基于AMESim有機(jī)肥-化肥開溝施肥機(jī)仿真分析

董劍豪，畢新勝，于愛(ài)婧，董萬(wàn)城，王向陽(yáng)，劉新州

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué) 醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程部，新疆 石河子 832000；3.阿拉爾潤(rùn)農(nóng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司，新疆 阿拉爾 843300)

引言

施肥是果園生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)之一，其中有機(jī)肥與化肥是主要的肥料，在現(xiàn)有的有機(jī)肥施肥技術(shù)中，有機(jī)肥施用過(guò)程主要包括將有機(jī)肥運(yùn)到地面，然后進(jìn)行人工施肥，但這種施肥模式直接影響作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)果園有機(jī)肥化肥施肥的問(wèn)題不斷進(jìn)行研究，王蘭英等[1]針對(duì)葡萄有機(jī)肥施肥機(jī)施肥均勻性差、作業(yè)效率低以及開溝深度淺的問(wèn)題，研制了一種針對(duì)葡萄有機(jī)肥施肥機(jī)，可以一次性實(shí)現(xiàn)開溝、施肥、覆土等作業(yè)過(guò)程。肖琪等[2]對(duì)于變量施肥液壓控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)精度不高，存在小范圍轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定及無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)差操縱等問(wèn)題，研究與開發(fā)了變量施肥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。李波等[3]研究設(shè)計(jì)了由變量馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的自主式變量施肥機(jī)，通過(guò)改變液壓系統(tǒng)中變量液壓馬達(dá)的容積實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而達(dá)到變量施肥的目的。陳書法等[4]設(shè)計(jì)了一種變量撒肥控制系統(tǒng)，研究了控制內(nèi)容和控制策略，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)變速的撒肥工作需求。自1960年以來(lái)，國(guó)外果園施肥機(jī)械發(fā)展較為迅速，Massey Ferguson SC7660 液體肥料施肥機(jī)是一種經(jīng)典的有機(jī)肥施肥機(jī)械，通過(guò)PWM控制液壓流量來(lái)調(diào)節(jié)施肥量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施肥[5]。法國(guó)某公司生產(chǎn)的Pro Push 2044和Pro Twin 8150施肥機(jī)均采用液壓推進(jìn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)裙鏈平穩(wěn)施肥的目的[6]。綜上所述，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)施肥機(jī)械的研究不斷深入，但是對(duì)果園混合式施肥機(jī)的研究鮮有報(bào)道。

合理的施肥是提高果園產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要保障。在果園施肥過(guò)程中，單一的使用化肥將會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)[7-12]，而單一的使用有機(jī)肥，不能滿足果樹的生長(zhǎng)需求且肥效較慢，因此亟需加快對(duì)混合施肥機(jī)的研究。

1 有機(jī)肥-化肥開溝施肥一體機(jī)總體結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種有機(jī)肥-化肥開溝施肥一體機(jī)，施肥機(jī)懸掛在拖拉機(jī)后方，并由拖拉機(jī)后部的動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)。該機(jī)械設(shè)備主要由開溝機(jī)構(gòu)、有機(jī)肥施肥機(jī)構(gòu)、化肥施肥機(jī)構(gòu)、覆土機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.有機(jī)肥料箱 2.機(jī)架 3.驅(qū)動(dòng)輪連接架 4.車輪5.有機(jī)肥開溝器 6.有機(jī)肥施肥擋板 7.有機(jī)肥覆土輪8.化肥開溝器 9.化肥覆土板 10.化肥輸肥管11.有機(jī)肥肥料箱輸肥口 12.化肥料箱13.有機(jī)肥肥料箱輸肥口開度調(diào)節(jié)板圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 整機(jī)工作原理與主要技術(shù)指標(biāo)

1) 整機(jī)工作原理

機(jī)架上裝有有機(jī)肥箱和化肥箱，機(jī)架下部裝有車輪和開溝深度調(diào)節(jié)油缸，有機(jī)肥箱內(nèi)裝有支撐裝置和刮板式輸肥料鏈。有機(jī)肥料箱裝有輸肥口、輸肥口開度調(diào)節(jié)板和輸肥口開度調(diào)節(jié)液壓缸。化肥箱上裝有第一和第二肥料出口，下面裝有肥料出口調(diào)節(jié)板。機(jī)架的后部裝有施肥機(jī)構(gòu)和開溝覆土機(jī)構(gòu)，有機(jī)肥施肥機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓馬達(dá)、施肥帶和施肥擋板實(shí)現(xiàn)單面和雙面施肥同時(shí)可以對(duì)施肥的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，有機(jī)肥開溝覆土機(jī)構(gòu)開溝深度的調(diào)節(jié)通過(guò)控制油缸實(shí)現(xiàn)，化肥開溝覆土機(jī)構(gòu)通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)和機(jī)械調(diào)節(jié)，通過(guò)化肥輸肥管輸送肥料以滿足不同果樹行距和不同深度的農(nóng)藝要求。

整機(jī)工作需要滿足，在進(jìn)入果園前，需要根據(jù)果樹的種植行間距調(diào)整有機(jī)肥左右開溝器的開溝幅寬，有機(jī)肥的施肥深度需求通過(guò)開溝器深度調(diào)節(jié)液壓缸把開溝器的開溝深度調(diào)節(jié)到標(biāo)定深度；有機(jī)肥施肥馬達(dá)要迅速的達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，響應(yīng)延遲時(shí)間短且施肥帶上不允許出現(xiàn)堵肥現(xiàn)象。

2) 整機(jī)工作原理

如圖1、圖2所示，有機(jī)肥施肥機(jī)構(gòu)主要由有機(jī)肥施肥擋板、有機(jī)肥開溝器、有機(jī)肥肥料箱輸肥口開度調(diào)節(jié)板、有機(jī)肥施肥馬達(dá)等組成，施肥馬達(dá)安裝于有機(jī)肥施肥機(jī)構(gòu)后端，施肥馬達(dá)分別帶動(dòng)施肥帶向溝槽施肥。主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 有機(jī)肥-化肥開溝施肥一體機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)，具有高扭矩、調(diào)速范圍廣、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，本研究根據(jù)輸送有機(jī)肥和化肥施肥機(jī)的工作原理和性能要求，搭建了液壓控制系統(tǒng)的控制原理圖，如圖2所示。包括有機(jī)肥施肥回路、有機(jī)肥輸肥回路、開溝深度調(diào)節(jié)回路、有機(jī)肥開口度調(diào)節(jié)回路等組成液壓控制系統(tǒng)。首先，來(lái)自液壓系統(tǒng)的壓力油通過(guò)過(guò)濾器從油箱進(jìn)入齒輪泵，由拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸提供動(dòng)力。在使用有機(jī)和化學(xué)肥料時(shí)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)輸肥鏈條完成有機(jī)肥輸送至輸肥口，位于輸肥口的有機(jī)肥落入施肥帶，有機(jī)肥施肥液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)施肥帶最終完成有機(jī)肥施肥過(guò)程。通過(guò)設(shè)置調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而完成對(duì)輸肥和施肥量的控制。為避免有機(jī)肥在施肥過(guò)程中漏施的現(xiàn)象，設(shè)置單向閥。液壓鎖的設(shè)置可避免施肥機(jī)在作業(yè)過(guò)程中因管路壓力不足或其他原因?qū)е碌妆P與有機(jī)肥輸肥口突然下降的現(xiàn)象。過(guò)濾器的安裝可過(guò)濾掉液壓油液中的堅(jiān)硬顆粒、雜物、灰塵和土壤等沉淀物，延長(zhǎng)液壓元件的壽命，減少液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的故障。

1.過(guò)濾器 2.液壓泵 3.拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出4～7.三位四通電磁換向閥 8.分流閥 9、10.單向節(jié)流閥11.節(jié)流閥 12.雙向液壓鎖 13.液壓鎖 14、15.有機(jī)肥施肥馬達(dá)16.油箱 17.有機(jī)肥輸肥馬達(dá) 18～20.單向閥21、22.開溝深度調(diào)節(jié)油缸 23.有機(jī)肥輸肥口開度調(diào)節(jié)油缸圖2 整機(jī)液壓系統(tǒng)示意圖

2 液壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件的計(jì)算與選型

2.1 開溝深度油缸的計(jì)算與選型

有機(jī)肥-化肥開溝施肥一體機(jī)的開溝深度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)由2個(gè)液壓缸共同完成,在有機(jī)肥-化肥肥箱滿載時(shí)的極限工況下,每個(gè)液壓缸的推力計(jì)算公式如下所示：

(1)

式中，F(xiàn)—— 單個(gè)液壓缸的推力

G—— 整機(jī)系統(tǒng)完全加載時(shí)的重力

m—— 整機(jī)自重

m1—— 有機(jī)肥肥箱完全加載時(shí)的質(zhì)量

m2—— 化肥肥箱完全加載時(shí)的質(zhì)量

根據(jù)式(1)可得，液壓缸缸筒直徑：

(2)

式中，ηm—— 液壓缸的機(jī)械效率，取值0.9

p1—— 液壓缸進(jìn)油路壓力，取值12 MPa

p2—— 對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng),液壓缸回油回路 中的背壓取值，0.2 MPa

φ—— 液壓缸桿徑比，取值0.7

通過(guò)計(jì)算可得，D=62.65 mm，按GB/T 7939，將液壓缸缸筒直徑取整為D=63 mm，通過(guò)液壓手冊(cè)查表可知，開溝深度油缸的直徑為d=45 mm，根據(jù)設(shè)計(jì)行程要求，選擇活塞行程s=500 mm。調(diào)節(jié)有機(jī)肥料開口液壓缸的計(jì)算和選擇過(guò)程與開溝深度油缸的計(jì)算過(guò)程相同。

2.2 有機(jī)肥輸肥液壓馬達(dá)的參數(shù)計(jì)算

1) 輸肥液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的選取

因不同地區(qū)對(duì)有機(jī)肥的需求量不同，通過(guò)實(shí)地調(diào)研，得出新疆地區(qū)有機(jī)肥的施肥量大致為12～43 t/(hm2)。本研究選擇2.5 km/h的作業(yè)速度，刮板傳送節(jié)圓直徑取120 mm，施肥機(jī)兩側(cè)有機(jī)肥和化肥的施肥幅寬為5000 mm，為保障有機(jī)肥-化肥開溝施肥一體機(jī)正常工作，其有機(jī)肥輸肥軸的轉(zhuǎn)速為2.33～22.29 r/min，選用傳動(dòng)比為8的減速器，經(jīng)計(jì)算，有機(jī)肥輸肥液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速范圍為18.64～178.32 r/min。

2) 有機(jī)肥輸肥馬達(dá)扭矩的確定

有機(jī)肥施肥時(shí)刮板傳送裝置運(yùn)行的總阻力計(jì)算公式，如下所示：

W=wf(m0f1+m3f2)g

(3)

式中，wf—— 附加阻力系數(shù)，取1.3

f1—— 有機(jī)肥料與底板之間的摩擦系數(shù)，

取0.75

f2—— 有機(jī)肥刮板與底板之間的摩擦系數(shù)，

取0.5

m0—— 有機(jī)肥刮板傳送裝置的質(zhì)量

m3—— 有機(jī)肥滿載堆積時(shí)的總質(zhì)量

3) 有機(jī)肥刮板傳送裝置的扭矩：

T=W·R

(4)

式中，R為鏈輪節(jié)圓半徑。

根據(jù)式(3)和式(4)可得，有機(jī)肥輸肥馬達(dá)的扭矩：

(5)

求得有機(jī)肥輸肥馬達(dá)扭矩為364.2 N·m。

3 液壓系統(tǒng)建模與仿真分析

3.1 液壓系統(tǒng)建模

通過(guò)AMESim液壓仿真軟件，搭建了有機(jī)肥-化肥開溝施肥一體機(jī)的液壓仿真系統(tǒng)模型，同時(shí)，通過(guò)HCD庫(kù)分別搭建了分流閥和液壓鎖的模型[13-20]。其參數(shù)分別為系統(tǒng)工作壓力12 MPa，開溝深度油缸缸徑為63 mm、桿徑45 mm，最大行程500 mm。輸肥馬達(dá)和左右施肥馬達(dá)排量選用0.25 L/r和0.16 L/r，最高轉(zhuǎn)速分別為300 r/min和425 r/min，最大扭矩輸出分別為400 N·m和340 N·m。有機(jī)肥施肥機(jī)液壓系統(tǒng)包含了有機(jī)肥輸肥液壓馬達(dá)和負(fù)載模型、有機(jī)肥左右施肥液壓馬達(dá)和負(fù)載模型、有機(jī)肥輸肥口開度調(diào)節(jié)液壓缸與負(fù)載模型、開溝深度調(diào)節(jié)油缸和負(fù)載模型如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)仿真模擬圖

3.2 仿真結(jié)果分析

1) 有機(jī)肥輸肥馬達(dá)仿真結(jié)果分析

負(fù)載為2849，3878，4900 kg仿真后的有機(jī)肥輸肥馬達(dá)和輸肥軸的扭矩T、轉(zhuǎn)速n曲線變化圖如圖4～圖8所示。在液壓系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)時(shí)，由于液壓油和有機(jī)肥輸肥馬達(dá)都處于靜止?fàn)顟B(tài)，液壓泵在對(duì)有機(jī)肥輸肥馬達(dá)注入油液時(shí)，由于慣性力的影響，會(huì)造成液壓油液和有機(jī)肥輸肥馬達(dá)產(chǎn)生輕微的震蕩，0.2 s后將趨于平穩(wěn),不同負(fù)載所對(duì)應(yīng)的輸送有機(jī)肥液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在57.67，60.31，62.85 r/min，有機(jī)肥輸肥軸的轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在7.21，7.54，7.86 r/min，并在之后的4.8 s內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)有機(jī)肥輸肥馬達(dá)的扭矩分別穩(wěn)定在213.30，288.26，363.21 N·m，輸肥軸的扭矩也分別穩(wěn)定在1713.60，2313.60，2905.74 N·m，有機(jī)肥輸肥馬達(dá)的流量在系統(tǒng)運(yùn)行0.2 s后穩(wěn)定在15.75 L/min。經(jīng)過(guò)計(jì)算有機(jī)肥輸肥馬達(dá)理論計(jì)算值與仿真值的誤差為0.27%，驗(yàn)證了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖4 有機(jī)肥輸肥軸扭矩曲線圖

圖5 有機(jī)肥輸肥馬達(dá)扭矩曲線圖

2) 有機(jī)肥施肥馬達(dá)仿真結(jié)果分析

如圖9～圖11所示為仿真后的有機(jī)肥施肥馬達(dá)和輸肥軸的扭矩、 轉(zhuǎn)速、 流量Q曲線變化圖。在0～2.5 s間有機(jī)肥施肥馬達(dá)所產(chǎn)生扭矩的波動(dòng)與有機(jī)肥輸肥過(guò)程相同，在2.5 s左右，雙向施肥馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與扭矩和流量分別增大到36.90 r/min與161.90 N·m和5.93 L/min，且在2.5 s內(nèi)保持不變，通過(guò)仿真的運(yùn)行結(jié)果和圖像可知，分流閥的設(shè)置使有機(jī)肥雙向施肥馬達(dá)同步性良好，可滿足有機(jī)肥的施肥農(nóng)藝要求，驗(yàn)證了AMESim仿真模型參數(shù)設(shè)置的合理性。

圖6 有機(jī)肥輸肥軸轉(zhuǎn)速曲線圖

圖7 有機(jī)肥輸肥馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線圖

圖8 有機(jī)肥輸肥馬達(dá)流量圖

圖9 有機(jī)肥施肥馬達(dá)扭矩圖

3) 開溝深度調(diào)節(jié)油缸仿真結(jié)果分析

在有機(jī)肥和化肥充滿肥箱的極限工作條件下，開溝深度油缸的位移x曲線和速度v曲線如圖12、圖13所示。開溝深度調(diào)節(jié)油缸的作業(yè)主要分為三個(gè)階段，上升階段、暫停階段和下降階段。由圖可知在1～3 s內(nèi)活塞桿的高度呈上升趨勢(shì)，但運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動(dòng)趨勢(shì)；3～10 s內(nèi)以30 mm/s的穩(wěn)定速度將活塞桿升高至334.28 mm；10～15 s內(nèi)活塞桿高度保持不變且運(yùn)動(dòng)速度為0；15～20 s內(nèi)活塞桿以31.63 mm/s的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并將活塞桿的高度由334.28 mm提升至500 mm，在達(dá)到指定作業(yè)高度后，油缸處于暫停工作階段，此時(shí)液壓系統(tǒng)處于自鎖狀態(tài)，保證了開溝深度的準(zhǔn)確性；20～30 s內(nèi)在液壓鎖的作用下進(jìn)行穩(wěn)定工作，此時(shí)開溝深度保持不變且運(yùn)動(dòng)速度為0；30～38 s 內(nèi)活塞桿以30.13 mm/s的運(yùn)動(dòng)速度由最高位置下降至289.74 mm；38～42 s活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度為0且活塞桿的高度不變；最后在42～55 s內(nèi)活塞桿以30.13 mm/s的速度降落至初始位置。綜上可知，開溝深度調(diào)節(jié)油缸設(shè)計(jì)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也保證了施肥機(jī)開溝作業(yè)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖10 有機(jī)肥施肥馬達(dá)轉(zhuǎn)速圖

圖11 有機(jī)肥施肥馬達(dá)流量圖

圖12 施肥機(jī)開溝深度調(diào)節(jié)油缸位移變化曲線

圖13 施肥機(jī)開溝深度調(diào)節(jié)油缸速度曲線

4 結(jié)論

闡述整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理，完成對(duì)開溝深度調(diào)節(jié)油缸的計(jì)算與有機(jī)肥輸肥液壓馬達(dá)的參數(shù)計(jì)算，在有機(jī)肥-化肥肥箱滿載時(shí)的極限工況下，理論計(jì)算表明，壓油缸缸筒直徑取63 mm，開溝深度調(diào)節(jié)液壓缸的直徑為45 mm，選擇活塞行程500 mm。有機(jī)肥輸肥液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速范圍為20～120 r/min，有機(jī)肥輸肥馬達(dá)的扭矩為364.2 N·m。

在理論分析的基礎(chǔ)上完成液壓系統(tǒng)建模與仿真分析，有機(jī)肥輸肥馬達(dá)仿真結(jié)果表明，在液壓系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)由于慣性力的影響，會(huì)造成液壓油液和有機(jī)肥輸肥馬達(dá)產(chǎn)生輕微的振蕩，待0.2 s后會(huì)趨于平穩(wěn)。在穩(wěn)定工作時(shí)，有機(jī)肥輸肥馬達(dá)的扭矩與理論計(jì)算結(jié)果誤差為0.27%，驗(yàn)證了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。有機(jī)肥施肥馬達(dá)仿真與開溝深度油缸仿真分析結(jié)果表明，在理論計(jì)算參數(shù)下，馬達(dá)的穩(wěn)定運(yùn)行驗(yàn)證了AMESim仿真模型參數(shù)設(shè)置的合理性。