精准农业装备液压驱动与控制发展建议.pdf

液 压 气 动 与 密 J Ir／20 1 4 a句 l O a l d o i l O ．3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ．2 0 1 4 ． 1 0 ．0 2 2 精准农业装备液压驱动与控制发展建议 王长 江 T h e De v e l o p me n t P r o p o s a l f o r P r e c i s i o n Ag r i c u l t u r e E q u i p me n t Hy d r a u l i c Dr i v e a n d Co n t r o l W A N G C h a n g -j i a n g 中国液压气动密封件工业协会 ， 北京 1 0 0 8 2 3 摘要 介绍了精准农业的重要性以及我国农机液压件的现状 ， 指出精准农业需要我们液压行业提供两项关键技术 现代电液犁深控 制系统 、 自动恒速控制变速箱技术， 而这两项关键技术在我国目前还是空白。 关键词 精准农业 ； 高精度电液犁深控制 ； 液压I V T 变速箱； G P S自动轨迹控制 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 4 1 0 0 0 7 0 一 o 4 0 前言 2 0 1 4年 中央 1 号文件 关 于全 面深化农村改革加 快推进农业现代化的若干意见 指出 抓紧构建新形势 下 的国家粮食安全战略 。把饭碗牢牢端在 自己手上 ， 是治国理政必须长期坚持的基本方针。综合考虑国内 资源环境条件、 粮食供求格局和国际贸易环境变化， 实 施以我为主、 立足国内、 确保产能、 适度进口、 科技支撑 的国家粮食安全战略。并明确提出 加快推进大田作 物生产全程机械化 ， 主攻机插秧 、 机采棉 、 甘蔗机收等 薄弱环节 ， 实现作物品种、 栽培技术和机械装备的集成 配套。 农机工业发展规划 2 0 1 1 - 2 0 1 5 年 确定 农机工 业到2 0 1 5 年要实现总产值4 0 0 0 亿元人民币， 出口贸易 额将达 1 2 0 亿美元， 占全行业销售额的2 0 ％。同时国家 又提出了“ 精准农业” 的战略目标。 “ 精准农业” 是指大 面积的农田实现深耕细作、 均匀播种、 施肥高度量化和 均匀， 机械化农业护理、 机械化收割。其中， “ 现代、 高 效大马力拖拉机及关键零部件 7 4 千瓦以上 ” 被列入 第一个重点项 目。并预计“ 十二五 ” 期 间大 中型拖拉机 总需求量 1 6 0 万台左右 ， 平均每年 3 0 多万台 ， 到 2 0 1 5 年 4 0 万台左右。 现在应立即动手靠全行业的力量 ， 让我国的液压 与新型农业机械同步发展 ， 以满足精准农机的需求 。 接受工程机械发展的教训， 主机靠国外液压技术发展， 当主机发展到一定规模时受国外液压供应商在技术和 经济方面的制约， 而国内液压企业在走根本走不通的 仿制的道路。不仅影响主机技术进步 自主创新， 而且 使我国液压工业丢尽 了面子 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 3 1 作者简介 王长江 1 9 4 4 一 ， 男， 中国液压气动密封件工业协会专家委副 主任。 7 0 1 目前我国农机液压件 的状况 我国的农机液压件已经具备规模 ， 比如说中小型 拖拉机悬 挂系统用 的齿轮泵 、 分配器 、 提升缸 ； 各种拖 拉机、 联合收割机转向用的液压转向器； 各种收割机转 动系统用 的摆线马达 ； 中小型联合收割机行走用 的 H T S 静液压传动系统； 水稻插秧机深度控制用的液压 仿形阀， 这些液压元件支持了中国3 0 0 0 多个亿的农机 行业。由于我国的大型精准农机的需求刚刚开始， 我 们还没有相应的高端液压元件 ， 特别缺少两大关键液 压技术 ①大拖拉机用高精度电液犁深控制液压元件 和系统； ②大拖拉机用的液压I V T 变速箱。 2 精准农业机械关键液压技术 根据国外的经验， 可以从精准农业那里再要一个 1 0 ％的粮食增长。我们粮食增长 ， 不能总仅仅靠种子， 要想办法通过机械化来增长粮食 ， 这样大家吃的粮食 感到更放心。用机械化解决粮食增长， 我们国家是有 具体措施的， 比如说精耕细作， 现在梨深 1 2 0 ～ 2 0 0 m m， 要增加到 2 0 0 3 5 0 m m， 而且保证犁过 的土地深度一 致。因为只有深耕 ， 粮食才能增长。那么精准农业需 要我们来解决哪些具体问题呢 拖拉机大型化 1 0 0马力以上 。2 0 世纪 9 0 年代 ， 新闻联播里就说北大荒花了1 亿人民币买了1 0 台拖拉 机 ， 这说明国家非常重视大型拖拉机。这些高端的拖 拉机、 收割机都有 自动轨迹控制， 通过G P S 来实现。在 北大荒 ， G P S 的第一个功能就是必须保护司机能开回 家去， 在那里， 开拖拉机一天以后， 都找不到自己家在 哪了， 地太大了。更重要的是保证拖拉机犁地时的轨 迹控制 ， 即不能有没犁到的土地 ， 又不重复犁地破坏土 地 的墒和深度均匀性 。收割机又保证收割不漏行 ， 不 丢秣。这使粮食大幅度增产， 并节省下大量的劳动力 用于粮食深加工， 取得了惊喜的经济效益。 Hyd r a ul i c s P ne u m a t i c s Se a l s ／ No ． 1 0． 2 0 1 4 现代农业还需 要农机的物联 网功能 ， 要求收割机 或者拖拉机必须能估算 出产量 ， 因为 国家要通过农机 物联 网了解我们 的粮食安全 问题 。如果机器没有上述 功能 的话 ， 它算的产量就不准 ， 比如 收棉花 ， 不仅要收 进来， 还要考虑到棉花的含水量不一样， 怎样排除棉花 的含水量 ， 来真实地报出棉花的亩产量 ， 然后 国家才能 知道今年的收成怎么样。 综 上所述 ， 精准农业需要 我们 液压提供两项关键 技术 ， 而这两项关键技术在我 国目前还是空 白。 1 现代 电液犁深控制系统 大家都 知道如果种子发芽长 出的苗都一样高 ， 它 们互相要争夺阳光和空气 ， 就会长的又直又高。但如 果犁地 的深浅不一致 ， 种子发芽有早有晚 、 有深有浅 ， 粮食产量就不高。国外做过一个实验 ， 如果苗不是一 起发 出来 ， 延迟 8 天出苗 ， 产量就 降低 1 5 ％， 延迟 1 2 天 出苗 ， 产量降低 3 0 ％。研究证 明如果拖拉机的犁深控 制系统做好 的话 ， 是可以得到 1 0 ％的粮食增长 ， 这是我 们现在考虑精准农业 的一个重要理 由。所 以在 国外 、 在 我 国北大 荒 、 新疆 等地 都使 用大 型拖 拉机 犁 深 系 统。精准的土地犁深是靠两个方向的精度合成的 犁 的位置控制和拖拉机恒速产生 的均匀拉力 ， 没有这个 功能大面积的犁深均匀性就不能保证 。 犁深控制系统可以控制前后机具的旋转、 升降， 用 来调节犁的深浅、 犁的位置， 还可以实现自动减震 ， 使 拖拉机在农 田道路上克服坑洼不平引起 的拖拉机颠 簸 ， 防止拖带大型多轮多犁铧引起 的拖拉机翻车事故 。 这套系统是通过一个 比例 阀经过电子运算后来调 节犁的高度的。在这个系统当中， 除了使用力传感器、 位置传感器、 速度传感器以外， 还需要一个激光传感器 或者超声波传感器来检测车速 、 轮子 的直径来计算转 速。当算出转速不对时， 说明打滑了。为什么会打滑， 因为犁太深拉不动了 ， 这时就要抬起来一下 ， 自动的进 行防滑系统的运行 。 图 1 就是 比例多路 阀外形 图。图 2 是犁深控制 系 统方块 图 ， 它有这样 一个功能 ， 除了进行 闭环控制 ， 进 行 P I D调整 以外 ， 还要进行位 置反馈 、 力反馈 ， 就必须 有两 个 P I D通路 ， 一个 叫做 速度通 道 ， 一个 叫做 力通 道 ， 也就是说犁深控制系统 ， 必须是位置和力一起控 制 。比如设定拖拉机耕地深度 2 5 0 mm， 当遇到土地板 结的时候 ， 力的传感器就会发出信号， 并根据司机开始 设定的力的影响 ， 来计算以及输出到速度环节进行修 正 ， 可以让犁略微抬起 ， 克服瞬间板结 的土地 ， 这样犁 就能保证它的犁深 。 佗移传感器 图 1 比例 多路阀外形图 力传感器 图2 犁深控 制系统 方块图 图3 是一种实现上述控制的多路 阀， 这阀有什么特 点呢他把普通 的多路 阀分成两块 ， 变成两个 阀， 这两 个阀一个是管提升的 ， 一个是管下降的 ， 为什么要两个 阀呢， 因为控制下降的阀带有支撑的功能， 如果不打开 的话 ， 单 向阀就把 油缸支撑在那 ， 不会因为阀的泄漏 ， 使得犁下降， 一直保持提升的状态 。图4 是另一种结构 的 比例 多路 阀。大 同小异 ， 既要 控制位置 ， 又要控制 力， 同时有一个防滑控制。一般来说 ， 在犁深系统当 中， 对于后悬挂的犁深 ， 单向控制就行， 他的下降是 自 动的， 上升是需要控制的。但对于前悬挂， 上升、 下降 都要控制 。他可 以单向、 双向都可以进行控制 ， 我们将 来生产的多路阀必须具备这个功能。 在多路 阀当中， 为了接线简单无误 ， 并保证野外作 业的I P 保护等级， 都是通过 C A N总线的模块式结构。 如果没有 C A N总线 ， 上位机或者总控器给某一个 阀发 出指令时 ， 给的就是一个指令值 ， 阀回一个状态值。如 果有 C A N总线以后 ， 因为 C A N总线 是把信息打包发过 来的， 发来的帧带过来很多信息 第几联阀该动； 它的 开度应该 是多大 ； 是否要调谐波 、 调梯度 、 调 曲线 的形 状等。返回来的信号有 错误在哪、 哪儿出故障； 线圈 7】 液 压 气 动 与 密 t a - ／ 2o1 4年 第 1 0期 的温度是多少、 是否影响你的特性； 阀芯的位置、 开口 量 。所 以有 C A N总线 以后控制功能大大加强 ， 可 以保 证这样复杂的犁深系统能正常工作。 5 4 3 2 ● i l ⋯ 一 ． r _ 圈一 薄 R Y P 图 3 多路 阀 一 一- 举 6 A R 图4比例 阀 由上述可以看出， 犁深控制系统的优点 1 犁深控制， 可以控制深度、 精度； 2 主动减震控制， 可以使拖拉机带悬挂仍能平稳 快速行驶 ； 3 前悬挂位置控制 ， 前悬挂比如收割、 撒种子或 者是耘地 ， 可以检测跟地面的相对速度， 经过运算， 犁 深系统就能控制油缸 ， 保证贴着地面走， 不至于把刀具 打坏； 4 耙地 自动恒压力控制 ， 地耕完 以后要耙地和耘 地， 可给地面一个恒定的压力值； 2 自动恒速控制变速箱技术 仅有犁深控制系统是不能保证犁地质量的， 因为 即使土地的松软程度一样 ， 但如果车开的速度不一样， 犁深 的力就不一样 。当开快 了以后 ， 这个犁深 系统就 会出现打滑， 就把犁抬起来 ， 等你开慢 了， 又回来了。 所以我们用机械犁深系统犁出了一条不规则曲线 ， 用 电液梨深系统最后出来的可能是个方波， 还是一会儿 高， 一会儿低。所以我们说要想达到犁深系统保证粮 食增长的话， 大拖拉机 我们在中央一号文件提出来 7 2 的 ， 主要发展大拖拉机 必须有个恒速功能。犁地的时 候 ， 拖拉机恒速运行， 犁深 自动控制 ， 这时犁出来的沟 一 定是最合适的， 能够保证粮食增长。所以大拖拉机 作业是必须有恒速或巡航速度功能。 在进口拖拉机中， 都专门有一个恒速控制的系统 巡航导速控制系统。在开始准备犁地时， 根据作 业要求、 犁深以及以往的经验或是有关的计算， 设定一 个速度 。速度设定 以后 ， 其实就是一个巡航系统 ， 拖拉 机以恒速在 田里走 ， 也就是犁基本是恒速 的， 再加上犁 深 自动控制 ， 所 以犁 出来 的地就达到我们 的要求 了 。 要想恒速 怎么办 ， 毫无疑问 ， 这个工作给 了变速箱 了。 行走机械都需要变速箱， 如果拖拉机的变速箱解决了， 其他像装载机、 军事机械、 重型卡车的变速箱也就迎刃 而解 ， 因为拖拉机的马力是很大的， 我们估算一下， 在 各个行业这种能够 自动换挡的变速箱在中国的年需求 量有 3 6 万 台 见图5 。 [ 甄困 ， ● ’ 匡 圃口蜜 匪麴匡茎 耍 蜀 一装载机 一 1 0 0 H P 以 一 平地机 上拖拉机 一大型起重机 约 l O 万台 *正面 吊 约2 O 万台 一战略导弹车 - 2 0 吨以上 孽 銎 妻 约 5 万 台 一装甲车 ⋯ ⋯ 约 l 万 台睡正画 图 5 自动换挡 的变速 箱在 中国的需求 现在我 国重型车辆和拖拉机没有做 自动变速箱的 厂家， 我们的变速箱都不会 自动换挡， 更没有办法实现 所谓的恒速控制， 因为有几个关键技术未能解决 ①换 档速度同步； ②如何实现无级 极 调速 ； ③混合动力， 手动换挡做混合动力就很困难。我们必须克服这三个 问题 ， 才能解决变速箱的自动换挡。大家知道变速箱 有 以下几种 1 机械变速箱 MT ； 2 机械 自动变速箱 A MT； 3 机械双离合器变速箱 D S G D C T ； 4 液力机械无级自动变速箱 A T ； 5 液压机械混合动力变速箱 C V T I V T 。 在小汽车里这几种变速箱都用到 ， 而 目前小汽车 里用的最多的是C V T ， 在卡车里用的最多的是M T 、 A T ， 在装载机 中用 到的 A T ， 所谓 A T就是液力变 矩器加上 齿轮变速箱， 所谓 M T 就是纯机械的换挡变速箱通过同 步器来换挡 ， 所谓 D C T就是双离合器变速箱 ， A MT就是 液压变矩器加一个变挡变速箱 ， 用电子控制实现 自动 换挡。现在拖拉机的变速箱或者说这类机器的变速 Hy dr a ul i c s Pne u ma t i cs S e a l s ／ No． 1 0 ． 201 4 箱 ， 都逐渐要从 A T ， MT， 和 A MT ， 向两种变速箱来发展 ， 一 个 叫 D C T ， 一个 叫 I V T I n fi n i t e V a ri a b l e T r a n s m i s s io n ， 特别是 I V T 变速箱是拖拉机和装载机发展趋 势。静液压传动很容易实现连续动力无级变速， 但问 题 是 泵 的变矩系数 只有 2 ． 5 ， 马达的最大变矩器 只有 4 ， 4 x 2 ． 5 1 0 ， 扭矩 比只有 l 0 ， 拖拉机 的扭矩增加 1 1 0 是 不够的 ， 怎么解决 一种是液力变矩器加上机械变挡 变速箱 ， 他的问题是液压变矩器效率低 ， 因为液力变矩 器的原理告诉 我们 ， 液力变矩器输 出的扭矩是 和输入 的转速平方成 比例的， 你要想让拖拉机有最大的牵引 力 ， 就必须把柴油机 的油 门踩到最大 ， 可是 踩到最大 ， 车又不动 ， 因为有 阻力 ， 那么最后泵轮和涡轮产生巨大 的滑转差 ， 能量全都变成了热量 ， 因此效率低， 液力变 矩器有高效区， 对于拖拉机、 工程机械来讲 ， 大部分工 作时间在工作启动和高速的转场， 恰恰在这两个状态 下液力变矩器效率极低 ， 所以使用A T 或者使用A M T 这 样的变速箱效率比较低。过去的解决方法， 把静液压 再加一级固定速比的变速箱 ， 就可以扩大了， 1 0 加 1 2 的速 比就变2 O 了 ， 加 1 3的速 比就变 3 0了 ， 但是不能换 挡 ， 它是 固定 挡 的。所 以人们就 在想办 法 ， 到 目前 为 止 ， 应该说在车辆当中， 用的最多的， 也是比较成熟的 就是 A M T 变速箱 ， 是液力变矩器加一个 自动换挡变速 箱 ， 但是这个 自动换挡他一定会出现一个叫动力断档 的换挡方式， 这种动力断档的变速箱， 如果搁在拖拉机 上 ， 跑运输可 以 ， 要用它犁地 ， 显然没有 办法 满足拖拉 机的恒速 的要求 。 还有一种变速箱 叫C V T ， 他可以解决这个 问题 ， C V T 就是连续的动力不 间断的连续换挡 ， 显然这种 C V T 的变速箱挺好 ， 我们现在小汽车用的都是 C V T 的 变速箱， 踩着油门就走 ， 松了油门就站住了， 踩的越大 走的越快。那么他用什么原理来实现的呢很简单， 我们小汽车里面有一个机械无级变速器 ， 是钢带轮结 构， 皮带轮通过液压控制系统改变钢带传动的直径比， 就能实现无级变速 。它就解决 了不 间断 的动力换挡的 问题 ， 这个变速箱我们就叫C V T ， 那么这样的系统能不 能给拖拉机用呢， 不能， 因为拖拉机的传动扭矩太大 ， 这个钢带、 很难解决。第二个， 这样一个机械无级变速 器， 永远不可能实现零速。那这样也不符合我拖拉机 的使用 ， 拖拉机必须要从零速开始。我们再想办法， 现 在又出了一种新变速箱 ， 这种新变速箱的名字叫I V T ， I V T 是用静液压的系统动马达作为变速器的， 代替刚才 的钢带式的机械无级变速器， 动马达摆角为零了， 如果 泵再为零 ， 车速就能从 0 速开始 ， 所以第一个问题解决 了 ， 第 二个 问题 呢 ， 静液压 系统做 的变速器 ， 比液力变 矩器效率更高， 这正好是拖拉机节能所需要的， 世界上 研究 C V T的人 ， 一部分就分 出来 了， 把 C V T 改成 了 I V T ， 这个变速是无限的无级变速。实质上这样一种变 速器在 2 O 世纪 8 0 年代已经非常成熟地应用在拖拉机 上了， 但在我国是空白。 图 6 l V T变速箱 图 6 为 I V T变速箱 的示 意图 ， 上面是齿轮结构 ， 下 面是一个斜盘泵、 一个斜轴马达。中国该发展 I V T变速 箱了， 原因很简单 第一拖拉机在上世纪8 O 年代就在 用 ， 是一个成熟的技术 ； 第二军用车辆也需要 ， 因为 I V T 体积小 ； 第三比D C T 可靠； 第四在重型卡车上使用价格 上较 D C T有空间。第五能满足装载机升级换代技术创 新 的需求 。 配合 下列拖拉机关键技术 ， 就能完成大马力拖拉 机的精准农业要求 1 电子控制无限自动换挡变速箱 ； 2 自动转向控制 ； 3 防滑控制； 4 G P S自动轨迹控制 ； 5 T 4 环保标准环保要求。 电子控制器就是一个机载电脑， 像一个I P A D的东 西， 精密度也高， I T 保护能到 6 5 ， 它除了有I P A D的功 能， 还有大量的总线接 口， 特别是 C A N总线的接口， 液 压件、 变速箱的所有信号都能读 出来 ， 然后用 G P S 控制 。 这样 的 I V T变速 箱用 于装 载 机可 实现 节能 2 0 ％ 以上 。 当前行业、 高校在上述产品技术中都已有一定的 基础 ， 现在当务之急在于产品可靠性要有重大突破， 要 建设高水平试验台取得进人主机配套的准人证。 参考文献 [ 1 ]1 工业和信息化部规划司． 农机工业发展规划 2 0 1 1 - 2 0 1 5 f Z ] ． 北京 工业和信息化部， 2 0 1 1 ． [ 2 】 中华人 民共和国国务院． 关于全面深化农村改革加快推进 农业现代化的若干意见[ z 】 ． 北京 中华人 民共和国国务院， 2 0 1 4 ． 73