變量施肥液壓驅動系統設計及試驗研究

肖 琪，趙 軍，衣淑娟，王 熙

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

我國是一個農業大國，農業的發展是國家和人民所關注的重點。尤其是近年來，農業的基礎設施、國家的扶持、科學技術的發展等的不斷提升為我國農業的發展做出了很大的貢獻，其中化肥的施用功不可沒。

20世紀80年代，化肥的廣泛使用極大地增加了糧食產量。與有機肥相比，化肥需要較少的勞動力并能夠允許農民耕種更多的土地，合理的使用會大幅度增加產量。但是，正如許多學者指出的那樣，化肥的使用對我國的環境造成嚴重影響[1]。

化肥是重要的農業生產資料，被譽為農作物的糧食[2]。過量施肥會導致莊稼的生產能力下降，加劇環境和大氣的污染；而且還浪費了很多的肥料，致使肥料的利用率降低，這個問題一直以來是我們國家關注的焦點[3]。

為了使農民得到更好的收益，減少過量施肥給農民帶來的一系列麻煩，以及對田間環境得到有效的保護，需要堅持走農業可持續發展路線，使變量施肥技術達到一個更高的水平[4]。變量施肥肥料技術采用的控制器類型主要有PLC、ARM和單片機等，常用的定位系統主要有 DGPS 和 GPS 等，變量施肥排肥機構驅動器主要有步進電機、液壓馬達、伺服電機及電磁比例閥等[5]。低速大扭矩、控制精度高和響應速度快是閥控液壓馬達變量施肥系統的主要特點，其具有良好的調速范圍，適合應用于變量施肥的試驗研究中[6]。

由于液壓傳動功率質量比大，且具有易實現無級變速、自動控制與過載保護等方面的獨特技術優勢[7]，使得液壓驅動系統不但在機械裝置上被應用，而且在各種設備上也得到了廣泛的應用，已成為農業機械現代化技術的有效應用手段[8]，液壓技術的應用程度已成為評定一個國家工業化水平的重要標志。傳統的液壓驅動裝置主要考慮的是系統的工作能力、可靠性及成本，不注意系統的效率和精準度，導致能源浪費。為此，本文進行了變量施肥液壓驅動系統設計及試驗研究。

1 變量施肥液壓驅動系統整體設計

變量施肥液壓驅動系統主要由液壓泵站、比例型流量控制插裝閥及液壓馬達等元件組合而成[9]。PID控制器通過控制車速、排肥軸轉速及施肥量等信息，采用脈沖頻率檢測技術，將傳感器轉速信號轉換為PWM輸出；利用比例型流量控制插裝閥輸出的流量進而控制液壓馬達的轉動，最終實現對排肥量的精確控制。該系統具有控制精度較高、調速范圍大等優點，比例型流量控制插裝閥開度決定了流經液壓馬達的液壓油流量大小，從而改變液壓馬達輸出軸的轉速大小。因此，變量施肥液壓驅動系統變速的工作原理是通過調節比例型流量控制插裝閥開度來實現的[10]，如圖1所示。

圖1 變量施肥液壓驅動系統原理示意圖

2 液壓驅動元件的選用及工作原理

2.1 液壓馬達的參數及選用

由于進口液壓馬達價格較高，導致性價比不高。因此，從性價比的角度考慮選擇鎮江大力液壓馬達有限責任公司BMP160型液壓馬達。BMP160型液壓馬達可以與各種油泵、閥及液壓附件配套組成傳動裝置，滿足各種機器的工況。因此，選用了BMP160型的液壓馬達。BMP160液壓馬達主要技術參數如表1所示。

表1 BMP160型液壓馬達主要技術性能參數

馬達的結構選用了一種小體積、經濟型軸配流BMP系列的擺線液壓馬達，排量為160L。其主要特點是體積小，節約空間，壽命長。其中，安裝法蘭的規格尺寸選用2-?13.5菱法蘭,止口?82.5×8;軸伸的規格尺寸選用?25 軸,平鍵 8×7×32；進出油口的規格尺寸選用M22×1.5；板式 4×M8, M14×1.5。軸密封承壓高，可串、并聯試用；采用了世界先進的加工方法，具有先進的設計結構。

表1中的額定流量、壓力下的輸出值為55，也就是額定轉速、扭矩。該排量馬達可以連續工作的最大值就是連續值。該排量馬達在1min內工作6s的最大值就是斷續值。該排量馬達在1min內工作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；電機功率為3kW；工作壓力為6.3MPa；液壓輸出為2路手動換向閥，輸出可快速連接；顯示儀表為壓力表；泵站可移動式，有固定腳；外形尺寸700mm×600mm×600mm(不含底座)。其主要零部件明細如表2所示。

表2 主要零部件參數

續表2

2.3 調速閥的工作原理及型號的選用

調速閥選擇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的壓力和流量的比例型閥門，可運用很小的壓差來追蹤負載壓力，控制泵的壓力，是一種節能型閥。

PV08-30 比例型流量控制插裝閥的工作原理：PV08-30用于調節油口的流量，不受系統工作壓力的影響；隨著電磁閥中電流的增大，PV08-30 的輸出流量也將增大。如果設備的優先流量油口被外閥封閉(死點)，將該閥用于旁通流量控制時，就需要在優先油口處設置一個小的卸油孔。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 旋轉編碼器的選用

旋轉編碼器是集光機電技術于一體的速度位移傳感器，主要是用來測量轉速的，它與PWM技術結合起來可以實現一種快速調速的裝置。本文中旋轉編碼器選用的型號為HN80-25L11G10-30FA2500B-S4B，脈沖2500P/R;軸25mm，適用壓力源為10～30V。

3 控制系統的設計

3.1 變量施肥控制函數

根據該系統的設計要求， 考慮到控制液壓馬達的轉速，則對排肥器轉速的計算進行如下設計[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 速 下 單 個 排 肥 器 的 排肥量(g/min)；

n—排肥軸轉速(r/min)；

v—機具前進速度(km/h)；

B—施肥機行距(m)；

N—排肥器個數。

如果對排肥器排肥量和排肥軸轉速的關系進行標定， 則有標定擬合方程為

qn=k·n+b

(2)

式中k—標定直線斜率；

b—標定直線截距。

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

(3)

設直流電機與排肥軸的傳動比i， 得直流電轉速n' 的控制公式為

(4)

對于確定的施肥機和肥料，參數B、N、b、k、i是確定值，可以作為常量寫入PLC。對于不同的施肥機或肥料，只需要改變這些參數，而不必改變程序，從而使軟件具有通用性。 對于一定的施肥量Q來說，電機轉速n′隨不同機具前進速度v而改變， 可以通過控制電機轉速n′達到適應不同機具前進速度v下的變量施肥要求。

3.2 PID控制

為保證排肥驅動機構運轉的穩定性和良好的動態響應特性，選用了數字PID 控制器，兼顧系統動態控制特性和靜態性能[14-15]。

典型的 PID 控制的系統結構圖如圖3所示。

PID 調節器的傳遞函數為

(5)

其中，KP為比例增益；T1為積分時間；TD為微分時間。 PID 控制原理簡單、易于實現、適用面廣，關鍵在于適當地調整參數KP、T1、TD,使整個系統取得良好性能。本文運用PV08-30 比例型流量控制插裝閥，可將其視為二階振蕩環節，有

(6)

式中ωv—閥的無阻尼自振頻率；

ξv—閥的阻尼系數。

圖3 電液比例位置控制系統的動態結構

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—穩態工作點附近的流量增益；

Kc—閥的流量 - 壓力系數；

PL—負載壓力。

3.2.2 液壓馬達的流量連續方程

(8)

式中ω—液壓馬達輸出的角速度;

Dm—液壓馬達的排量;

Ctm—液壓馬達總的泄漏系數;

βe—油液彈性模量。

3.2.3 液壓馬達的力矩平衡方程

力矩平衡方程為[17]

(9)

式中Jt—系統的轉動慣量;

G—負載的扭轉彈簧剛度;

Bm—負載和液壓馬達的黏性阻尼系數;

TL—負載力矩。

根據式(6)～式(9)得到閥控液壓馬達系統模型如圖 4 所示。

4 變量施肥性能試驗

4.1 參數設定

1)試驗目的：研究不同轉速情況下排肥器的施肥精度及轉速追蹤特性。根據外槽輪排肥器實際的轉速的不同，獲取不同轉速下的排肥量。

2)試驗設備：施肥監視系統(12根排肥管)、液壓泵站、量杯、公斤稱、電腦、化肥尿素。

3)試驗方法：連接施肥監控系統，將尿素裝入肥箱，將排肥軸動力裝置連接液壓泵站，將排肥器的開度定位在55mm，開啟施肥監控系統控制臺；設定最大排量標定，參數轉速逐漸遞增，運行時間30s，排出肥料為氮肥、尿素；點擊啟動按鈕，排肥軸開始轉動，將肥料從肥箱排出， 30s后，停止工作，對排肥量進行12次測量，量杯凈重325g。

試驗數據處理及分析如表3和圖5所示。

圖4 閥控液壓馬達系統模型

表3 方差分析

圖5 變量下的排肥量

根據方差分析可以看出目標轉速的改變對于施肥量有顯著影響。根據圖表可以看出符合線性關系。線性關系式為：y=53.311x+40.977。

4.2 試驗結果及分析

在室內2F-12型變量施顆粒化肥試驗臺中，通過調節落肥口大小，改變排肥器的轉速可以實現不同施肥量的拋撒試驗，大多數試驗都是通過調節落肥口的大小或改變肥料下落的速度，從而對施肥量進行控制。該系統經過測試與試驗，能夠實現精準施肥，且穩定程度很高，有效地提高了化肥的使用效率，操作簡單，符合我國農業的基本現狀，適宜在我國農村大面積推廣。

試驗結果表明：不同轉速下，排肥器的排肥量穩定精確，消除了車速及排肥軸轉速對實際排肥量的影響。

5 結論

對變量施肥液壓驅動系統進行了整體設計，主要是針對液壓驅動元件的選用和控制系統進行計算，包含了液壓馬達、調速閥、液壓泵站等的選用要求。確定了設備所選用的型號，同時對變量施肥液壓驅動系統進行了實驗室的組裝試驗，結果表明：該系統具有較高的可靠性。尚需解決以下幾方面問題：①系統的反饋時間。通過響應實驗，計算出施肥時設備的延遲時間，根據反饋的時間，通過實驗，得到優化參數，可以大大提高施肥的精準度。②系統的穩定性。能否對轉速進行穩定的控制，可以通過改進控制系統來提高施肥精確度及穩定性。