肖 琪，趙 軍，衣淑娟，王 熙

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展是國(guó)家和人民所關(guān)注的重點(diǎn)。尤其是近年來(lái)，農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)家的扶持、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展等的不斷提升為我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)，其中化肥的施用功不可沒。

20世紀(jì)80年代，化肥的廣泛使用極大地增加了糧食產(chǎn)量。與有機(jī)肥相比，化肥需要較少的勞動(dòng)力并能夠允許農(nóng)民耕種更多的土地，合理的使用會(huì)大幅度增加產(chǎn)量。但是，正如許多學(xué)者指出的那樣，化肥的使用對(duì)我國(guó)的環(huán)境造成嚴(yán)重影響[1]。

化肥是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，被譽(yù)為農(nóng)作物的糧食[2]。過(guò)量施肥會(huì)導(dǎo)致莊稼的生產(chǎn)能力下降，加劇環(huán)境和大氣的污染；而且還浪費(fèi)了很多的肥料，致使肥料的利用率降低，這個(gè)問題一直以來(lái)是我們國(guó)家關(guān)注的焦點(diǎn)[3]。

為了使農(nóng)民得到更好的收益，減少過(guò)量施肥給農(nóng)民帶來(lái)的一系列麻煩，以及對(duì)田間環(huán)境得到有效的保護(hù)，需要堅(jiān)持走農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展路線，使變量施肥技術(shù)達(dá)到一個(gè)更高的水平[4]。變量施肥肥料技術(shù)采用的控制器類型主要有PLC、ARM和單片機(jī)等，常用的定位系統(tǒng)主要有 DGPS 和 GPS 等，變量施肥排肥機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器主要有步進(jìn)電機(jī)、液壓馬達(dá)、伺服電機(jī)及電磁比例閥等[5]。低速大扭矩、控制精度高和響應(yīng)速度快是閥控液壓馬達(dá)變量施肥系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，其具有良好的調(diào)速范圍，適合應(yīng)用于變量施肥的試驗(yàn)研究中[6]。

由于液壓傳動(dòng)功率質(zhì)量比大，且具有易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速、自動(dòng)控制與過(guò)載保護(hù)等方面的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)[7]，使得液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不但在機(jī)械裝置上被應(yīng)用，而且在各種設(shè)備上也得到了廣泛的應(yīng)用，已成為農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化技術(shù)的有效應(yīng)用手段[8]，液壓技術(shù)的應(yīng)用程度已成為評(píng)定一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志。傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)裝置主要考慮的是系統(tǒng)的工作能力、可靠性及成本，不注意系統(tǒng)的效率和精準(zhǔn)度，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。為此，本文進(jìn)行了變量施肥液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究。

1 變量施肥液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

變量施肥液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓泵站、比例型流量控制插裝閥及液壓馬達(dá)等元件組合而成[9]。PID控制器通過(guò)控制車速、排肥軸轉(zhuǎn)速及施肥量等信息，采用脈沖頻率檢測(cè)技術(shù)，將傳感器轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM輸出；利用比例型流量控制插裝閥輸出的流量進(jìn)而控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)排肥量的精確控制。該系統(tǒng)具有控制精度較高、調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)，比例型流量控制插裝閥開度決定了流經(jīng)液壓馬達(dá)的液壓油流量大小，從而改變液壓馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)速大小。因此，變量施肥液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變速的工作原理是通過(guò)調(diào)節(jié)比例型流量控制插裝閥開度來(lái)實(shí)現(xiàn)的[10]，如圖1所示。

圖1 變量施肥液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理示意圖

2 液壓驅(qū)動(dòng)元件的選用及工作原理

2.1 液壓馬達(dá)的參數(shù)及選用

由于進(jìn)口液壓馬達(dá)價(jià)格較高，導(dǎo)致性價(jià)比不高。因此，從性價(jià)比的角度考慮選擇鎮(zhèn)江大力液壓馬達(dá)有限責(zé)任公司BMP160型液壓馬達(dá)。BMP160型液壓馬達(dá)可以與各種油泵、閥及液壓附件配套組成傳動(dòng)裝置，滿足各種機(jī)器的工況。因此，選用了BMP160型的液壓馬達(dá)。BMP160液壓馬達(dá)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 BMP160型液壓馬達(dá)主要技術(shù)性能參數(shù)

馬達(dá)的結(jié)構(gòu)選用了一種小體積、經(jīng)濟(jì)型軸配流BMP系列的擺線液壓馬達(dá)，排量為160L。其主要特點(diǎn)是體積小，節(jié)約空間，壽命長(zhǎng)。其中，安裝法蘭的規(guī)格尺寸選用2-?13.5菱法蘭,止口?82.5×8;軸伸的規(guī)格尺寸選用?25 軸,平鍵 8×7×32；進(jìn)出油口的規(guī)格尺寸選用M22×1.5；板式 4×M8, M14×1.5。軸密封承壓高，可串、并聯(lián)試用；采用了世界先進(jìn)的加工方法，具有先進(jìn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

表1中的額定流量、壓力下的輸出值為55，也就是額定轉(zhuǎn)速、扭矩。該排量馬達(dá)可以連續(xù)工作的最大值就是連續(xù)值。該排量馬達(dá)在1min內(nèi)工作6s的最大值就是斷續(xù)值。該排量馬達(dá)在1min內(nèi)工作0.6s的最大值就是峰值，從圖表中可以清晰地看出它的性能[11]。

2.2 液壓泵站的主要零部件參數(shù)及選用

液壓泵站選用WZWF160E-D型泵站，泵裝置布置形式為上置臥式；變量葉片泵最大流量20L/min；油箱最大容量為160L；電機(jī)功率為3kW；工作壓力為6.3MPa；液壓輸出為2路手動(dòng)換向閥，輸出可快速連接；顯示儀表為壓力表；泵站可移動(dòng)式，有固定腳；外形尺寸700mm×600mm×600mm(不含底座)。其主要零部件明細(xì)如表2所示。

表2 主要零部件參數(shù)

續(xù)表2

2.3 調(diào)速閥的工作原理及型號(hào)的選用

調(diào)速閥選擇PV08-30 比例型流量控制插裝閥。PV08-30 比例型流量控制插裝閥是一種控制液壓系統(tǒng)的壓力和流量的比例型閥門，可運(yùn)用很小的壓差來(lái)追蹤負(fù)載壓力，控制泵的壓力，是一種節(jié)能型閥。

PV08-30 比例型流量控制插裝閥的工作原理：PV08-30用于調(diào)節(jié)油口的流量，不受系統(tǒng)工作壓力的影響；隨著電磁閥中電流的增大，PV08-30 的輸出流量也將增大。如果設(shè)備的優(yōu)先流量油口被外閥封閉(死點(diǎn))，將該閥用于旁通流量控制時(shí)，就需要在優(yōu)先油口處設(shè)置一個(gè)小的卸油孔。它的性能如圖2所示。

圖2 PV08-30 比例型流量控制插裝閥性能圖

2.4 旋轉(zhuǎn)編碼器的選用

旋轉(zhuǎn)編碼器是集光機(jī)電技術(shù)于一體的速度位移傳感器，主要是用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的，它與PWM技術(shù)結(jié)合起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)一種快速調(diào)速的裝置。本文中旋轉(zhuǎn)編碼器選用的型號(hào)為HN80-25L11G10-30FA2500B-S4B，脈沖2500P/R;軸25mm，適用壓力源為10～30V。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 變量施肥控制函數(shù)

根據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求， 考慮到控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，則對(duì)排肥器轉(zhuǎn)速的計(jì)算進(jìn)行如下設(shè)計(jì)[12]。

施肥裝置每公頃的施肥量Q為[13]

(1)

式中Q—施肥裝置每公頃的施肥量(kg/hm2)；

q(n) —n轉(zhuǎn) 速 下 單 個(gè) 排 肥 器 的 排肥量(g/min)；

n—排肥軸轉(zhuǎn)速(r/min)；

v—機(jī)具前進(jìn)速度(km/h)；

B—施肥機(jī)行距(m)；

N—排肥器個(gè)數(shù)。

如果對(duì)排肥器排肥量和排肥軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定， 則有標(biāo)定擬合方程為

qn=k·n+b

(2)

式中k—標(biāo)定直線斜率；

b—標(biāo)定直線截距。

把標(biāo)定擬合方程式 (2) 代入施肥量式 (1) 中， 得到排肥軸轉(zhuǎn)速控制公式為

(3)

設(shè)直流電機(jī)與排肥軸的傳動(dòng)比i， 得直流電轉(zhuǎn)速n' 的控制公式為

(4)

對(duì)于確定的施肥機(jī)和肥料，參數(shù)B、N、b、k、i是確定值，可以作為常量寫入PLC。對(duì)于不同的施肥機(jī)或肥料，只需要改變這些參數(shù)，而不必改變程序，從而使軟件具有通用性。 對(duì)于一定的施肥量Q來(lái)說(shuō)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n′隨不同機(jī)具前進(jìn)速度v而改變， 可以通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速n′達(dá)到適應(yīng)不同機(jī)具前進(jìn)速度v下的變量施肥要求。

3.2 PID控制

為保證排肥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，選用了數(shù)字PID 控制器，兼顧系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制特性和靜態(tài)性能[14-15]。

典型的 PID 控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

(5)

其中，KP為比例增益；T1為積分時(shí)間；TD為微分時(shí)間。 PID 控制原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣，關(guān)鍵在于適當(dāng)?shù)卣{(diào)整參數(shù)KP、T1、TD,使整個(gè)系統(tǒng)取得良好性能。本文運(yùn)用PV08-30 比例型流量控制插裝閥，可將其視為二階振蕩環(huán)節(jié)，有

(6)

式中ωv—閥的無(wú)阻尼自振頻率；

ξv—閥的阻尼系數(shù)。

圖3 電液比例位置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

3.2.1 閥的線性化流量方程

線性化流量方程為[16]

QL(s)=KqXv(s)+KcPL(s)

(7)

式中Kq—穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的流量增益；

Kc—閥的流量 - 壓力系數(shù)；

PL—負(fù)載壓力。

3.2.2 液壓馬達(dá)的流量連續(xù)方程

(8)

式中ω—液壓馬達(dá)輸出的角速度;

Dm—液壓馬達(dá)的排量;

Ctm—液壓馬達(dá)總的泄漏系數(shù);

βe—油液彈性模量。

3.2.3 液壓馬達(dá)的力矩平衡方程

力矩平衡方程為[17]

(9)

式中Jt—系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

G—負(fù)載的扭轉(zhuǎn)彈簧剛度;

Bm—負(fù)載和液壓馬達(dá)的黏性阻尼系數(shù);

TL—負(fù)載力矩。

根據(jù)式(6)～式(9)得到閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)模型如圖 4 所示。

4 變量施肥性能試驗(yàn)

4.1 參數(shù)設(shè)定

1)試驗(yàn)?zāi)康模貉芯坎煌D(zhuǎn)速情況下排肥器的施肥精度及轉(zhuǎn)速追蹤特性。根據(jù)外槽輪排肥器實(shí)際的轉(zhuǎn)速的不同，獲取不同轉(zhuǎn)速下的排肥量。

2)試驗(yàn)設(shè)備：施肥監(jiān)視系統(tǒng)(12根排肥管)、液壓泵站、量杯、公斤稱、電腦、化肥尿素。

3)試驗(yàn)方法：連接施肥監(jiān)控系統(tǒng)，將尿素裝入肥箱，將排肥軸動(dòng)力裝置連接液壓泵站，將排肥器的開度定位在55mm，開啟施肥監(jiān)控系統(tǒng)控制臺(tái)；設(shè)定最大排量標(biāo)定，參數(shù)轉(zhuǎn)速逐漸遞增，運(yùn)行時(shí)間30s，排出肥料為氮肥、尿素；點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，排肥軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，將肥料從肥箱排出， 30s后，停止工作，對(duì)排肥量進(jìn)行12次測(cè)量，量杯凈重325g。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析如表3和圖5所示。

圖4 閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)模型

表3 方差分析

圖5 變量下的排肥量

根據(jù)方差分析可以看出目標(biāo)轉(zhuǎn)速的改變對(duì)于施肥量有顯著影響。根據(jù)圖表可以看出符合線性關(guān)系。線性關(guān)系式為：y=53.311x+40.977。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在室內(nèi)2F-12型變量施顆?；试囼?yàn)臺(tái)中，通過(guò)調(diào)節(jié)落肥口大小，改變排肥器的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)不同施肥量的拋撒試驗(yàn)，大多數(shù)試驗(yàn)都是通過(guò)調(diào)節(jié)落肥口的大小或改變肥料下落的速度，從而對(duì)施肥量進(jìn)行控制。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試與試驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)施肥，且穩(wěn)定程度很高，有效地提高了化肥的使用效率，操作簡(jiǎn)單，符合我國(guó)農(nóng)業(yè)的基本現(xiàn)狀，適宜在我國(guó)農(nóng)村大面積推廣。

試驗(yàn)結(jié)果表明：不同轉(zhuǎn)速下，排肥器的排肥量穩(wěn)定精確，消除了車速及排肥軸轉(zhuǎn)速對(duì)實(shí)際排肥量的影響。

5 結(jié)論

對(duì)變量施肥液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)元件的選用和控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，包含了液壓馬達(dá)、調(diào)速閥、液壓泵站等的選用要求。確定了設(shè)備所選用的型號(hào)，同時(shí)對(duì)變量施肥液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室的組裝試驗(yàn)，結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有較高的可靠性。尚需解決以下幾方面問題：①系統(tǒng)的反饋時(shí)間。通過(guò)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出施肥時(shí)設(shè)備的延遲時(shí)間，根據(jù)反饋的時(shí)間，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到優(yōu)化參數(shù)，可以大大提高施肥的精準(zhǔn)度。②系統(tǒng)的穩(wěn)定性。能否對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行穩(wěn)定的控制，可以通過(guò)改進(jìn)控制系統(tǒng)來(lái)提高施肥精確度及穩(wěn)定性。