水稻旱直播機(jī)液壓系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

付　威，丁　凱，張志元，崔　健，趙永滿

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

0　引言

水稻是稻屬中的一種，作為糧食已具有悠久的歷史[1]。2006年來(lái)，我國(guó)稻谷播種面積連續(xù)10年維持在3 000萬(wàn)hm2左右，稻谷單位面積的產(chǎn)量也逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)(中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，2016)。由于我國(guó)面臨水資源分布不均、嚴(yán)重緊缺等問(wèn)題，影響到糧食作物的生產(chǎn)，而水稻機(jī)械旱直播技術(shù)具有節(jié)水增效的特殊優(yōu)勢(shì)，因此近年來(lái)水稻旱直播面積在我國(guó)增長(zhǎng)較快[2-3]。

我國(guó)水稻旱直播機(jī)研發(fā)以2BD系列為主[1]。2015年，張順等研制了一種水稻精量穴直播機(jī)，采用滾筒窩眼、氣力式吸種和氣吹式清種的播種方式，芽種播種合格率≥85%。2016年，王士國(guó)等研制了一種膜下滴灌水稻穴直播機(jī)，一次可以完成鋪管、覆膜、播種和覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)。2016年，翟建波等研制了一種水稻芽種精量旱直播機(jī)，采用氣力式播種方式，并在種行側(cè)面完成施肥，實(shí)現(xiàn)種肥同施[4-6]。歐美等國(guó)家直播技術(shù)發(fā)展較好，美國(guó)、意大利、澳大利亞等國(guó)家水稻種植技術(shù)主要采用直播技術(shù)。美國(guó)80%以上水稻播種面積采用旱直播技術(shù)；澳大利亞100%的水稻播種面積也采用直播技術(shù)；意大利是水稻機(jī)械直播技術(shù)應(yīng)用最好的國(guó)家之一，目前已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了水稻機(jī)械化播種作業(yè)，98%的水稻播種面積采用水(旱)直播技術(shù)[7-8]。

本文針對(duì)現(xiàn)有旱直播機(jī)整機(jī)仿形性能差、播種質(zhì)量有待提高等問(wèn)題，在對(duì)國(guó)內(nèi)外水稻機(jī)械精量播種技術(shù)研究分析的基礎(chǔ)上，研制了一種水稻精量旱直播機(jī)(2BDH-20型)。為了能夠?qū)崟r(shí)控制穴距，研發(fā)了一套電液比例調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)在觸摸屏上設(shè)定播種穴距，PLC根據(jù)播種速度實(shí)時(shí)調(diào)整液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而控制播種作業(yè)的穴距。

1　液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)水稻旱直播機(jī)播種作業(yè)的穴距要求，設(shè)計(jì)電液比例調(diào)速系統(tǒng)中的液壓系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮排種器的轉(zhuǎn)速、馬達(dá)承受的負(fù)載及液壓系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。流量大小的改變通過(guò)PLC控制比例流量閥的閥口大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的改變。這要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)比例流量閥工作有較高的可靠性，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)液壓原件的靈敏度要求也較高[9-10]。

液壓系統(tǒng)通過(guò)液壓馬達(dá)將動(dòng)力傳遞給20個(gè)排種器，為滿足經(jīng)顯示屏輸入播種穴距要求，通過(guò)監(jiān)測(cè)排種器及地輪的轉(zhuǎn)速將檢測(cè)到的信號(hào)傳遞給PLC，通過(guò)PLC控制比例流量閥的閥口大小調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)整播種穴距大小的目的。穴距調(diào)節(jié)電控工作原理如圖1所示。

1.2系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

1.2.1系統(tǒng)工作流量的計(jì)算

參照國(guó)內(nèi)外播種機(jī)液壓系統(tǒng)的額定壓力，對(duì)液力驅(qū)動(dòng)的播種機(jī)綜合試驗(yàn)臺(tái)工作壓力和實(shí)際工況條件進(jìn)行選取，初步確定液壓馬達(dá)型號(hào)及額定壓力值為4MPa[11-14]。

1)液壓馬達(dá)排量為

(1)

式中Vm—液壓馬達(dá)最大排量(m3/r)；

Tmax—液壓馬達(dá)最大負(fù)載力矩(N·m)；

Δp—進(jìn)、出油口壓差(Pa)；

ηmm—液壓馬達(dá)的總效率，根據(jù)擺線液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)和選型要求，確定馬達(dá)總效率為0.9。

每個(gè)排種器在取種到投種時(shí)的工作扭矩為1～1.5N·m。根據(jù)負(fù)載設(shè)計(jì)的最大要求，確定最大外負(fù)載值Tmax=40N·m(播種機(jī)20行，共20個(gè)排種器)，將系統(tǒng)所初選額定壓力值(Δp)4MPa代入公式(1)中可得

2)液壓馬達(dá)最大流量為

Qmax=Vmnmax

(2)

式中Qmax—液壓馬達(dá)最大流量(L/min)；

Vm—液壓馬達(dá)最大排量(mL/r)；

nmax—液壓馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速(r/min)。

播種機(jī)最高作業(yè)速度4km/h，穴距100mm，排種器0.8m/r(型孔式排種器有8個(gè)型孔)，則n=83.3r/min，取nmax=100r/min。根據(jù)式(1)結(jié)果，液壓馬達(dá)最大排量Vm為69.78mL/r，代入公式(2)中可得

Qmax=Vmnmax=6.98L/min

因此，根據(jù)以上計(jì)算所得液壓系統(tǒng)的液壓馬達(dá)最大流量，綜合考慮液壓系統(tǒng)在工作過(guò)程中存在壓力損失等情況，液壓系統(tǒng)最大流量選定需要一定余量，故選用BMR160-2BM型擺線液壓馬達(dá)。

1.油箱　2.地輪測(cè)速傳感器　3.地輪測(cè)速齒盤　4.聯(lián)軸器　5.液泵 6.壓力表　7.液壓馬達(dá)　8.濾清器　9.電液比例流量閥　10.管式球閥

1.2.2系統(tǒng)動(dòng)力元件選型

1)液壓泵額定壓力計(jì)算。液壓泵是為其他執(zhí)行元件提供動(dòng)力的動(dòng)力元件，其最大工作壓力為

pp≥p1+∑Δp

(3)

式中pp—液泵工作時(shí)的最大工作壓力(MPa)；

p1—馬達(dá)工作時(shí)的最大工作壓力(MPa)；

ΣΔp—系統(tǒng)工作中進(jìn)油路的總壓力損失(MPa)。

根據(jù)系統(tǒng)選取的壓力值可知，取p1=4MPa，代入公式(3)得

pp=p1+∑Δp=4.7MPa

2)液壓泵最大流量計(jì)算，則

Qp≥Qv=K(ΣQ)max

(4)

式中Qp—液壓泵最大流量(L/min)；

Qv—系統(tǒng)所需流量(L/min)；

K—系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3；

(ΣQ)max—液壓缸或液壓馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)的最大流量，一般取(0.033～0.05)×10-3m3/s或2～3L/min。

代入數(shù)據(jù)得Qp≥Qv=K(ΣQ)max=9.38L/min。

由額定壓力與最大流量初選液壓泵為VP-SF-40D變量葉片泵。

2　液壓系統(tǒng)仿真分析

2.1基于AMESim的液壓系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)所選擇的液壓元件參數(shù)及設(shè)計(jì)的電液比例調(diào)速系統(tǒng)原理圖，在AMESim12.0仿真軟件中建立仿真模型如圖2所示。

圖2　液壓系統(tǒng)仿真模型

對(duì)各液壓元件及系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)電液比例調(diào)速系統(tǒng)中的實(shí)際參數(shù)設(shè)置諧波信號(hào)源參數(shù)，共設(shè)置20組參數(shù)，參數(shù)設(shè)置頻率和振幅，不考慮相位角的變化，如表1所示。表2為仿真模型中所選關(guān)鍵液壓元件模型的設(shè)置參數(shù)[15-16]。

表1　諧波信號(hào)源參數(shù)設(shè)置

表2電液比例調(diào)速系統(tǒng)仿真模型主要參數(shù)

Table 2Main parameters of electro-hydraulic proportional speed control system simulation model

元件參數(shù)數(shù)值動(dòng)力源電機(jī)1500r/min恒壓泵排量200mL/rev轉(zhuǎn)速1500r/min流量變化時(shí)間0．05s機(jī)械效率0．95限壓閥開啟壓力7MPa流量梯度30L/min/bar

續(xù)表2

2.2系統(tǒng)流量仿真分析

2.2.1系統(tǒng)流量仿真分析

液壓系統(tǒng)仿真參數(shù)根據(jù)表1設(shè)置，通過(guò)設(shè)定PLC控制電路系統(tǒng)輸入信號(hào)進(jìn)行諧波信號(hào)源參數(shù)設(shè)置，對(duì)系統(tǒng)流量進(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)間設(shè)置為10s，1s為諧波信號(hào)的1個(gè)周期，1個(gè)周期有20個(gè)數(shù)組變化。圖3為液壓系統(tǒng)流量圖。在諧波信號(hào)作用下，液壓泵、減壓閥和節(jié)流閥的流量都出現(xiàn)較大的周期性波動(dòng)，但在這3個(gè)液壓元件的作用下，液壓馬達(dá)的出口流量基本保持恒定。結(jié)果表明：通過(guò)PLC控制信號(hào)的輸入，可以穩(wěn)定控制馬達(dá)在系統(tǒng)中設(shè)定某一轉(zhuǎn)速。

2.2.2液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速與輸出扭矩分析

圖4為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速圖。圖4中，電液比例調(diào)速系統(tǒng)在諧波信號(hào)控制下工作時(shí)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速下降，約在1.5s以后馬達(dá)轉(zhuǎn)速呈周期性波動(dòng)；每個(gè)周期為1s，液壓馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速為67.62r/min，最小轉(zhuǎn)速為67.08r/min，轉(zhuǎn)速差為0.54r/min。根據(jù)NY/T987-2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，以理論穴距±15mm為合格，水稻穴距100mm，則穴距誤差小于15%為合格，進(jìn)行誤差計(jì)算。

圖5為液壓馬達(dá)輸出扭矩圖。圖5中，諧波信號(hào)參數(shù)設(shè)定后，馬達(dá)扭矩急劇增大，系統(tǒng)約在0.2s后馬達(dá)扭矩呈周期性波動(dòng)，每個(gè)周期為1s，馬達(dá)扭矩最大值為-81.48N·m(逆時(shí)針為“+”順時(shí)針為“-”)，馬達(dá)扭矩最小值為-54.23N·m，均大于理論設(shè)定40Nm，表明該系統(tǒng)能夠提供安全、可靠的扭矩驅(qū)動(dòng)排種器。

圖3　系統(tǒng)流量

圖4　液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速

圖5　液壓馬達(dá)輸出扭矩

2.2.3信號(hào)輸出和輸入

信號(hào)輸出與信號(hào)輸入(2D)如圖6所示，信號(hào)輸出與信號(hào)輸入(3D)如圖7所示。圖6中，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，節(jié)流閥端口與信號(hào)源直接相連，信號(hào)直接輸入，沒(méi)有延遲和突變，直接做周期性波動(dòng)，每個(gè)周期為1s；減壓閥輸入信號(hào)約0.2s，從0趨于穩(wěn)定，然后做周期性波動(dòng)，每個(gè)周期1s。由圖6和圖7可知：信號(hào)源輸出信號(hào)是無(wú)量綱的諧波信號(hào)，節(jié)流閥和減壓閥的輸入信號(hào)結(jié)果放大，變成103倍。

圖6　信號(hào)輸出與信號(hào)輸入(2D)

圖7　信號(hào)輸出與信號(hào)輸入(3D)

3　結(jié)論

1)水稻旱直播機(jī)液壓系統(tǒng)基于PLC和觸摸屏的電液比例控制，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而滿足了播種作業(yè)時(shí)的穴距控制，以達(dá)到精準(zhǔn)作業(yè)的要求。

2)根據(jù)整機(jī)工作原理和作業(yè)要求，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)方案，經(jīng)參數(shù)計(jì)算后確定液壓系統(tǒng)工作元件選型。在AMESim仿真軟件中，根據(jù)液壓系統(tǒng)工作原理建立了仿真模型，并根據(jù)實(shí)際參數(shù)對(duì)仿真環(huán)境下液壓系統(tǒng)的工作元件進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置。

3)分析結(jié)果表明：液壓泵、減壓閥和節(jié)流閥的共同作用下，系統(tǒng)流量保持平穩(wěn)恒定；液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩都滿足設(shè)計(jì)要求，液壓泵出油口壓力和馬達(dá)進(jìn)油口壓力與計(jì)算數(shù)值符合，說(shuō)明本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能夠保證2BDH-20型播種機(jī)排種器的安全性和可靠性。

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