農(nóng)業(yè)機(jī)械中的電液控制技術(shù)及其應(yīng)用注意事項(xiàng)

時(shí)偉偉

(江蘇省常州技師學(xué)院 交通運(yùn)輸學(xué)院，江蘇 常州 213032)

0 引言

在當(dāng)今社會(huì)，電液控制技術(shù)已被應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等各行各業(yè)，成為各類機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的核心技術(shù)之一，農(nóng)業(yè)機(jī)械是其中的典型代表。農(nóng)業(yè)機(jī)械種類繁多，涉及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從播種到澆水施肥，再收割(采摘)的全過程。在電液控制技術(shù)的推動(dòng)下，各類農(nóng)機(jī)不僅作業(yè)性能上得到了很大的提升，其穩(wěn)定性也得到了增強(qiáng)?？傊?，電液控制技術(shù)對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提升、農(nóng)機(jī)設(shè)備水平的提升都有著很好的推動(dòng)作用。因此，農(nóng)機(jī)行業(yè)應(yīng)充分認(rèn)清現(xiàn)狀，在先進(jìn)技術(shù)的推動(dòng)下研發(fā)和制造適用于生產(chǎn)的高水平農(nóng)機(jī)。

1 電液控制技術(shù)概述

1.1 電液控制技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代微電子技術(shù)與信息技術(shù)發(fā)展迅猛，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)與其結(jié)合的程度也越來越密切，由此電液控制技術(shù)在各類涉及機(jī)械的行業(yè)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。電液控制系統(tǒng)是電液控制技術(shù)與一般農(nóng)業(yè)機(jī)械相結(jié)合的體現(xiàn)，通過設(shè)定規(guī)律的電信號(hào)的輸入，連續(xù)且成比例地對(duì)農(nóng)機(jī)運(yùn)行過程中的各類物理參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和控制，包括作用力、轉(zhuǎn)速、位移、運(yùn)行速度等。目前，電液控制技術(shù)主要包括電液伺服控制技術(shù)、電液比例控制技術(shù)、早期電液閥等，其主要技術(shù)特征如表1所示?？傮w來說，電液控制系統(tǒng)是機(jī)械及自動(dòng)化技術(shù)、電子技術(shù)、液壓技術(shù)相結(jié)合的體現(xiàn)[1]。

表1 不同電液控制技術(shù)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 電液控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

本文主要從農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用角度來分析電液控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。首先，工控能力更強(qiáng)，以標(biāo)準(zhǔn)化的比例閥、工控模塊、電磁鐵等組件為核心，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的繁瑣組件，對(duì)系統(tǒng)的靈活性與操控的復(fù)雜程度都有了優(yōu)化，且性能上得到了很大的提高；其次，工作平穩(wěn)，控制精度高，這一優(yōu)勢(shì)源于控制系統(tǒng)具有反饋能力，能夠?qū)刂频木_度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；再次，電液控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用元件較小，對(duì)污染不敏感，系統(tǒng)簡(jiǎn)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，原本繁瑣且大面積的模塊被替換，這不僅使得系統(tǒng)使用的便捷性提高，也使故障率降低，運(yùn)行的穩(wěn)定性得到提升；最后，該系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平高，可開發(fā)能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)編程控制，因此可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自控和遠(yuǎn)程控制，對(duì)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化與智能化的推進(jìn)具有推動(dòng)作用。

2 電液控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 電液控制技術(shù)在拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)中的運(yùn)用

拖拉機(jī)的液壓懸掛往往是依靠分配器，用機(jī)械推桿來起到調(diào)節(jié)油液的流量與流速，使其變換不同的作業(yè)位置，完成不同需求的作業(yè)。而現(xiàn)如今，農(nóng)業(yè)作業(yè)也不同于以往，在作業(yè)位置上的要求不斷提高，導(dǎo)致機(jī)械控制的液壓懸掛系統(tǒng)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。在此背景下，“機(jī)、電、液”一體化控制的懸掛系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

通過電液控制技術(shù)，一方面規(guī)避了傳統(tǒng)懸掛系統(tǒng)的短板，另一方面取得了功能上的升級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)位置、力矩、高度、速度等參數(shù)的快速調(diào)整，且可靠性和準(zhǔn)確性更高。諸多研究人員在拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)方面進(jìn)行了研究并取得了成果，徐煌[2]在碩士論文中提出了具有力位綜合調(diào)節(jié)功能的拖拉機(jī)電子液壓懸掛系統(tǒng)，能夠進(jìn)行耕深位移調(diào)節(jié)和力調(diào)節(jié)。目前，電液控制技術(shù)在拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)中已經(jīng)有了較多應(yīng)用且效果顯著，但由于其處于初始階段，穩(wěn)定性還達(dá)不到理想的要求。

2.2 電液控制技術(shù)在施肥播種機(jī)中的運(yùn)用

施肥播種機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最常用的農(nóng)業(yè)機(jī)械之一，其廣泛使用大大減輕了農(nóng)民在作物播種和施肥階段的勞動(dòng)量。但由于播種和施肥兩項(xiàng)內(nèi)容均對(duì)作業(yè)均勻性要求較高，且不同作物所需的施肥播種量也有差異，傳統(tǒng)的施肥播種機(jī)存在很多的弊端。以農(nóng)作物的施肥為例，農(nóng)肥的施撒是否均勻，直接影響到作物的質(zhì)量。我國(guó)長(zhǎng)期運(yùn)用農(nóng)機(jī)施肥以來就存在著施肥量不合理的問題，表現(xiàn)在施肥過量、比例不協(xié)調(diào)等，一方面直接導(dǎo)致了作物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)失調(diào)，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益，另一方面過量化肥的使用也帶來了對(duì)土質(zhì)、水質(zhì)的污染。

施肥播種機(jī)的設(shè)計(jì)多數(shù)依賴傳統(tǒng)的液壓機(jī)械傳動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)施肥播種過程的均衡，而所謂的變量施肥播種僅處在研究階段。為了滿足變量施肥和播種的需求，已經(jīng)有廠家推出了可更換機(jī)械傳動(dòng)部件的機(jī)具，通過更換部件來適應(yīng)不同施肥量的需求，從一定程度上初步實(shí)現(xiàn)了變量施肥播種。但是其調(diào)整過程復(fù)雜，并且變動(dòng)的范圍也受到限制，無法實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，因此真正實(shí)現(xiàn)理想化的變量施肥播種還有很大的差距。目前，對(duì)于變量施肥有電控液壓馬達(dá)控制、電控機(jī)械無極變速控制、步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)控制三種實(shí)現(xiàn)方法，控制模塊主要包括單片機(jī)模塊、DA轉(zhuǎn)換器、放大驅(qū)動(dòng)器、電液比例閥、液壓馬達(dá)、排肥軸轉(zhuǎn)速傳感器及轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路(圖1)。其中電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)受制于車載電源的水平難以實(shí)現(xiàn)，其余兩個(gè)已有應(yīng)用。張繼成[3]在博士論文中基于電液控制技術(shù)設(shè)計(jì)出一種施肥播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)置施肥量到施肥控制，再到電液比例調(diào)控反饋這一過程的精準(zhǔn)控制，具有很好的實(shí)際意義，避免了傳統(tǒng)施肥播種機(jī)的諸多弊端，具備更高的運(yùn)行穩(wěn)定性和多方面優(yōu)勢(shì)。

圖1 電液技術(shù)在播種施肥機(jī)中的應(yīng)用

2.3 電液控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航中的應(yīng)用

隨著自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的逐漸發(fā)展與應(yīng)用，目前農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)主要用于控制農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)軌跡、行駛參數(shù)等，主要是對(duì)機(jī)器行進(jìn)速度與農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制，機(jī)器行進(jìn)速度主要采用電液控制系統(tǒng)進(jìn)行，主要技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 電液控制系統(tǒng)在自動(dòng)導(dǎo)航中應(yīng)用的技術(shù)流程

2.4 其他應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制技術(shù)是從大型工程機(jī)械上的應(yīng)用演變而來，具備高效率、高可靠性和高穩(wěn)定性等多方面的優(yōu)勢(shì)，近年來逐漸應(yīng)用在農(nóng)機(jī)設(shè)備方面。從當(dāng)前電液控制技術(shù)在農(nóng)機(jī)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，除了上述施肥播種機(jī)和拖拉機(jī)的懸掛系統(tǒng)兩方面的研究較多之外，在其他各類農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用較少。因此，總體來說電液控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上還處于一個(gè)探索階段，從很多研究者的探究方面來看，該技術(shù)在很多其他類型的農(nóng)機(jī)上也有很好的運(yùn)用潛質(zhì)。例如，聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)高度的調(diào)整，也是可以運(yùn)用電液控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)最佳的控制。在未來的發(fā)展當(dāng)中，從播種至收割的農(nóng)作物生產(chǎn)全周期的農(nóng)業(yè)機(jī)械中電液控制技術(shù)的覆蓋面將會(huì)越來越廣。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械中電液控制技術(shù)的應(yīng)用注意事項(xiàng)

3.1 定期進(jìn)行系統(tǒng)的檢查及維護(hù)工作

農(nóng)機(jī)設(shè)備的作業(yè)環(huán)境一般比較不穩(wěn)定，會(huì)面對(duì)不同的地形、氣溫、濕度等，因此在經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行之后，農(nóng)機(jī)的部件會(huì)發(fā)生形變、磨損、銹蝕等；原本系統(tǒng)對(duì)于農(nóng)機(jī)運(yùn)行過程中作用力、轉(zhuǎn)速、位移、運(yùn)行速度等參數(shù)的控制也會(huì)隨之受到影響。若長(zhǎng)時(shí)間不予維護(hù)，電液控制系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性和精確性將會(huì)受到影響，尤其是在目前技術(shù)還不夠成熟的情況下，更應(yīng)該打好基礎(chǔ)，不能存在惰性和僥幸心理。通過定期合理的系統(tǒng)檢修與維護(hù)，一方面保證農(nóng)機(jī)設(shè)備的高質(zhì)量運(yùn)行，另一方面也有助于電液控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)問題，不斷提高技術(shù)應(yīng)用水平。

3.2 防止雜質(zhì)污物等侵入系統(tǒng)

電液控制技術(shù)發(fā)揮作用的前提是保障液壓系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，而其中的各類元件之間聯(lián)系緊密，液壓元件加工精度高，且其中有多個(gè)孔道、節(jié)流縫隙等，因此容易受到雜質(zhì)污物的影響。而電液控制系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)就是其控制精度，雜質(zhì)的侵入勢(shì)必會(huì)對(duì)系統(tǒng)精度造成影響。因此安裝前需要進(jìn)行管路清理，保持液壓油的清潔，采用外部保護(hù)等方式，一方面保持液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，避免液壓系統(tǒng)的故障，另一方面保障電液控制系統(tǒng)的控制精度，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.3 在應(yīng)用中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新技術(shù)

當(dāng)前，電液控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用還處于起步階段，除了前文中提及的施肥播種機(jī)和拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)之外，在其他方面的運(yùn)用還處于理論設(shè)計(jì)方面，但電液控制技術(shù)在其他行業(yè)的運(yùn)用，包括工業(yè)、制造業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)的運(yùn)用，已經(jīng)充分體現(xiàn)出了其高效、穩(wěn)定、靈活、故障率低的優(yōu)勢(shì)，因此專業(yè)人員應(yīng)從現(xiàn)有農(nóng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)用中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的運(yùn)用了電液控制技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械的改善點(diǎn)，以及其他農(nóng)機(jī)設(shè)備中能夠運(yùn)用到該技術(shù)的點(diǎn)，不斷進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，使電液控制技術(shù)能夠在農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)廣泛利用。

3.4 提高電液控制系統(tǒng)的故障診斷方法

目前，電液控制技術(shù)主要是以計(jì)算機(jī)為核心的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械各個(gè)零部件的控制，但是在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器和傳感器故障是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械控制系統(tǒng)故障的主要原因。目前，在農(nóng)業(yè)機(jī)械控制系統(tǒng)中主要采用“二狀態(tài)故障模型”，但是在實(shí)際應(yīng)用中工作精度較低。因此，未來基于人工智能控制模型進(jìn)行電液控制系統(tǒng)的故障診斷對(duì)于提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作可靠性與工作效率具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電液控制技術(shù)在我國(guó)農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用處在一個(gè)起步階段，這與當(dāng)前的電液控制技術(shù)水平及農(nóng)業(yè)機(jī)械的特點(diǎn)，與農(nóng)業(yè)行業(yè)的特點(diǎn)是分不開的。在未來，隨著電液控制技術(shù)水平的不斷提高，其在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用也將會(huì)越來越廣泛，技術(shù)上也會(huì)越來越成熟，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將成為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行的核心技術(shù)，為農(nóng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化起到強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。