变量施肥液压驱动系统设计及试验研究

肖 琪，赵 军，衣淑娟，王 熙

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

我国是一个农业大国，农业的发展是国家和人民所关注的重点。尤其是近年来，农业的基础设施、国家的扶持、科学技术的发展等的不断提升为我国农业的发展做出了很大的贡献，其中化肥的施用功不可没。

20世纪80年代，化肥的广泛使用极大地增加了粮食产量。与有机肥相比，化肥需要较少的劳动力并能够允许农民耕种更多的土地，合理的使用会大幅度增加产量。但是，正如许多学者指出的那样，化肥的使用对我国的环境造成严重影响[1]。

化肥是重要的农业生产资料，被誉为农作物的粮食[2]。过量施肥会导致庄稼的生产能力下降，加剧环境和大气的污染；而且还浪费了很多的肥料，致使肥料的利用率降低，这个问题一直以来是我们国家关注的焦点[3]。

为了使农民得到更好的收益，减少过量施肥给农民带来的一系列麻烦，以及对田间环境得到有效的保护，需要坚持走农业可持续发展路线，使变量施肥技术达到一个更高的水平[4]。变量施肥肥料技术采用的控制器类型主要有PLC、ARM和单片机等，常用的定位系统主要有 DGPS 和 GPS 等，变量施肥排肥机构驱动器主要有步进电机、液压马达、伺服电机及电磁比例阀等[5]。低速大扭矩、控制精度高和响应速度快是阀控液压马达变量施肥系统的主要特点，其具有良好的调速范围，适合应用于变量施肥的试验研究中[6]。

由于液压传动功率质量比大，且具有易实现无级变速、自动控制与过载保护等方面的独特技术优势[7]，使得液压驱动系统不但在机械装置上被应用，而且在各种设备上也得到了广泛的应用，已成为农业机械现代化技术的有效应用手段[8]，液压技术的应用程度已成为评定一个国家工业化水平的重要标志。传统的液压驱动装置主要考虑的是系统的工作能力、可靠性及成本，不注意系统的效率和精准度，导致能源浪费。为此，本文进行了变量施肥液压驱动系统设计及试验研究。

1 变量施肥液压驱动系统整体设计

变量施肥液压驱动系统主要由液压泵站、比例型流量控制插装阀及液压马达等元件组合而成[9]。PID控制器通过控制车速、排肥轴转速及施肥量等信息，采用脉冲频率检测技术，将传感器转速信号转换为PWM输出；利用比例型流量控制插装阀输出的流量进而控制液压马达的转动，最终实现对排肥量的精确控制。该系统具有控制精度较高、调速范围大等优点，比例型流量控制插装阀开度决定了流经液压马达的液压油流量大小，从而改变液压马达输出轴的转速大小。因此，变量施肥液压驱动系统变速的工作原理是通过调节比例型流量控制插装阀开度来实现的[10]，如图1所示。

图1 变量施肥液压驱动系统原理示意图

2 液压驱动元件的选用及工作原理

2.1 液压马达的参数及选用

由于进口液压马达价格较高，导致性价比不高。因此，从性价比的角度考虑选择镇江大力液压马达有限责任公司BMP160型液压马达。BMP160型液压马达可以与各种油泵、阀及液压附件配套组成传动装置，满足各种机器的工况。因此，选用了BMP160型的液压马达。BMP160液压马达主要技术参数如表1所示。

表1 BMP160型液压马达主要技术性能参数

马达的结构选用了一种小体积、经济型轴配流BMP系列的摆线液压马达，排量为160L。其主要特点是体积小，节约空间，寿命长。其中，安装法兰的规格尺寸选用2-Ø13.5菱法兰,止口Ø82.5×8;轴伸的规格尺寸选用Ø25 轴,平键 8×7×32；进出油口的规格尺寸选用M22×1.5；板式 4×M8, M14×1.5。轴密封承压高，可串、并联试用；采用了世界先进的加工方法，具有先进的设计结构。

表1中的额定流量、压力下的输出值为55，也就是额定转速、扭矩。该排量马达可以连续工作的最大值就是连续值。该排量马达在1min内工作6s的最大值就是断续值。该排量马达在1min内工作0.6s的最大值就是峰值，从图表中可以清晰地看出它的性能[11]。

2.2 液压泵站的主要零部件参数及选用

液压泵站选用WZWF160E-D型泵站，泵装置布置形式为上置卧式；变量叶片泵最大流量20L/min；油箱最大容量为160L；电机功率为3kW；工作压力为6.3MPa；液压输出为2路手动换向阀，输出可快速连接；显示仪表为压力表；泵站可移动式，有固定脚；外形尺寸700mm×600mm×600mm(不含底座)。其主要零部件明细如表2所示。

表2 主要零部件参数

续表2

2.3 调速阀的工作原理及型号的选用

调速阀选择PV08-30 比例型流量控制插装阀。PV08-30 比例型流量控制插装阀是一种控制液压系统的压力和流量的比例型阀门，可运用很小的压差来追踪负载压力，控制泵的压力，是一种节能型阀。

PV08-30 比例型流量控制插装阀的工作原理：PV08-30用于调节油口的流量，不受系统工作压力的影响；随着电磁阀中电流的增大，PV08-30 的输出流量也将增大。如果设备的优先流量油口被外阀封闭(死点)，将该阀用于旁通流量控制时，就需要在优先油口处设置一个小的卸油孔。它的性能如图2所示。

图2 PV08-30 比例型流量控制插装阀性能图

2.4 旋转编码器的选用

旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器，主要是用来测量转速的，它与PWM技术结合起来可以实现一种快速调速的装置。本文中旋转编码器选用的型号为HN80-25L11G10-30FA2500B-S4B，脉冲2500P/R;轴25mm，适用压力源为10～30V。

3 控制系统的设计

3.1 变量施肥控制函数

根据该系统的设计要求， 考虑到控制液压马达的转速，则对排肥器转速的计算进行如下设计[12]。

施肥装置每公顷的施肥量Q为[13]

(1)

式中Q—施肥装置每公顷的施肥量(kg/hm2)；

q(n) —n转 速 下 单 个 排 肥 器 的 排肥量(g/min)；

n—排肥轴转速(r/min)；

v—机具前进速度(km/h)；

B—施肥机行距(m)；

N—排肥器个数。

如果对排肥器排肥量和排肥轴转速的关系进行标定， 则有标定拟合方程为

qn=k·n+b

(2)

式中k—标定直线斜率；

b—标定直线截距。

把标定拟合方程式 (2) 代入施肥量式 (1) 中， 得到排肥轴转速控制公式为

(3)

设直流电机与排肥轴的传动比i， 得直流电转速n' 的控制公式为

(4)

对于确定的施肥机和肥料，参数B、N、b、k、i是确定值，可以作为常量写入PLC。对于不同的施肥机或肥料，只需要改变这些参数，而不必改变程序，从而使软件具有通用性。 对于一定的施肥量Q来说，电机转速n′随不同机具前进速度v而改变， 可以通过控制电机转速n′达到适应不同机具前进速度v下的变量施肥要求。

3.2 PID控制

为保证排肥驱动机构运转的稳定性和良好的动态响应特性，选用了数字PID 控制器，兼顾系统动态控制特性和静态性能[14-15]。

典型的 PID 控制的系统结构图如图3所示。

PID 调节器的传递函数为

(5)

其中，KP为比例增益；T1为积分时间；TD为微分时间。 PID 控制原理简单、易于实现、适用面广，关键在于适当地调整参数KP、T1、TD,使整个系统取得良好性能。本文运用PV08-30 比例型流量控制插装阀，可将其视为二阶振荡环节，有

(6)

式中ωv—阀的无阻尼自振频率；

ξv—阀的阻尼系数。

图3 电液比例位置控制系统的动态结构

3.2.1 阀的线性化流量方程

线性化流量方程为[16]

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

(7)

式中Kq—稳态工作点附近的流量增益；

Kc—阀的流量 - 压力系数；

PL—负载压力。

3.2.2 液压马达的流量连续方程

(8)

式中ω—液压马达输出的角速度;

Dm—液压马达的排量;

Ctm—液压马达总的泄漏系数;

βe—油液弹性模量。

3.2.3 液压马达的力矩平衡方程

力矩平衡方程为[17]

(9)

式中Jt—系统的转动惯量;

G—负载的扭转弹簧刚度;

Bm—负载和液压马达的黏性阻尼系数;

TL—负载力矩。

根据式(6)～式(9)得到阀控液压马达系统模型如图 4 所示。

4 变量施肥性能试验

4.1 参数设定

1)试验目的：研究不同转速情况下排肥器的施肥精度及转速追踪特性。根据外槽轮排肥器实际的转速的不同，获取不同转速下的排肥量。

2)试验设备：施肥监视系统(12根排肥管)、液压泵站、量杯、公斤称、电脑、化肥尿素。

3)试验方法：连接施肥监控系统，将尿素装入肥箱，将排肥轴动力装置连接液压泵站，将排肥器的开度定位在55mm，开启施肥监控系统控制台；设定最大排量标定，参数转速逐渐递增，运行时间30s，排出肥料为氮肥、尿素；点击启动按钮，排肥轴开始转动，将肥料从肥箱排出， 30s后，停止工作，对排肥量进行12次测量，量杯净重325g。

试验数据处理及分析如表3和图5所示。

图4 阀控液压马达系统模型

表3 方差分析

图5 变量下的排肥量

根据方差分析可以看出目标转速的改变对于施肥量有显著影响。根据图表可以看出符合线性关系。线性关系式为：y=53.311x+40.977。

4.2 试验结果及分析

在室内2F-12型变量施颗粒化肥试验台中，通过调节落肥口大小，改变排肥器的转速可以实现不同施肥量的抛撒试验，大多数试验都是通过调节落肥口的大小或改变肥料下落的速度，从而对施肥量进行控制。该系统经过测试与试验，能够实现精准施肥，且稳定程度很高，有效地提高了化肥的使用效率，操作简单，符合我国农业的基本现状，适宜在我国农村大面积推广。

试验结果表明：不同转速下，排肥器的排肥量稳定精确，消除了车速及排肥轴转速对实际排肥量的影响。

5 结论

对变量施肥液压驱动系统进行了整体设计，主要是针对液压驱动元件的选用和控制系统进行计算，包含了液压马达、调速阀、液压泵站等的选用要求。确定了设备所选用的型号，同时对变量施肥液压驱动系统进行了实验室的组装试验，结果表明：该系统具有较高的可靠性。尚需解决以下几方面问题：①系统的反馈时间。通过响应实验，计算出施肥时设备的延迟时间，根据反馈的时间，通过实验，得到优化参数，可以大大提高施肥的精准度。②系统的稳定性。能否对转速进行稳定的控制，可以通过改进控制系统来提高施肥精确度及稳定性。