(huán)可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的主要理念，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的腳步越快就越需要良好的資源與環(huán)境條件作為支撐，應(yīng)該將節(jié)能環(huán)保理念作為發(fā)展的戰(zhàn)略前提，以此來確保整個(gè)建設(shè)過程的長久、健康發(fā)展。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械的環(huán)保節(jié)能設(shè)計(jì)

環(huán)保節(jié)能機(jī)械不僅具備自身的生態(tài)環(huán)境優(yōu)點(diǎn)，也具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。環(huán)保節(jié)能農(nóng)業(yè)機(jī)械可以降低在農(nóng)機(jī)制造、應(yīng)用、維護(hù)過程中對(duì)生態(tài)的影響，控制過大機(jī)械能耗的產(chǎn)生。在減少環(huán)境污染的同時(shí)，控制土壤質(zhì)量不出現(xiàn)上下劇烈的波動(dòng)；可以有效節(jié)約種子、農(nóng)藥和化肥的用量，同時(shí)減少能源、水資源、污染防控、職業(yè)病保健方面的開支，這能夠控制農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不必要支出。根據(jù)近些年環(huán)保節(jié)能農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來看，環(huán)保節(jié)能農(nóng)業(yè)機(jī)械可以利用高科技元素帶來效率和效益的提升。

2.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械的材料選擇

材料選擇是農(nóng)業(yè)機(jī)械節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)最重要的過程，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該做好材料控制，選擇無毒無害、可以重復(fù)利用、對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小的材料作為環(huán)保節(jié)能農(nóng)業(yè)機(jī)械的基礎(chǔ)，這樣可以降低農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境、資源、生態(tài)的有力維護(hù)。

工程塑料由于具有密度小、比強(qiáng)度高、良好的耐蝕性及良好的減摩和自潤滑性等一系列優(yōu)良特性，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用上引起了人們的極大關(guān)注。如活塞環(huán)在動(dòng)力機(jī)械中主要是防止氣體從壓縮容器內(nèi)漏出。因此,活塞環(huán)的材料除了要具有一定的力學(xué)性能與彈性外，還應(yīng)有自潤滑性和減摩、耐磨性。聚四氟乙烯是制作活塞環(huán)的理想材料，常用于不能用潤滑劑或其它苛刻條件下如有嚴(yán)重腐蝕性及對(duì)安全性要求比較高的場(chǎng)合，其大大減少了氣缸內(nèi)壁的磨損，延長了氣缸使用壽命。

木塑纖維復(fù)合材料是以木質(zhì)纖維為主要組分，經(jīng)過預(yù)處理使之與合成纖維、樹脂或其它材料結(jié)合而成的一種新型材料在很多領(lǐng)域已成為鋼材和工程塑料等常用工程材料的替代品。木塑復(fù)合材料在提高結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)強(qiáng)度和聲學(xué)性能，降低材料的重量、能源燃料消耗及生產(chǎn)成本，減少加工時(shí)間，提高乘客的安全性和在極端的溫度變化時(shí)的防碎性能上都有很好的表現(xiàn)，已廣泛應(yīng)用在于汽車、建筑、船舶、電子和航空航天等領(lǐng)域。這對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械比較傳統(tǒng)的材料應(yīng)用是一個(gè)很好的啟發(fā)。

我國農(nóng)業(yè)機(jī)械耐磨零部件的質(zhì)量很難達(dá)到國際先進(jìn)水平，農(nóng)機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域農(nóng)機(jī)零配件的合格率一直都在60%～70%徘徊，農(nóng)機(jī)耐磨配件則更低，例如，旋耕刀近年來平均抽查的合格率為58.3%，錘片的平均抽查合格率為61.9%。借助堆焊、熱噴涂、激光表面處理等表面工程技術(shù)，通過對(duì)農(nóng)機(jī)耐磨件易磨損表面的強(qiáng)化，可以大幅度提高零件的耐磨性能，延長耐磨件的使用壽命。張麟等人采用爆炸噴涂工藝，在低溫榨油機(jī)榨螺表面制備WC-12%Co耐磨涂層。研究表明，WC-12%Co耐磨涂層壽命是傳統(tǒng)滲碳淬火層的4.2倍。農(nóng)機(jī)耐磨件惡劣的工作環(huán)境對(duì)制造材料提出更高的要求，也督促我們必須加快對(duì)新型農(nóng)機(jī)材料的研究、開發(fā)和推廣。與此同時(shí)，改性處理工藝的研究也不可或缺，熱處理工藝、表面工程技術(shù)在農(nóng)機(jī)耐磨零部件方面的應(yīng)用也愈顯重要，尤其是表面工程技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的熱處理工藝擁有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械燃料的選擇

內(nèi)燃機(jī)是農(nóng)機(jī)的動(dòng)力機(jī)械，內(nèi)燃機(jī)的燃料主要是柴油和汽油，這類燃料燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量含碳和硫的有害氣體，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境造成污染，影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。所以，農(nóng)業(yè)機(jī)械的環(huán)保節(jié)能設(shè)計(jì)中要研究開發(fā)清潔的能源，包括太陽能、沼氣等，減少對(duì)汽油、柴油等的使用，降低噪聲、廢氣等污染，并能夠減輕碳排放過多造成的溫室效應(yīng)，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境不受或是少受污染，為農(nóng)作物的生長營造良好的環(huán)境。

生物柴油是一種清潔的可再生能源,它是以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實(shí)、工程微藻等油料水生植物以及動(dòng)物油脂、廢餐飲油等為原料制成的液體燃料，是優(yōu)質(zhì)的石油和柴油代用品。目前德國已成為世界最大的生物柴油生產(chǎn)國和消費(fèi)國。德國主要以油菜籽為原料生產(chǎn)生物柴油，建立了1600多座生物柴油加油站。我國生物柴油正處于開發(fā)初期與小批量試產(chǎn)階段，主要以餐飲等行業(yè)廢油回收或以膏桐、黃連木、油菜籽等為原料。劉蕾等研究發(fā)現(xiàn)按照每千克柴油排放CO2量3.2kg計(jì)算，假設(shè)2007年我國農(nóng)機(jī)全部采用生物柴油,每年可減少對(duì)大氣排放的CO2約6000萬t。生物柴油生產(chǎn)過程中相對(duì)于石化柴油，能降低污染物的排放。最明顯的是CO降低了34%，PM10(10Lm以下的顆粒)降低了68%，SOx降低了8.33%。

全球領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)機(jī)械品牌紐荷蘭（NEW HOLLAND）2013年就推出了世界上第一輛以氫燃料電池為動(dòng)力的拖拉機(jī)，它的名字叫NH2，可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)106馬力的電動(dòng)機(jī)，四輪驅(qū)動(dòng)。在這款機(jī)械身上，傳統(tǒng)的柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)被兩個(gè)氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的電馬達(dá)動(dòng)力系統(tǒng)所取代，其中，一個(gè)馬達(dá)主要用作動(dòng)力牽引，另一個(gè)馬達(dá)用于動(dòng)力傳遞和輔助操作，單個(gè)的氫燃料罐可以工作1.5到2個(gè)小時(shí)，能提供大約106馬力的功率。用氫燃料電池作動(dòng)力也意味著動(dòng)力傳遞無污染、更高效（因?yàn)闊o需復(fù)雜的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)）。與此同時(shí)，太陽能也已廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖、灌溉、病蟲害防治以及農(nóng)業(yè)機(jī)械（設(shè)施）動(dòng)力提供等領(lǐng)域。如四川省攀西地區(qū)太陽能提灌站利用太陽能清潔能源，降低了電力、柴油等能源消耗，減少了碳粉塵、二氧化碳、二氧化硫等排放。

2.3 農(nóng)業(yè)機(jī)械的可拆卸性

DFD(Design For Disassembly)即可拆卸性設(shè)計(jì)，DFD是綠色設(shè)計(jì)理念的主要內(nèi)容之一。DFD可以分為兩類：一類是面向產(chǎn)品回收(Design For Recy-cling)的可拆卸性設(shè)計(jì)另一類是面向產(chǎn)品維修(Design For Maintenance)的可拆卸性設(shè)計(jì)?？刹鹦缎栽O(shè)計(jì)是產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一。加強(qiáng)產(chǎn)品和零部件的回收再生循環(huán)，體現(xiàn)出農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的綠色設(shè)計(jì)理念，在產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)周期內(nèi)，不僅要滿足環(huán)境目標(biāo)要求，更要保證產(chǎn)品功能、質(zhì)量及使用年限的完整等要求。

可拆卸性設(shè)計(jì)有兩種設(shè)計(jì)方法：一是基于“典型模塊”的可拆卸性設(shè)計(jì)（CMDFD）。CMDFD（Classical Module DFD）是可拆卸性設(shè)計(jì)方法發(fā)展的初期階段，它是在設(shè)計(jì)過程中，盡可能地直接或者間接利用現(xiàn)有的、已被驗(yàn)證具有良好拆卸性的一些典型結(jié)構(gòu)模塊，應(yīng)用在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上，達(dá)到良好的拆卸性目標(biāo)。二是計(jì)算機(jī)輔助可拆卸性設(shè)計(jì)（CADFD）。CADFD是把經(jīng)模塊設(shè)計(jì)和CAD及CAM等工程軟件綜合起來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。可拆卸性設(shè)計(jì)的核心技術(shù)：建立農(nóng)業(yè)機(jī)械的“典型模塊化”數(shù)據(jù)庫，建立計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)評(píng)價(jià)體系的知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫，建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)。

Ug是美國EDS公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域。該軟件可運(yùn)行于WINDOWNT平臺(tái)，無論是裝配圖還是零部件設(shè)計(jì)，都從三維實(shí)體造型開始，可視化程度極高。任娟等以美國PTC公司推出的Pro/E軟件作為機(jī)械設(shè)計(jì)中有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的工具，結(jié)合播種機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)，介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，說明了優(yōu)化設(shè)計(jì)在提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量中的巨大作用。

3 展望

發(fā)展綠色、低碳、循環(huán)經(jīng)濟(jì)是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律，是人類可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)建立起將環(huán)保節(jié)能理念，并全面地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)用型體制，充分發(fā)揮環(huán)保節(jié)能型農(nóng)業(yè)機(jī)械的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)保價(jià)值，達(dá)到對(duì)機(jī)械化農(nóng)業(yè)、生態(tài)化農(nóng)業(yè)發(fā)展的有力促進(jìn)。

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