基于AMESim有机肥-化肥开沟施肥机仿真分析

董剑豪，毕新胜，于爱婧，董万城，王向阳，刘新州

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.石河子大学 医学院第一附属医院医学工程部，新疆 石河子 832000；3.阿拉尔润农现代农业科技有限公司，新疆 阿拉尔 843300)

引言

施肥是果园生产作业过程中最重要的环节之一，其中有机肥与化肥是主要的肥料，在现有的有机肥施肥技术中，有机肥施用过程主要包括将有机肥运到地面，然后进行人工施肥，但这种施肥模式直接影响作物的生长和产量。

当前，国内学者针对果园有机肥化肥施肥的问题不断进行研究，王兰英等[1]针对葡萄有机肥施肥机施肥均匀性差、作业效率低以及开沟深度浅的问题，研制了一种针对葡萄有机肥施肥机，可以一次性实现开沟、施肥、覆土等作业过程。肖琪等[2]对于变量施肥液压控制系统转速调节精度不高，存在小范围转速不稳定及无法实现系统的无差操纵等问题，研究与开发了变量施肥驱动系统。李波等[3]研究设计了由变量马达，实现作业的自主式变量施肥机，通过改变液压系统中变量液压马达的容积实现液压马达转速的调节，进而达到变量施肥的目的。陈书法等[4]设计了一种变量撒肥控制系统，研究了控制内容和控制策略，实现了连续变速的撒肥工作需求。自1960年以来，国外果园施肥机械发展较为迅速，Massey Ferguson SC7660 液体肥料施肥机是一种经典的有机肥施肥机械，通过PWM控制液压流量来调节施肥量，实现精准变量施肥[5]。法国某公司生产的Pro Push 2044和Pro Twin 8150施肥机均采用液压推进机构，实现了无裙链平稳施肥的目的[6]。综上所述，国内外研究人员对施肥机械的研究不断深入，但是对果园混合式施肥机的研究鲜有报道。

合理的施肥是提高果园产品产量和质量的重要保障。在果园施肥过程中，单一的使用化肥将会导致土壤板结[7-12]，而单一的使用有机肥，不能满足果树的生长需求且肥效较慢，因此亟需加快对混合施肥机的研究。

1 有机肥-化肥开沟施肥一体机总体结构

1.1 总体结构设计

设计了一种有机肥-化肥开沟施肥一体机，施肥机悬挂在拖拉机后方，并由拖拉机后部的动力输出轴驱动。该机械设备主要由开沟机构、有机肥施肥机构、化肥施肥机构、覆土机构、行走机构、液压系统等组成，整机结构如图1所示。

1.有机肥料箱 2.机架 3.驱动轮连接架 4.车轮5.有机肥开沟器 6.有机肥施肥挡板 7.有机肥覆土轮8.化肥开沟器 9.化肥覆土板 10.化肥输肥管11.有机肥肥料箱输肥口 12.化肥料箱13.有机肥肥料箱输肥口开度调节板图1 整机结构示意图

1.2 整机工作原理与主要技术指标

1) 整机工作原理

机架上装有有机肥箱和化肥箱，机架下部装有车轮和开沟深度调节油缸，有机肥箱内装有支撑装置和刮板式输肥料链。有机肥料箱装有输肥口、输肥口开度调节板和输肥口开度调节液压缸。化肥箱上装有第一和第二肥料出口，下面装有肥料出口调节板。机架的后部装有施肥机构和开沟覆土机构，有机肥施肥机构通过液压马达、施肥带和施肥挡板实现单面和双面施肥同时可以对施肥的宽度进行调节，有机肥开沟覆土机构开沟深度的调节通过控制油缸实现，化肥开沟覆土机构通过手动调节和机械调节，通过化肥输肥管输送肥料以满足不同果树行距和不同深度的农艺要求。

整机工作需要满足，在进入果园前，需要根据果树的种植行间距调整有机肥左右开沟器的开沟幅宽，有机肥的施肥深度需求通过开沟器深度调节液压缸把开沟器的开沟深度调节到标定深度；有机肥施肥马达要迅速的达到设计转速，响应延迟时间短且施肥带上不允许出现堵肥现象。

2) 整机工作原理

如图1、图2所示，有机肥施肥机构主要由有机肥施肥挡板、有机肥开沟器、有机肥肥料箱输肥口开度调节板、有机肥施肥马达等组成，施肥马达安装于有机肥施肥机构后端，施肥马达分别带动施肥带向沟槽施肥。主要技术参数指标如表1所示。

表1 有机肥-化肥开沟施肥一体机主要技术指标

1.3 液压系统工作原理

液压传动系统相对于传统的机械传动，具有高扭矩、调速范围广、传动平稳等优点，本研究根据输送有机肥和化肥施肥机的工作原理和性能要求，搭建了液压控制系统的控制原理图，如图2所示。包括有机肥施肥回路、有机肥输肥回路、开沟深度调节回路、有机肥开口度调节回路等组成液压控制系统。首先，来自液压系统的压力油通过过滤器从油箱进入齿轮泵，由拖拉机后动力输出轴提供动力。在使用有机和化学肥料时，液压马达带动输肥链条完成有机肥输送至输肥口，位于输肥口的有机肥落入施肥带，有机肥施肥液压马达驱动施肥带最终完成有机肥施肥过程。通过设置调速阀实现对液压马达转速的调节，进而完成对输肥和施肥量的控制。为避免有机肥在施肥过程中漏施的现象，设置单向阀。液压锁的设置可避免施肥机在作业过程中因管路压力不足或其他原因导致底盘与有机肥输肥口突然下降的现象。过滤器的安装可过滤掉液压油液中的坚硬颗粒、杂物、灰尘和土壤等沉淀物，延长液压元件的寿命，减少液压系统出现的故障。

1.过滤器 2.液压泵 3.拖拉机后动力输出4～7.三位四通电磁换向阀 8.分流阀 9、10.单向节流阀11.节流阀 12.双向液压锁 13.液压锁 14、15.有机肥施肥马达16.油箱 17.有机肥输肥马达 18～20.单向阀21、22.开沟深度调节油缸 23.有机肥输肥口开度调节油缸图2 整机液压系统示意图

2 液压系统关键部件的计算与选型

2.1 开沟深度油缸的计算与选型

有机肥-化肥开沟施肥一体机的开沟深度调节控制系统由2个液压缸共同完成,在有机肥-化肥肥箱满载时的极限工况下,每个液压缸的推力计算公式如下所示：

(1)

式中，F—— 单个液压缸的推力

G—— 整机系统完全加载时的重力

m—— 整机自重

m1—— 有机肥肥箱完全加载时的质量

m2—— 化肥肥箱完全加载时的质量

根据式(1)可得，液压缸缸筒直径：

(2)

式中，ηm—— 液压缸的机械效率，取值0.9

p1—— 液压缸进油路压力，取值12 MPa

p2—— 对于简单的系统,液压缸回油回路 中的背压取值，0.2 MPa

φ—— 液压缸杆径比，取值0.7

通过计算可得，D=62.65 mm，按GB/T 7939，将液压缸缸筒直径取整为D=63 mm，通过液压手册查表可知，开沟深度油缸的直径为d=45 mm，根据设计行程要求，选择活塞行程s=500 mm。调节有机肥料开口液压缸的计算和选择过程与开沟深度油缸的计算过程相同。

2.2 有机肥输肥液压马达的参数计算

1) 输肥液压马达转速的选取

因不同地区对有机肥的需求量不同，通过实地调研，得出新疆地区有机肥的施肥量大致为12～43 t/(hm2)。本研究选择2.5 km/h的作业速度，刮板传送节圆直径取120 mm，施肥机两侧有机肥和化肥的施肥幅宽为5000 mm，为保障有机肥-化肥开沟施肥一体机正常工作，其有机肥输肥轴的转速为2.33～22.29 r/min，选用传动比为8的减速器，经计算，有机肥输肥液压马达的转速范围为18.64～178.32 r/min。

2) 有机肥输肥马达扭矩的确定

有机肥施肥时刮板传送装置运行的总阻力计算公式，如下所示：

W=wf(m0f1+m3f2)g

(3)

式中，wf—— 附加阻力系数，取1.3

f1—— 有机肥料与底板之间的摩擦系数，

取0.75

f2—— 有机肥刮板与底板之间的摩擦系数，

取0.5

m0—— 有机肥刮板传送装置的质量

m3—— 有机肥满载堆积时的总质量

3) 有机肥刮板传送装置的扭矩：

T=W·R

(4)

式中，R为链轮节圆半径。

根据式(3)和式(4)可得，有机肥输肥马达的扭矩：

(5)

求得有机肥输肥马达扭矩为364.2 N·m。

3 液压系统建模与仿真分析

3.1 液压系统建模

通过AMESim液压仿真软件，搭建了有机肥-化肥开沟施肥一体机的液压仿真系统模型，同时，通过HCD库分别搭建了分流阀和液压锁的模型[13-20]。其参数分别为系统工作压力12 MPa，开沟深度油缸缸径为63 mm、杆径45 mm，最大行程500 mm。输肥马达和左右施肥马达排量选用0.25 L/r和0.16 L/r，最高转速分别为300 r/min和425 r/min，最大扭矩输出分别为400 N·m和340 N·m。有机肥施肥机液压系统包含了有机肥输肥液压马达和负载模型、有机肥左右施肥液压马达和负载模型、有机肥输肥口开度调节液压缸与负载模型、开沟深度调节油缸和负载模型如图3所示。

图3 液压系统仿真模拟图

3.2 仿真结果分析

1) 有机肥输肥马达仿真结果分析

负载为2849，3878，4900 kg仿真后的有机肥输肥马达和输肥轴的扭矩T、转速n曲线变化图如图4～图8所示。在液压系统刚刚启动时，由于液压油和有机肥输肥马达都处于静止状态，液压泵在对有机肥输肥马达注入油液时，由于惯性力的影响，会造成液压油液和有机肥输肥马达产生轻微的震荡，0.2 s后将趋于平稳,不同负载所对应的输送有机肥液压马达的转速分别稳定在57.67，60.31，62.85 r/min，有机肥输肥轴的转速分别稳定在7.21，7.54，7.86 r/min，并在之后的4.8 s内稳定运转，此时有机肥输肥马达的扭矩分别稳定在213.30，288.26，363.21 N·m，输肥轴的扭矩也分别稳定在1713.60，2313.60，2905.74 N·m，有机肥输肥马达的流量在系统运行0.2 s后稳定在15.75 L/min。经过计算有机肥输肥马达理论计算值与仿真值的误差为0.27%，验证了理论计算的准确性。

图4 有机肥输肥轴扭矩曲线图

图5 有机肥输肥马达扭矩曲线图

2) 有机肥施肥马达仿真结果分析

如图9～图11所示为仿真后的有机肥施肥马达和输肥轴的扭矩、 转速、 流量Q曲线变化图。在0～2.5 s间有机肥施肥马达所产生扭矩的波动与有机肥输肥过程相同，在2.5 s左右，双向施肥马达的转速与扭矩和流量分别增大到36.90 r/min与161.90 N·m和5.93 L/min，且在2.5 s内保持不变，通过仿真的运行结果和图像可知，分流阀的设置使有机肥双向施肥马达同步性良好，可满足有机肥的施肥农艺要求，验证了AMESim仿真模型参数设置的合理性。

图6 有机肥输肥轴转速曲线图

图7 有机肥输肥马达转速曲线图

图8 有机肥输肥马达流量图

图9 有机肥施肥马达扭矩图

3) 开沟深度调节油缸仿真结果分析

在有机肥和化肥充满肥箱的极限工作条件下，开沟深度油缸的位移x曲线和速度v曲线如图12、图13所示。开沟深度调节油缸的作业主要分为三个阶段，上升阶段、暂停阶段和下降阶段。由图可知在1～3 s内活塞杆的高度呈上升趋势，但运动速度呈现不稳定波动趋势；3～10 s内以30 mm/s的稳定速度将活塞杆升高至334.28 mm；10～15 s内活塞杆高度保持不变且运动速度为0；15～20 s内活塞杆以31.63 mm/s的速度进行运动，并将活塞杆的高度由334.28 mm提升至500 mm，在达到指定作业高度后，油缸处于暂停工作阶段，此时液压系统处于自锁状态，保证了开沟深度的准确性；20～30 s内在液压锁的作用下进行稳定工作，此时开沟深度保持不变且运动速度为0；30～38 s 内活塞杆以30.13 mm/s的运动速度由最高位置下降至289.74 mm；38～42 s活塞杆的运动速度为0且活塞杆的高度不变；最后在42～55 s内活塞杆以30.13 mm/s的速度降落至初始位置。综上可知，开沟深度调节油缸设计参数符合设计要求，同时也保证了施肥机开沟作业平稳运行。

图10 有机肥施肥马达转速图

图11 有机肥施肥马达流量图

图12 施肥机开沟深度调节油缸位移变化曲线

图13 施肥机开沟深度调节油缸速度曲线

4 结论

阐述整机结构与工作原理，完成对开沟深度调节油缸的计算与有机肥输肥液压马达的参数计算，在有机肥-化肥肥箱满载时的极限工况下，理论计算表明，压油缸缸筒直径取63 mm，开沟深度调节液压缸的直径为45 mm，选择活塞行程500 mm。有机肥输肥液压马达的转速范围为20～120 r/min，有机肥输肥马达的扭矩为364.2 N·m。

在理论分析的基础上完成液压系统建模与仿真分析，有机肥输肥马达仿真结果表明，在液压系统刚启动时由于惯性力的影响，会造成液压油液和有机肥输肥马达产生轻微的振荡，待0.2 s后会趋于平稳。在稳定工作时，有机肥输肥马达的扭矩与理论计算结果误差为0.27%，验证了理论计算的准确性。有机肥施肥马达仿真与开沟深度油缸仿真分析结果表明，在理论计算参数下，马达的稳定运行验证了AMESim仿真模型参数设置的合理性。