水稻旱直播機液壓系統的仿真設計

付　威，丁　凱，張志元，崔　健，趙永滿

(石河子大學 機械電氣工程學院，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，我國稻谷播種面積連續10年維持在3 000萬hm2左右，稻谷單位面積的產量也逐年穩步增長(中國統計年鑒，2016)。由于我國面臨水資源分布不均、嚴重緊缺等問題，影響到糧食作物的生產，而水稻機械旱直播技術具有節水增效的特殊優勢，因此近年來水稻旱直播面積在我國增長較快[2-3]。

我國水稻旱直播機研發以2BD系列為主[1]。2015年，張順等研制了一種水稻精量穴直播機，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，王士國等研制了一種膜下滴灌水稻穴直播機，一次可以完成鋪管、覆膜、播種和覆土鎮壓作業。2016年，翟建波等研制了一種水稻芽種精量旱直播機，采用氣力式播種方式，并在種行側面完成施肥，實現種肥同施[4-6]。歐美等國家直播技術發展較好，美國、意大利、澳大利亞等國家水稻種植技術主要采用直播技術。美國80%以上水稻播種面積采用旱直播技術；澳大利亞100%的水稻播種面積也采用直播技術；意大利是水稻機械直播技術應用最好的國家之一，目前已經完全實現了水稻機械化播種作業，98%的水稻播種面積采用水(旱)直播技術[7-8]。

本文針對現有旱直播機整機仿形性能差、播種質量有待提高等問題，在對國內外水稻機械精量播種技術研究分析的基礎上，研制了一種水稻精量旱直播機(2BDH-20型)。為了能夠實時控制穴距，研發了一套電液比例調速系統，通過在觸摸屏上設定播種穴距，PLC根據播種速度實時調整液壓馬達轉速，從而控制播種作業的穴距。

1　液壓系統設計

1.1液壓系統方案設計

根據水稻旱直播機播種作業的穴距要求，設計電液比例調速系統中的液壓系統時應考慮排種器的轉速、馬達承受的負載及液壓系統的響應時間。流量大小的改變通過PLC控制比例流量閥的閥口大小來實現，進而實現液壓馬達轉速的改變。這要求在規定的時間內比例流量閥工作有較高的可靠性，同時系統對液壓原件的靈敏度要求也較高[9-10]。

液壓系統通過液壓馬達將動力傳遞給20個排種器，為滿足經顯示屏輸入播種穴距要求，通過監測排種器及地輪的轉速將檢測到的信號傳遞給PLC，通過PLC控制比例流量閥的閥口大小調節液壓馬達轉速，實現調整播種穴距大小的目的。穴距調節電控工作原理如圖1所示。

1.2系統參數計算

1.2.1系統工作流量的計算

參照國內外播種機液壓系統的額定壓力，對液力驅動的播種機綜合試驗臺工作壓力和實際工況條件進行選取，初步確定液壓馬達型號及額定壓力值為4MPa[11-14]。

1)液壓馬達排量為

(1)

式中Vm—液壓馬達最大排量(m3/r)；

Tmax—液壓馬達最大負載力矩(N·m)；

Δp—進、出油口壓差(Pa)；

ηmm—液壓馬達的總效率，根據擺線液壓馬達設計和選型要求，確定馬達總效率為0.9。

每個排種器在取種到投種時的工作扭矩為1～1.5N·m。根據負載設計的最大要求，確定最大外負載值Tmax=40N·m(播種機20行，共20個排種器)，將系統所初選額定壓力值(Δp)4MPa代入公式(1)中可得

2)液壓馬達最大流量為

Qmax=Vmnmax

(2)

式中Qmax—液壓馬達最大流量(L/min)；

Vm—液壓馬達最大排量(mL/r)；

nmax—液壓馬達最高轉速(r/min)。

播種機最高作業速度4km/h，穴距100mm，排種器0.8m/r(型孔式排種器有8個型孔)，則n=83.3r/min，取nmax=100r/min。根據式(1)結果，液壓馬達最大排量Vm為69.78mL/r，代入公式(2)中可得

Qmax=Vmnmax=6.98L/min

因此，根據以上計算所得液壓系統的液壓馬達最大流量，綜合考慮液壓系統在工作過程中存在壓力損失等情況，液壓系統最大流量選定需要一定余量，故選用BMR160-2BM型擺線液壓馬達。

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

1.2.2系統動力元件選型

1)液壓泵額定壓力計算。液壓泵是為其他執行元件提供動力的動力元件，其最大工作壓力為

pp≥p1+∑Δp

(3)

式中pp—液泵工作時的最大工作壓力(MPa)；

p1—馬達工作時的最大工作壓力(MPa)；

ΣΔp—系統工作中進油路的總壓力損失(MPa)。

根據系統選取的壓力值可知，取p1=4MPa，代入公式(3)得

pp=p1+∑Δp=4.7MPa

2)液壓泵最大流量計算，則

Qp≥Qv=K(ΣQ)max

(4)

式中Qp—液壓泵最大流量(L/min)；

Qv—系統所需流量(L/min)；

K—系統泄漏系數，一般取1.1～1.3；

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

代入數據得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　液壓系統仿真分析

2.1基于AMESim的液壓系統模型的建立

根據所選擇的液壓元件參數及設計的電液比例調速系統原理圖，在AMESim12.0仿真軟件中建立仿真模型如圖2所示。

圖2　液壓系統仿真模型

對各液壓元件及系統參數進行設置，對電液比例調速系統中的實際參數設置諧波信號源參數，共設置20組參數，參數設置頻率和振幅，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鍵液壓元件模型的設置參數[15-16]。

表1　諧波信號源參數設置

表2電液比例調速系統仿真模型主要參數

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

元件參數數值動力源電機1500r/min恒壓泵排量200mL/rev轉速1500r/min流量變化時間0．05s機械效率0．95限壓閥開啟壓力7MPa流量梯度30L/min/bar

續表2

2.2系統流量仿真分析

2.2.1系統流量仿真分析

液壓系統仿真參數根據表1設置，通過設定PLC控制電路系統輸入信號進行諧波信號源參數設置，對系統流量進行仿真分析，仿真時間設置為10s，1s為諧波信號的1個周期，1個周期有20個數組變化。圖3為液壓系統流量圖。在諧波信號作用下，液壓泵、減壓閥和節流閥的流量都出現較大的周期性波動，但在這3個液壓元件的作用下，液壓馬達的出口流量基本保持恒定。結果表明：通過PLC控制信號的輸入，可以穩定控制馬達在系統中設定某一轉速。

2.2.2液壓馬達轉速與輸出扭矩分析

圖4為液壓馬達轉速圖。圖4中，電液比例調速系統在諧波信號控制下工作時，液壓馬達轉速下降，約在1.5s以后馬達轉速呈周期性波動；每個周期為1s，液壓馬達最大轉速為67.62r/min，最小轉速為67.08r/min，轉速差為0.54r/min。根據NY/T987-2006《鋪膜穴播機作業質量》檢測標準，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，進行誤差計算。

圖5為液壓馬達輸出扭矩圖。圖5中，諧波信號參數設定后，馬達扭矩急劇增大，系統約在0.2s后馬達扭矩呈周期性波動，每個周期為1s，馬達扭矩最大值為-81.48N·m(逆時針為“+”順時針為“-”)，馬達扭矩最小值為-54.23N·m，均大于理論設定40Nm，表明該系統能夠提供安全、可靠的扭矩驅動排種器。

圖3　系統流量

圖4　液壓馬達轉速

圖5　液壓馬達輸出扭矩

2.2.3信號輸出和輸入

信號輸出與信號輸入(2D)如圖6所示，信號輸出與信號輸入(3D)如圖7所示。圖6中，系統啟動時，節流閥端口與信號源直接相連，信號直接輸入，沒有延遲和突變，直接做周期性波動，每個周期為1s；減壓閥輸入信號約0.2s，從0趨于穩定，然后做周期性波動，每個周期1s。由圖6和圖7可知：信號源輸出信號是無量綱的諧波信號，節流閥和減壓閥的輸入信號結果放大，變成103倍。

圖6　信號輸出與信號輸入(2D)

圖7　信號輸出與信號輸入(3D)

3　結論

1)水稻旱直播機液壓系統基于PLC和觸摸屏的電液比例控制，液壓馬達轉速實時調節，從而滿足了播種作業時的穴距控制，以達到精準作業的要求。

2)根據整機工作原理和作業要求，設計液壓系統方案，經參數計算后確定液壓系統工作元件選型。在AMESim仿真軟件中，根據液壓系統工作原理建立了仿真模型，并根據實際參數對仿真環境下液壓系統的工作元件進行了參數設置。

3)分析結果表明：液壓泵、減壓閥和節流閥的共同作用下，系統流量保持平穩恒定；液壓馬達轉速和輸出扭矩都滿足設計要求，液壓泵出油口壓力和馬達進油口壓力與計算數值符合，說明本次設計的液壓系統能夠保證2BDH-20型播種機排種器的安全性和可靠性。

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