農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

摘 要： 電液控制技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)之一，對于增強(qiáng)機(jī)械性能、提升操作便捷性和提高生產(chǎn)效率具有顯著影響。綜述了農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，通過具體案例，展示先進(jìn)電液控制元件及系統(tǒng)在提升農(nóng)業(yè)機(jī)械整體性能，特別是在模塊化訂制、智能化控制、電驅(qū)高效節(jié)能等方面的作用和潛力。未來以人工智能和物聯(lián)網(wǎng)為代表的先進(jìn)技術(shù)將與電液控制系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)一步推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械向智能化和無人化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；電液控制技術(shù)；液壓閥；比例閥；傳感器；智能化；精準(zhǔn)化

中圖分類號：S24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）05-0027-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.05.005

0 引言

智能化、無人化是未來農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展趨勢，電液控制技術(shù)作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是引領(lǐng)農(nóng)機(jī)裝備未來演進(jìn)的主導(dǎo)力量[1]。隨著人工智能和萬物互聯(lián)等前沿信息技術(shù)的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械正處于一場由機(jī)械化起步，歷經(jīng)自動(dòng)化躍升，向智能化、無人化縱深演進(jìn)的螺旋式變革歷程之中[2]。

未來智慧農(nóng)業(yè)是以電液控制技術(shù)為核心構(gòu)建的高效、智能和現(xiàn)代化裝備體系[3]。目前電液控制技術(shù)已成為農(nóng)業(yè)裝備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的首選，John Deere、CASE、CLAAS 等為代表的國外農(nóng)機(jī)裝備制造企業(yè)已把電液控制作為農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)的關(guān)鍵核心技術(shù)[4]。隨著科技的不斷發(fā)展，電液控制技術(shù)將在農(nóng)機(jī)裝備制造中發(fā)揮更加重要的作用。通過與其他先進(jìn)技術(shù)的融合，如傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)和AI 圖像技術(shù)等，農(nóng)機(jī)裝備可以進(jìn)一步提升智能化和自動(dòng)化水平，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更大的便利和效益。

本研究分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對電液技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，建議國內(nèi)農(nóng)機(jī)裝備制造企業(yè)加大電液控制技術(shù)研發(fā)投入力度，推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械向現(xiàn)代化、智能化快速發(fā)展。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制技術(shù)現(xiàn)狀

電液控制技術(shù)以其元件結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜空間布局靈活、功率傳遞密度高、傳動(dòng)平穩(wěn)沖擊振動(dòng)小、無級調(diào)速適應(yīng)性強(qiáng)、滿足各種工況需求、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、自潤滑性好、使用壽命長，以及便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制等特點(diǎn)，在國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械中獲得廣泛應(yīng)用。電液控制技術(shù)不僅提升了農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效率和可靠性，也使農(nóng)業(yè)機(jī)械在規(guī)?；⑦B續(xù)性作業(yè)時(shí)發(fā)揮更大的效能，進(jìn)一步提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。電液控制技術(shù)的應(yīng)用正推動(dòng)國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械向更高效、更智能的方向發(fā)展。

我國主要糧食作物生產(chǎn)已基本實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化作業(yè)，大功率拖拉機(jī)、青飼收獲機(jī)、高地隙植保機(jī)、牧草高密度打捆機(jī)在耕深電液控制、割臺比例調(diào)速、靜液壓防滑驅(qū)動(dòng)和密實(shí)度電液控制等方面應(yīng)用逐漸增多，電液控制技術(shù)越來越受到重視[5-6]。此外，數(shù)字化、智能化和精準(zhǔn)化等技術(shù)與電液控制技術(shù)的結(jié)合大幅提高了聯(lián)合作業(yè)和復(fù)式操作農(nóng)業(yè)機(jī)械的可靠性、能效和精度等關(guān)鍵性能指標(biāo)，如收獲機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)行維護(hù)、作業(yè)數(shù)據(jù)傳輸、多機(jī)聯(lián)合作業(yè)及電液元件壽命預(yù)測，農(nóng)田鹽堿治理工程裝備施工電液驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測及收集，拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛上線軌跡電液控制系統(tǒng)等[7-10]?？傮w來說，雖然我國在農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制技術(shù)的應(yīng)用上取得了一些進(jìn)展，但與歐美發(fā)達(dá)國家相比，還存在一定的差距。目前，我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械仍以傳統(tǒng)的小中型為主，電液控制技術(shù)相對簡單，工程應(yīng)用水平有待提升，自主創(chuàng)新能力也需加強(qiáng)。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械電液技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著科技的進(jìn)步和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)，電液控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用日益顯著，尤其在玉米收獲機(jī)械、高速播種機(jī)械、大功率牽引機(jī)械、青貯收獲機(jī)械和棉花采收機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛而深入的應(yīng)用?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的電液控制技術(shù)及產(chǎn)品以定制化、精準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)化和智能化發(fā)展為重要標(biāo)志。

2.1 定制化和模塊化

針對不同農(nóng)作物、不同地域作業(yè)條件，以及種植及采收的特定需求，農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制系統(tǒng)采用定制化設(shè)計(jì)（圖1），確保其能夠適應(yīng)多樣化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景。如青貯收獲機(jī)械中的電液控制系統(tǒng)可根據(jù)作物的成熟度、濕度和密度等因素進(jìn)行精細(xì)化調(diào)節(jié)，調(diào)整割臺高度、滾筒轉(zhuǎn)速和切斷長度等，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)收割。定制化還體現(xiàn)在滿足特殊作業(yè)要求上，如智能化變量施肥播種機(jī)可以根據(jù)土壤肥力分布情況精確控制播撒量和深度，達(dá)到合理施肥、節(jié)約資源的目的。

模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的重要方向，電液控制技術(shù)通過模塊化設(shè)計(jì)可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高裝配效率，并方便維護(hù)與升級。如液壓閥組采用模塊化設(shè)計(jì)后，可以根據(jù)具體功能需求靈活配置，快速構(gòu)建適應(yīng)不同工況的電液控制系統(tǒng)。模塊化電液驅(qū)動(dòng)元件和控制器允許用戶根據(jù)不同的工作負(fù)載、動(dòng)作序列進(jìn)行自由組合，這種靈活性不僅降低了生產(chǎn)成本，還能縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，有利于企業(yè)快速響應(yīng)市場需求變化。在維修保養(yǎng)方面，模塊化設(shè)計(jì)使得部件可獨(dú)立更換和維護(hù)，大大減少了因故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用效率和壽命。

德國Rexroth 公司推出的SBx4 New Generation ofTractor Valves（圖2）采用模塊化設(shè)計(jì)理念，通過功能閥片之間及單閥片與先導(dǎo)電磁閥的模塊標(biāo)準(zhǔn)化組裝來滿足不同品牌大功率拖拉機(jī)的機(jī)械、電氣等控制配置需求，最大工作壓力25 MPa，最大工作流量120 L/min，控制壓力范圍1.7～2.5 MPa，單閥片厚度44 mm。采用中間進(jìn)油兩側(cè)最大各疊加6 片功能閥片、單側(cè)進(jìn)油最大可疊加10 片功能閥片的設(shè)計(jì)方式。

農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制技術(shù)及產(chǎn)品定制化和模塊化設(shè)計(jì)理念，有效促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備制造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和升級換代，同時(shí)也能應(yīng)對復(fù)雜多變的農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境和有助于提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能水平，推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化向更高質(zhì)量、更高效益的方向發(fā)展。

2.2 自動(dòng)化和精準(zhǔn)化

農(nóng)業(yè)機(jī)械集成先進(jìn)的電液比例控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作，如大功率拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛、寬幅大喂入量收獲機(jī)自動(dòng)調(diào)整作業(yè)參數(shù)等，電液控制系統(tǒng)與高精度GPS 導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航及轉(zhuǎn)速、姿態(tài)、位置等各類傳感器融合，結(jié)合復(fù)雜的算法來確保農(nóng)業(yè)機(jī)械按照預(yù)設(shè)路徑精確行駛和作業(yè)。

基于大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，農(nóng)機(jī)具可以具備一定程度的自主決策能力，根據(jù)行駛速度、土壤濕度和作物生長狀況等因素自動(dòng)調(diào)整耕作深度或播種量。如采用電液比例閥、伺服閥等高頻響液壓元件，農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠根據(jù)不同地塊的肥力差異、土質(zhì)軟硬和坡度排水等復(fù)雜工況精準(zhǔn)施加控制，實(shí)現(xiàn)變量施肥、高速播種和開溝鋪管等，有效提高資源利用率并減少能源消耗。借助高精度位置傳感器和反饋控制系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠在執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)作時(shí)保持極高的位置精度（圖3）和動(dòng)作同步性，如高速播種機(jī)通過比例壓力調(diào)節(jié)閥精確控制播種深度，鹽堿地深松整地機(jī)通過比例伺服閥準(zhǔn)確控制犁刀入土深度等。

美國Precision Planting 公司推出的Delta Force 自動(dòng)下壓力電液精準(zhǔn)控制系統(tǒng)（圖4），用液壓缸、壓力傳感器、比例壓力閥取代傳統(tǒng)播種機(jī)上的剛性彈簧或蓄能器，自動(dòng)下壓力的起始標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)所選的壓力閥最小值設(shè)定值，在不同播種速度和不同土壤條件下設(shè)定不同的下壓力。Precision Planting 公司的高速播種機(jī)可以根據(jù)用戶的需求，進(jìn)行模塊化拼接。

電液控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、精準(zhǔn)化還體現(xiàn)在對不同作業(yè)環(huán)境的快速適應(yīng)上，如根據(jù)土壤硬度、天氣條件等因素動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)工作模式，保證動(dòng)力系統(tǒng)始終處于最佳工作效率。電液控制技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了農(nóng)業(yè)機(jī)械從傳統(tǒng)機(jī)械向精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。

2.3 電驅(qū)化和智能化

農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制系統(tǒng)的電驅(qū)化和智能化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的重要趨勢。電驅(qū)化是指農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)力系統(tǒng)由傳統(tǒng)的燃油驅(qū)動(dòng)向電力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，智能化是指通過引入先進(jìn)的傳感技術(shù)、控制算法和通信技術(shù)，使農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠自主感知、決策和執(zhí)行，從而提高作業(yè)效率和精度。

在電驅(qū)化方面，隨著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步和電機(jī)控制技術(shù)的日益成熟，越來越多的農(nóng)業(yè)機(jī)械開始采用電力驅(qū)動(dòng)（圖5）。電力驅(qū)動(dòng)不僅環(huán)保、能源效率高、噪聲低和維護(hù)成本低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的速度和力矩控制，從而提高作業(yè)質(zhì)量和效率。此外，電力驅(qū)動(dòng)還可以與可再生能源技術(shù)結(jié)合，利用太陽能、風(fēng)能等清潔能源為農(nóng)業(yè)機(jī)械提供動(dòng)力，進(jìn)一步降低運(yùn)營成本并減少對環(huán)境的影響。部分農(nóng)業(yè)機(jī)械引入了混合動(dòng)力技術(shù)，電動(dòng)馬達(dá)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)結(jié)合，既能實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，又能保證農(nóng)忙時(shí)節(jié)長時(shí)間作業(yè)的穩(wěn)定性和續(xù)航能力[11]。

在智能化方面，農(nóng)業(yè)機(jī)械引入智能傳感技術(shù)、控制算法和通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)感知、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行。如國外的谷物聯(lián)合收獲機(jī)利用GPS 定位、導(dǎo)航和控制、激光雷達(dá)、攝像頭等多種傳感器技術(shù)和先進(jìn)算法，與行走柱塞電比例控制和高精度電液轉(zhuǎn)向等控制系統(tǒng)融合，可實(shí)現(xiàn)厘米級以上的精準(zhǔn)導(dǎo)航和自動(dòng)駕駛[12]。同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，農(nóng)戶可以隨時(shí)了解農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)情況和作物生長狀況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理（圖6）。

德國CLAAS 公司推出了一種新型電液混動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可優(yōu)化作業(yè)效率并降低油耗。在收獲作業(yè)工況良好時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)多余能量會轉(zhuǎn)化為電能儲存；工況不佳時(shí)，電能釋放以提升機(jī)械液壓驅(qū)動(dòng)，保證負(fù)載峰值平穩(wěn)，保持農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)時(shí)的最佳性能。借助這一創(chuàng)新，400 kW 的發(fā)動(dòng)機(jī)可在更低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，并配備40 kW 電機(jī)和3 kW·h 電池， 田間試驗(yàn)顯示可降低10% 油耗。

農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制系統(tǒng)的電驅(qū)化和智能化有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低運(yùn)營成本，減少對環(huán)境的影響，推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場景的不斷拓展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的電驅(qū)化和智能化水平還將進(jìn)一步提升。

2.4 數(shù)據(jù)化和物聯(lián)化

農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)化和物聯(lián)化是現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵組成部分。數(shù)據(jù)化是指通過收集、處理和分析大量數(shù)據(jù)來優(yōu)化決策和操作的過程，物聯(lián)化是通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械與數(shù)據(jù)平臺的互聯(lián)互通，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制和智能化管理。

在數(shù)據(jù)化方面，農(nóng)業(yè)機(jī)械安裝各種傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)收集土壤條件、氣候、液壓驅(qū)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)、作業(yè)效率等多方面的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和分析后，對提高作業(yè)狀態(tài)預(yù)測精度有重要作用，可以幫助農(nóng)戶和專家做出更明智的決策[13]。如分析土壤濕度和養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，可以生成養(yǎng)分處方圖，導(dǎo)入農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制系統(tǒng)，可以按需控制電液比例閥速度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)撒施肥料計(jì)劃，提高作物產(chǎn)量、減少肥料浪費(fèi)。

物聯(lián)化使得農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠通過網(wǎng)絡(luò)相互連接，并與中央控制系統(tǒng)或云平臺進(jìn)行通信。農(nóng)戶或農(nóng)業(yè)管理人員可以隨時(shí)隨地通過智能手機(jī)、平板電腦或其他設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)、作業(yè)進(jìn)度和性能數(shù)據(jù)。此外，物聯(lián)化還使得不同類型農(nóng)業(yè)機(jī)械之間能夠協(xié)同作業(yè)，如一臺青飼收獲機(jī)可以將其位置和工作狀態(tài)實(shí)時(shí)信息共享給配合的多臺青貯飼料轉(zhuǎn)運(yùn)車，收獲機(jī)拋料系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)車廂的平面位置和滿載高度，控制轉(zhuǎn)臺馬達(dá)和拋料油缸的角度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)車無縫跟隨作業(yè)銜接，提高飼料的收集效率。根據(jù)作業(yè)信息，科學(xué)地組織和優(yōu)化作業(yè)路徑，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)協(xié)同調(diào)度多種農(nóng)業(yè)機(jī)械，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用效率[14]。

農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)化和物聯(lián)化能夠顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)度、效率和可持續(xù)性。利用這些先進(jìn)技術(shù)，農(nóng)戶和企業(yè)可以更好地應(yīng)對氣候變化、市場需求和資源限制等挑戰(zhàn)，進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和升級。

3 結(jié)束語

本研究分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)及其他前沿信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和應(yīng)用，電液控制技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的重要性不斷凸顯，農(nóng)業(yè)機(jī)械電液控制技術(shù)與智能化的融合將進(jìn)一步加速，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來革命性變革。智能化電液控制技術(shù)不僅能夠減少人力需求和提高操作精度，也是實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)、環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要驅(qū)動(dòng)力，發(fā)展前景廣闊。然而，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，電液控制技術(shù)的成本、操作復(fù)雜性及用戶的適應(yīng)性等問題依舊是在我國農(nóng)業(yè)機(jī)械上推廣使用面臨的主要問題。政府相關(guān)部門、高等院校、科研院所和生產(chǎn)企業(yè)等應(yīng)通力協(xié)作，共同推動(dòng)電液控制技術(shù)的創(chuàng)新、發(fā)展，以及在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的普及應(yīng)用，使我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化邁向智能化、自動(dòng)化和高效化的新時(shí)代。