水稻旱直播机液压系统的仿真设计

付　威，丁　凯，张志元，崔　健，赵永满

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832000)

0　引言

水稻是稻属中的一种，作为粮食已具有悠久的历史[1]。2006年来，我国稻谷播种面积连续10年维持在3 000万hm2左右，稻谷单位面积的产量也逐年稳步增长(中国统计年鉴，2016)。由于我国面临水资源分布不均、严重紧缺等问题，影响到粮食作物的生产，而水稻机械旱直播技术具有节水增效的特殊优势，因此近年来水稻旱直播面积在我国增长较快[2-3]。

我国水稻旱直播机研发以2BD系列为主[1]。2015年，张顺等研制了一种水稻精量穴直播机，采用滚筒窝眼、气力式吸种和气吹式清种的播种方式，芽种播种合格率≥85%。2016年，王士国等研制了一种膜下滴灌水稻穴直播机，一次可以完成铺管、覆膜、播种和覆土镇压作业。2016年，翟建波等研制了一种水稻芽种精量旱直播机，采用气力式播种方式，并在种行侧面完成施肥，实现种肥同施[4-6]。欧美等国家直播技术发展较好，美国、意大利、澳大利亚等国家水稻种植技术主要采用直播技术。美国80%以上水稻播种面积采用旱直播技术；澳大利亚100%的水稻播种面积也采用直播技术；意大利是水稻机械直播技术应用最好的国家之一，目前已经完全实现了水稻机械化播种作业，98%的水稻播种面积采用水(旱)直播技术[7-8]。

本文针对现有旱直播机整机仿形性能差、播种质量有待提高等问题，在对国内外水稻机械精量播种技术研究分析的基础上，研制了一种水稻精量旱直播机(2BDH-20型)。为了能够实时控制穴距，研发了一套电液比例调速系统，通过在触摸屏上设定播种穴距，PLC根据播种速度实时调整液压马达转速，从而控制播种作业的穴距。

1　液压系统设计

1.1液压系统方案设计

根据水稻旱直播机播种作业的穴距要求，设计电液比例调速系统中的液压系统时应考虑排种器的转速、马达承受的负载及液压系统的响应时间。流量大小的改变通过PLC控制比例流量阀的阀口大小来实现，进而实现液压马达转速的改变。这要求在规定的时间内比例流量阀工作有较高的可靠性，同时系统对液压原件的灵敏度要求也较高[9-10]。

液压系统通过液压马达将动力传递给20个排种器，为满足经显示屏输入播种穴距要求，通过监测排种器及地轮的转速将检测到的信号传递给PLC，通过PLC控制比例流量阀的阀口大小调节液压马达转速，实现调整播种穴距大小的目的。穴距调节电控工作原理如图1所示。

1.2系统参数计算

1.2.1系统工作流量的计算

参照国内外播种机液压系统的额定压力，对液力驱动的播种机综合试验台工作压力和实际工况条件进行选取，初步确定液压马达型号及额定压力值为4MPa[11-14]。

1)液压马达排量为

(1)

式中Vm—液压马达最大排量(m3/r)；

Tmax—液压马达最大负载力矩(N·m)；

Δp—进、出油口压差(Pa)；

ηmm—液压马达的总效率，根据摆线液压马达设计和选型要求，确定马达总效率为0.9。

每个排种器在取种到投种时的工作扭矩为1～1.5N·m。根据负载设计的最大要求，确定最大外负载值Tmax=40N·m(播种机20行，共20个排种器)，将系统所初选额定压力值(Δp)4MPa代入公式(1)中可得

2)液压马达最大流量为

Qmax=Vmnmax

(2)

式中Qmax—液压马达最大流量(L/min)；

Vm—液压马达最大排量(mL/r)；

nmax—液压马达最高转速(r/min)。

播种机最高作业速度4km/h，穴距100mm，排种器0.8m/r(型孔式排种器有8个型孔)，则n=83.3r/min，取nmax=100r/min。根据式(1)结果，液压马达最大排量Vm为69.78mL/r，代入公式(2)中可得

Qmax=Vmnmax=6.98L/min

因此，根据以上计算所得液压系统的液压马达最大流量，综合考虑液压系统在工作过程中存在压力损失等情况，液压系统最大流量选定需要一定余量，故选用BMR160-2BM型摆线液压马达。

1.油箱　2.地轮测速传感器　3.地轮测速齿盘　4.联轴器　5.液泵 6.压力表　7.液压马达　8.滤清器　9.电液比例流量阀　10.管式球阀

1.2.2系统动力元件选型

1)液压泵额定压力计算。液压泵是为其他执行元件提供动力的动力元件，其最大工作压力为

pp≥p1+∑Δp

(3)

式中pp—液泵工作时的最大工作压力(MPa)；

p1—马达工作时的最大工作压力(MPa)；

ΣΔp—系统工作中进油路的总压力损失(MPa)。

根据系统选取的压力值可知，取p1=4MPa，代入公式(3)得

pp=p1+∑Δp=4.7MPa

2)液压泵最大流量计算，则

Qp≥Qv=K(ΣQ)max

(4)

式中Qp—液压泵最大流量(L/min)；

Qv—系统所需流量(L/min)；

K—系统泄漏系数，一般取1.1～1.3；

(ΣQ)max—液压缸或液压马达同时工作时的最大流量，一般取(0.033～0.05)×10-3m3/s或2～3L/min。

代入数据得Qp≥Qv=K(ΣQ)max=9.38L/min。

由额定压力与最大流量初选液压泵为VP-SF-40D变量叶片泵。

2　液压系统仿真分析

2.1基于AMESim的液压系统模型的建立

根据所选择的液压元件参数及设计的电液比例调速系统原理图，在AMESim12.0仿真软件中建立仿真模型如图2所示。

图2　液压系统仿真模型

对各液压元件及系统参数进行设置，对电液比例调速系统中的实际参数设置谐波信号源参数，共设置20组参数，参数设置频率和振幅，不考虑相位角的变化，如表1所示。表2为仿真模型中所选关键液压元件模型的设置参数[15-16]。

表1　谐波信号源参数设置

表2电液比例调速系统仿真模型主要参数

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

元件参数数值动力源电机1500r/min恒压泵排量200mL/rev转速1500r/min流量变化时间0．05s机械效率0．95限压阀开启压力7MPa流量梯度30L/min/bar

续表2

2.2系统流量仿真分析

2.2.1系统流量仿真分析

液压系统仿真参数根据表1设置，通过设定PLC控制电路系统输入信号进行谐波信号源参数设置，对系统流量进行仿真分析，仿真时间设置为10s，1s为谐波信号的1个周期，1个周期有20个数组变化。图3为液压系统流量图。在谐波信号作用下，液压泵、减压阀和节流阀的流量都出现较大的周期性波动，但在这3个液压元件的作用下，液压马达的出口流量基本保持恒定。结果表明：通过PLC控制信号的输入，可以稳定控制马达在系统中设定某一转速。

2.2.2液压马达转速与输出扭矩分析

图4为液压马达转速图。图4中，电液比例调速系统在谐波信号控制下工作时，液压马达转速下降，约在1.5s以后马达转速呈周期性波动；每个周期为1s，液压马达最大转速为67.62r/min，最小转速为67.08r/min，转速差为0.54r/min。根据NY/T987-2006《铺膜穴播机作业质量》检测标准，以理论穴距±15mm为合格，水稻穴距100mm，则穴距误差小于15%为合格，进行误差计算。

图5为液压马达输出扭矩图。图5中，谐波信号参数设定后，马达扭矩急剧增大，系统约在0.2s后马达扭矩呈周期性波动，每个周期为1s，马达扭矩最大值为-81.48N·m(逆时针为“+”顺时针为“-”)，马达扭矩最小值为-54.23N·m，均大于理论设定40Nm，表明该系统能够提供安全、可靠的扭矩驱动排种器。

图3　系统流量

图4　液压马达转速

图5　液压马达输出扭矩

2.2.3信号输出和输入

信号输出与信号输入(2D)如图6所示，信号输出与信号输入(3D)如图7所示。图6中，系统启动时，节流阀端口与信号源直接相连，信号直接输入，没有延迟和突变，直接做周期性波动，每个周期为1s；减压阀输入信号约0.2s，从0趋于稳定，然后做周期性波动，每个周期1s。由图6和图7可知：信号源输出信号是无量纲的谐波信号，节流阀和减压阀的输入信号结果放大，变成103倍。

图6　信号输出与信号输入(2D)

图7　信号输出与信号输入(3D)

3　结论

1)水稻旱直播机液压系统基于PLC和触摸屏的电液比例控制，液压马达转速实时调节，从而满足了播种作业时的穴距控制，以达到精准作业的要求。

2)根据整机工作原理和作业要求，设计液压系统方案，经参数计算后确定液压系统工作元件选型。在AMESim仿真软件中，根据液压系统工作原理建立了仿真模型，并根据实际参数对仿真环境下液压系统的工作元件进行了参数设置。

3)分析结果表明：液压泵、减压阀和节流阀的共同作用下，系统流量保持平稳恒定；液压马达转速和输出扭矩都满足设计要求，液压泵出油口压力和马达进油口压力与计算数值符合，说明本次设计的液压系统能够保证2BDH-20型播种机排种器的安全性和可靠性。

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