[科普中国]-动力机械

历史

早在公元一世纪，亚历山大的希罗已论述了用水力、风力和热空气推动的机械。后来人们开始在生活和生产活动中运用利用风能和水能的风帆、风车、水车水磨等。

18世纪末蒸汽机的问世，开拓了化学能的利用，大大地提高了劳动生产率，导致了工业革命。19世纪末，内燃机的发明和应用为汽车、机车、船舶提供了动力，并导致飞机的发明，使人类交通运输业的面貌发生了巨大的变革，更促进了机械制造业的巨大发展。

19世纪末至20世纪初，随着汽轮机、燃气轮机、喷气式发动机、火箭发动机的发明，交通工具的速度大大提高，人们的交往更加方便，人类活动的领域更加开阔，航天事业得以开拓，从而进一步带动和促进了其他科学和工业部门的发展。1

方式动力机械按将自然界中不同能量转变为机械能的方式，可以分为风力机械、水力机械和热力发动机三大类。

风力机械有风帆、风车（风力机）、风磨等。二十世纪出现了直接应用风力的发电装置，但受到自然风区分布的限制，因为一般认为风速大于4米/秒才有利用价值。据估计，地球上蕴有风能约达10吉瓦，已经利用的不及百分之一，故风能大有开发的前景。

水利机械有水车、水磨、水轮机等。20世纪以来，利用水轮机发电的水电站日益增多，因为水电站具有运行费用低、无污染、取用不竭等优点。但是兴建水库、水坝，初始投资较大、建设时间较长，而且对生态平衡、地质力态平衡也有影响。中国水能蕴藏量约为680兆瓦，居世界之首，很有开发和利用的余地。

热力发动机包括蒸汽机、汽轮机、内燃机(汽油机、柴油机、煤气机等)、热气机、燃气轮机、喷气发动机等。在工业、农业、交通、采矿、兵工等部门，内燃机的应用最为广泛。船舶、机车、汽车、物料搬运机械、土方机械、坦克、排灌机械、小型发电装置等无不以内燃机为动力。

汽油机是以汽油为燃料，采用电点火，转速一般在3000～6000转/分，甚至高达每分钟一万转。功率由几百瓦至几百千瓦。在农林方面广泛用作采茶机、割草机、机锄、喷药机、割灌机、机锯等的动力；在交通方面用作摩托车、汽车、小艇的动力。

此外，用于通信和电影放映机的小型发电机组，采矿用凿岩机、建筑用打夯机等无不以小型汽油机作动力。早期的飞机曾以大型汽油机为动力，后已基本上为涡轮机，特别是喷气式发动机所取代。汽油机的排放物对人类环境的污染毒害十分严重。

柴油机是以柴油为燃料，利用压缩热自燃，转速一般在百余转至五、六千转每分钟，功率由几千瓦至数万千瓦。广泛用作汽车、拖拉机、坦克、船舶、军舰、机车、发电机组、物料搬运机械、土方机械等的动力。

二十世纪60年代以来，由于世界性的石油危机，以及柴油机具有较高的热效率，因此应用范围也日益扩大。一些过去采用汽油机的领域，如小轿车、轻型卡车等采用柴油机作为动力的日渐增多。

煤气机是以煤气、天然气和其他可燃气体为燃料，有采用电点火的，也有采用喷入少量柴油压燃引火的。由于气体燃料来源的限制，加上煤气机本身体积大、携带困难等原因，它的应用远不及汽油机、柴油机广泛。煤气机大多应用于固定式动力装置，但也有将气体燃料装囊，或液化装瓶以用于运输车辆的，但因使用不便，未能推广。

蒸汽机是把蒸汽中的热能转化为机械能的热力装置。由于工作效率过低，除在少数国家仍用于机车外，已基本被淘汰。汽轮机是广泛用于大型发电机组和大型船舶的动力装置。

热气机也称斯特林发动机，是以空气、氢和氦等作为工质、按回热闭式热力循环，进行周期性的压缩和膨胀而作功的热力发动机。热气机是外燃机，可以采用多种燃料，同时还具有噪声低、振动小和排污较少等优点，主要缺点是散热器大、密封困难和成本较高。

燃气轮机是以燃料燃烧产生的燃气直接推动涡轮作功的装置。转速可高达数万转每分钟，效率也较高。燃气轮机分为开式循环和闭式循环两种，多用作发电机组船舶、机车和飞机的动力。

喷气发动机是利用燃料燃烧气体排出过程中所产生的反作用力作功的热力发动机，主要用于航空和航天方面。喷气式发动机可以分为两大类，即空气喷气式发动机和火箭喷气式发动机。

从外界吸入空气作为工质，以空气中所含的氧作为氧化剂的喷气发动机称为空气喷气发动机。它又可分为无压气机空气喷气发动机和有压气机空气喷气发动机两种。现代航空上采用最广的燃气轮喷气式发动机就属于后一种。

燃料和氧化剂都由发动机或飞行器本身携带的喷气发动机，称为火箭喷气发动机，或简称火箭发动机。按其所用燃料分固体燃料火箭发动机和液体燃料火箭发动机两种，它们主要用作兵器和航天飞机的动力。2

电动力农业机械发展现状与趋势电动力农业机械的优势分析传统的农业机械主要以燃油为动力，虽然具有功率大的有点，但是其结构笨重、操作空间小。而现代农业机械采用电动力，在设计时使结构更加简单紧密，体积较小，操作灵活方便，更适合在丘陵、山地、大棚等特殊场地操作。近几年，我国成为能源消耗大国，石油依靠进口的程度越来越高，石油价格也是水涨船高。而电力作为可再生资源，成本相比燃油降低了近80%，并且电力驱动极其结构简单，维修和使用成本较低，容易控制。同时电力也作为环保能源，实现了污染物零排放。1

电动力农业机械发展现状我国的当前的电动力农业机械主要包括两种类型，一种是有线电动力农业机械，另一种是移动电动力农业机械。

1、有线电动力农业机械

有线电动力农业机械主要存在于农产品加工和排灌机械类别。有线电动力农业机械结构简单紧密，体型较小，操作灵活方便，使用和维护成本较低，已经成为农业机械中普遍使用的机械类型。科技不断进步，农业也面临巨大的改革，近几年出现了新技术自动化温室大棚，为有线电动力农业机械的使用提供了必要的环境，为发展多功能温室机械的开发提供了可能，一旦实现将一次性实现耕地、播种、施肥等操作。有线电动力农业机械满足温室大棚作业要求，大大提高了操作效率，而且保证了绿色环保的前提，未来市场前景一片大好。

2、移动式电动力农业机械

移动式电动力农业机械的最关键的特点在于以蓄电池等可移动电源作为动力，一般功率较小。主要有以下两种：一是园林植保电动力机械。园林植保电动力机械的要求主要是功率较小、便于携带，所以主要的代表机械为小型喷雾器，输出功率较小，但是可以供操作人员背带使用。我国通过积极引进英国技术，成功仿制出手持式电动喷雾器。该类农业机械的动力源主要采用蓄电池和干电池，整台机器的重量不超过5kg，得到广大农民群众的一致喜爱。

随着科研机构的深入研究，电动力农业机械的种类也不断丰富，电动力机械的功能也不断升级。包括牡丹江林业研究院发明的小型电动园林整枝机、四川桑蚕研究所研发的电动桑剪机、中国棉花科技公司研发的电力棉花采摘机等。大量新研发的电动力农业机械，已经达到实践使用的要求，并有望得到广泛推广。二是田地作业电动力机械。田地一般地幅宽广，受外界环境影响较大，需要的输出功率也大。如果继续使用蓄电池或干电池作为动力来源，已经无法达到实际使用的要求，合适电动力来源的研发也成为田地大型电动力农业机械发展的关键环节。随着能源资源不断减少，价格不断上升，电力农业机械设备再一次成为研究的热点。南京农业大学大胆引进国外最新技术，加之自己的科技成果，成功研发出以铅酸蓄电池作为动力来源的电动拖拉机。该种拖拉机的最大输出功率可达10kW以上，并能提供连续电能8h，成功为我国在大型电动力农业机械领域赢取了一席之地。后来，长治市农业机械研究所研制出直流电电动耕地机，安徽农业大学研发了电动力采茶机，华南农业大学研制了以锂电池为动力的步进式插秧机等。1

电动农业机械存在的问题1、电池容量问题

采用电缆电动力作为农业机械的动力来源，需要干燥、良好的外部环境，严重影响了使用范围。采用蓄电池作为农业机械的动力来源，体积较小、操作灵活，但是致命的缺点在于电能储存量较小，严格限制了电动力农业机械的进一步发展。所以，对于电动力农业机械来说，最关键的技术是电池容量。随着我国电动汽车的快速发展，蓄电池的技术也飞速提升，为电动力农业机械提供了参考。但是农业机械的使用环境相比汽车更加恶劣，相应也对蓄电池的绝缘和防护有了更高的要求。同时，废旧电池对土壤和环境存在一定的污染，如果回收不及时或处理不当，就会酿成更大的环境问题。

2、电机问题

电动力农业机械的驱动器在于电机，电机的质量直接影响了机械的整体运转水平。因为农业机械的操作场所多为露天田地，地面坑洼不平，较大的震动严重影响了电机的工作。所以，根据农业机械的作业环境选择合理的电机，小功率农业机械可以采用永磁直流电机，大功率农业机械采用鼠笼式异步交流电机。

3、配套设施问题

电动农业机械具有结构简单操作便捷的特点，但是电动农业机械与传统的燃油机械工作原理不同，以前从事机械维护和修理的人员已经无法胜任岗位要求。所以，需要招聘电动力专业人才，并结合农业机械实际，对机械进行专业维护。同时，大功率电动力农业机械需要配备专业充电设备，还需要进一步完善。3

发展趋势电动力农业机械在科技的推进下，不断完善升级动力系统，深度挖掘电动机调速范围宽和控制灵活的优势，并为以后的技术改革指明了方向。主要表现如下：一是充分发挥多电机控制技术，简化机械传动和联动结构，最大程度减少农业机械的本身重量，增强其便捷性和灵活性。二是扩展蓄电池容量，目前的研究情况，成本高成效低，无法满足短期农业机械的发展要求。所以，要以当前技术为基础，结合电力节能和电机高效驱动技术，探索为电动力农业机械提供动力来源的新途径。3

农业动力机械的保养和清洗近年来，以拖拉机为主的各类农业动力机械迅速增长。农业动力机械是一种技术含量高、结构相对复杂的专门化生产工具，一般作业的条件比较恶劣，操作人员的使用技术水平和专业知识素质差别较大。同时，作为一种生产工具，随着使用期限的延长，机械零部件因磨损而引起性能下降，影响使用。因此农业动力机械应当注重保养和清洗。

一、农业动力机械的保养

农业动力机械的保养要按照“防重于治、养重于修”的原则，切实执行技术保养规程，动力机械要按燃油消耗量确定保养周期，按时、按号、按项、按技术要求进行保养，达到技术保养标准，确保机具处于完好的技术状态。目前大部分农业动力机械的发动机都是柴油机，因此柴油的净化工作很重要。柴油净化一是加油时将漏斗加滤网，再加一层绸布；二是从油桶取油时，取过滤器外加包一层绸布或打字机蜡纸，并定期清洗或更换，同时要注意使用洁净的符合标准的润滑油。

机油过滤器的过滤芯要定期清洗，转子式的过滤器在转子内壁贴一层宽窄长短合适的牛皮纸，便于在离心作用下吸附污物。清洗过滤芯上吸附的污物时最好用打气筒充气，从内向外吹气，用毛刷刷洗，绝不要用手抹。黄油要用洁净的润滑脂，勿随便乱注其他润滑油。发动机运转时，为了保证进入气缸的空气干净，必须对空气滤清器加强检查，定期清洗。在农业动力机械保养中，做好对各零件的检验工作，能够保证整机工作安全、可靠。

零件的检验主要通过检查、试验和测量等手进行评定，看其能否够达到规定的技术指标，从而确定其完好程度和应采取的措施。

二、农业动力机械（零部件）清洗方法

1.有机溶液除油

为防止碱溶液对精密零件如高压油泵、喷油器等的强烈腐蚀，一般可采用有机溶剂清洗。有机溶液是指汽油、煤油、柴油、酒精、三氯乙烯等，其主要优点是：方法简便，不需要加温，适宜清洗精密零件和不适宜于碱性溶液清洗的零件，如铜、铝、塑料、毡质零件等。但有机溶剂价格高，易燃烧，对资源造成浪费，不宜推广应用。

2.碱性溶液除油

对零件表面动植物油脂和矿物油脂的清除，可采用碱性溶液加入少量乳化剂，充分利用碱性溶液对油类的皂化作用除油，常用的碱性溶液配方（以质量计）为：①用于钢铁零件。苛性钠 0.75%、碳酸钠 5.0%、磷酸钠 1.0%、肥皂 0.15%、水 93.1%；②用于铝合金件。碳酸钠 1.0%、重铬酸钾 0.05%、水 98.85%。清洗时，应先将溶液加热到 75～80℃，若采用压力喷射，除油效果更佳。清洗完后，再用热水冲洗零件表面残留的碱溶液，晾干后除油防锈。

3.金属清洗剂除油

因碱溶液对铝合金有强烈的腐蚀作用，而有机溶液成本高昂，故当修理较多铝合金零件时，应采用金属清洗剂除油。其主要优点是无毒、无臭，不易燃烧，不易腐蚀，挥发性小，使用安全，去污能力强，清洗成本低，节约能源，已被广大机手和农机维修厂普遍采用。但其缺点是常温下清洗效果较差，对人体皮肤刺激较大。目前市场上清洗剂的品牌很多，性能特点不一。因此，在清洗零件时，要充分根据零件的材质、积污特点来选择，如有加热条件的选用高温型清洗剂，手工刷洗时选用低温型清洗剂。

4.清除积炭

①清除铝合金零件的几种配方。配方 1：100g 水中加碳酸钠 1.85g、硅酸钠 0.85g、肥皂 0.8g；配方 2：100g 水中加碳酸钠 2.0g、硅酸钠 0.8g、肥皂 1.0g、重铬酸钾 0.5g；配方 3：100g水中加碳酸钠 1.0g、肥皂 1.0g、重铬酸钾 0.5g。

②清除钢铁零件几种配方。配方 1：100g 水中加苛性钠 2.5g、碳酸钠 3.0g、硅酸钠 0.15g、肥皂 0.85g；配方 2：100g水中加苛性钠 10g、重铬酸钾 0.5g；配方 3：100g 水中加苛性钠2.5g、碳酸钠 3.1g、硅酸钠 1.0g、肥皂 0.85g、重铬酸钾 0.5g。清洗时，先将溶液加热到 80～90℃，然后将零件放入其中浸泡 2～3h 取出，用毛刷或棉沙擦除积炭，再用热水洗净，吹干或晾干。

5.清除水垢

由于矿物盐沉积，冷却系统会形成水垢，影响冷却系统散热，所以必须定期清除水垢，一是清除以硅酸钠为主要成分的水垢时，可将 2%～3%氢氧化钠水溶液加入冷却系统，待机车行驶运转1天后放出，用清水冲洗，然后再重复1次，最后用清水彻底清洗冷却系统。二是清除铸铁汽缸体等处水垢时，可将浓度为 8%～10%盐酸液等与盐酸量 3%的若丁缓蚀剂溶液加热至 50～60℃注入水套内，浸透2～3h 后排出，再用加有重铬酸钾的水溶液进行清洗，或再用 5%浓度的氢氧化钠水溶液注入水套内，中和残留的酸溶液。然后用清水冲洗几次，直到洗干净为止。此方法适合于清除主要成分为碳酸钙和硫酸钙的水垢。4