PWM變量噴施控制系統(tǒng)中電磁閥通徑對噴霧壓力的影響

蔣 斌，李 林，李晉陽，魏新華

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

在PWM變量噴霧的過程中，電磁閥的快速啟閉在管路中形成液壓沖擊，導(dǎo)致實際噴霧壓力產(chǎn)生波動，而噴頭的霧量分布和噴霧流量對噴霧壓力波動較為敏感[1-3]，大幅度波動致使其控制精度和穩(wěn)定性受到一定的影響。 國內(nèi)外學(xué)者對PWM變量噴施的施藥量控制[5-10]及霧化特性[15-19]等已經(jīng)有了一定研究。Han等對PWM電磁閥控制間歇噴霧式變量噴施系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)由于噴霧壓力不穩(wěn)而引起的噴霧流量變異較大[4]。但國內(nèi)外有關(guān)PWM變量噴施過程中，針對壓力波動變化特性的研究很少。于達(dá)志等發(fā)現(xiàn)隨著隔膜泵轉(zhuǎn)速的增加，壓力脈動周期逐漸變小，幅值逐漸變大，隨著PWM信號頻率的增加，波動形式趨于諧振狀態(tài)，周期逐漸變小，幅值變大，而PWM信號的占空比對液壓沖擊無明顯的影響[14]。周興翔等對電磁閥啟閉所產(chǎn)生的水壓沖擊進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)電磁閥響應(yīng)時間與其所引起的液壓沖擊呈線性關(guān)系[11]。以上研究對噴頭前端即實際噴霧的壓力波動沒有具體研究，且除了電磁閥開啟和關(guān)閉時間及電磁閥工作頻率與占空比，電磁閥通徑對壓力波動也有較大影響，但未經(jīng)試驗驗證。

本文擬對實際噴霧壓力波動，即噴頭前端壓力特性進(jìn)行試驗分析，明確在不同電磁閥通徑條件下，相匹配不同流量的噴頭等工況組合，得到實際壓力波動變化和振幅離散程度，從而為PWM變量噴施系統(tǒng)的電磁閥選型提供理論依據(jù)及為噴霧壓力的穩(wěn)定控制奠定基礎(chǔ)。

1 PWM變量噴施系統(tǒng)特性實驗平臺

壓力波動試驗系統(tǒng)是以PWM變量噴施系統(tǒng)特性試驗臺為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.藥液箱 2.過濾器 3.恒壓供液裝置 4.手動開關(guān)閥 5.壓力傳感器 6.高速電磁閥 7.噴頭圖1 壓力波動試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of pressure fluctuation test system

測控系統(tǒng)主要由工控機、A/D數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理單元、PWM輸出模塊和功率驅(qū)動模塊組成；管路系統(tǒng)采用恒壓供液裝置供液，主要由藥液箱、過濾器、恒壓供液裝置、高速電磁閥、噴頭和管路組成。在管路入口安裝了手動開關(guān)閥，以方便管路的切換；在高速電磁閥前后端設(shè)置了壓力傳感器，以利用測試系統(tǒng)進(jìn)行管路內(nèi)部的壓力監(jiān)測。

其中，恒壓供液裝置可提供0～1MPa的恒定壓力，且連續(xù)可調(diào)，壓力波動幅度≤±0.005MPa；高速開關(guān)電磁閥選用直動式電磁閥(德國，Burkert公司，6240型，通徑分別為DN15，DN10，DN6)；噴頭采用空心圓錐霧噴頭(德國，letchler，TR80-03型、TR80-04型、TR80-05型)；壓力傳感器采用CYT-101型壓力變送器(北京天宇恒創(chuàng)有限公司)，量程0～1.5MPa，測量誤差≤±0.1%FS，響應(yīng)時間<1ms；連接管路均為高壓橡膠油管。系統(tǒng)控制軟件采用Labview開發(fā)而成，可實現(xiàn)系統(tǒng)壓力的設(shè)定、管路壓力的實時監(jiān)測，以及PWM信號頻率和占空比的設(shè)定。PWM變量噴施系統(tǒng)特性試驗臺實物如圖2所示。

圖2 PWM變量噴施系統(tǒng)試驗臺Fig.2 The experimental platform for PWM-based variable rate application system

2 試驗方案及內(nèi)容

在PWM變量噴施試驗中，考慮實驗場地等因素，用水代替藥液進(jìn)行試驗。根據(jù)壓力波動試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，電磁閥通徑有DN15、DN10、DN6 3種，所選噴頭流量有3種。需在不同工況下，進(jìn)行組合式的對比試驗。

2.1 測試試驗PWM信號頻率、占空比的選定

為更好地得到電磁閥通徑對噴霧壓力波動的影響，需要先確定試驗PWM信號頻率和占空比，根據(jù)于達(dá)志等結(jié)論[14]，PWM信號占空比對壓力波動無影響，所以選定測試占空比為50%。

系統(tǒng)恒定壓力0.3MPa，電磁閥通徑選定DN10，PWM噴頭選擇TR80-03型，PWM信號占空比50%，信號頻率先后設(shè)定為0.5、1、2、3Hz的情況下，以1kHz的采樣頻率連續(xù)采集噴頭前端的壓力1min，對采集到的數(shù)據(jù)由MatLab軟件進(jìn)行中值濾波，每10個數(shù)據(jù)留取一個中值，選取中間的5 000個連續(xù)數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)編號為橫坐標(biāo)，壓力值為縱坐標(biāo)作圖，如圖3所示。

對于不同工況下壓力波動的評價主要采用平均壓力Pmean、壓力波動離散率(均方根誤差)δp，各參數(shù)的計算方法如下[21]

(1)

(2)

根據(jù)圖3中的數(shù)據(jù)以及式(1)、式(2)，對其進(jìn)行分析處理，如表1所示。

圖3 PWM信號頻率對壓力波動的影響Fig.3 The impact of pressure fluctuations from PWM signal frequency

表1 不同PWM信號頻率下的壓力分析

由圖3可知：在系統(tǒng)壓力、電磁閥通徑、噴頭流量不變情況下，噴霧壓力波動的周期隨著PWM信號頻率的增加而減小，在3Hz左右呈現(xiàn)諧振的形式，周期不再明顯變化，Pmean隨頻率增加而變大，δp隨頻率增加而減小。在PWM信號頻率2Hz，占空比50%的工況下，壓力波動還未成為諧振狀態(tài)，便于數(shù)據(jù)觀察和規(guī)律尋找，且均值接近系統(tǒng)供液壓力，具有代表性，所以選定此頻率為試驗頻率。

2.2 恒定壓力下，電磁閥通徑對噴霧壓力的影響

根據(jù)實際噴霧作業(yè)情況，噴霧系統(tǒng)的常規(guī)供液壓力處于0.3～0.5MPa，所以恒壓供液裝置先后設(shè)定0.3MPa和0.5MPa兩個系統(tǒng)供液壓力。將TR80-03型噴頭裝在DN15、DN10、DN6 3條支路上，調(diào)節(jié)PWM控制信號頻率為2Hz、占空比為50%，啟動檢測程序，測量方式，數(shù)據(jù)處理同2.1。保持系統(tǒng)供液壓力、PWM信號頻率、占空比不變，更換噴頭為其余兩種型號，得到電磁閥通徑-噴頭工況組合下，噴霧壓力波動數(shù)據(jù)。

2.3 供液壓力階躍，電磁閥通徑對噴霧壓力的影響

考慮到噴霧機在行走過程中系統(tǒng)壓力經(jīng)常出現(xiàn)一定程度的階躍，針對不同電磁閥通徑，系統(tǒng)階躍過程中的噴霧壓力波動性。設(shè)定恒壓供水裝置提供0.3～0.4MPa和0.3～0.5MPa兩個不同的階躍。保持噴頭流量不變，設(shè)置PWM信號頻率2Hz、占空比50%，分別單獨打開3條管路，啟動檢測程序，測量方式同2.1。得到階躍—電磁閥通徑工況組合下，噴霧壓力波動數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 壓力恒定情況下，電磁閥通徑對壓力波動影響

設(shè)定系統(tǒng)壓力為0.3、0.5MPa，PWM信號頻率2Hz，占空比50%，選擇TR80-03型噴頭，恒壓下分別開啟3條支路，如表2和圖4所示。

設(shè)定系統(tǒng)壓力為0.3、0.5MPa，PWM信號頻率2Hz，占空比50%，選擇TR80-04型噴頭，恒壓下分別開啟3條支路，如表3和圖5所示。

設(shè)定系統(tǒng)壓力為0.3、0.5MPa，PWM信號頻率2Hz，占空比50%，選擇TR80-05型噴頭，恒壓下分別開啟3條支路，如表4和圖6所示。

表2 TR80-03型噴頭，不同通徑和壓力下的壓力分析

圖4 TR80-03型噴頭，壓力-通徑工況組合結(jié)果Fig.4 TR80-03 nozzle, the combination results of pressure-pipeline表3 TR80-04型噴頭，不同通徑和壓力下的壓力分析Table 3 TR80-03 nozzle, the pressure analysis of different pipeline and pressure

電磁閥通徑恒壓0.3MPa平均值波動離散率恒壓0.5MPa平均值波動離散率DN150.279980.001300.473270.00163DN100.226190.006810.348550.00917DN60.167020.038200.227050.10441

圖5 TR80-04型噴頭，壓力-通徑工況組合結(jié)果Fig.5 TR80-04 nozzle, the combination results of pressure-pipeline表4 TR80-05型噴頭，不同通徑和壓力下的壓力分析Table 4 TR80-05 nozzle, the pressure analysis of different pipeline and pressure

電磁閥通徑恒壓0.3MPa平均值波動離散率恒壓0.5MPa平均值波動離散率DN150.272010.001440.471100.00178DN100.201680.006680.336610.00975DN60.143010.055440.195070.15276

圖6 TR80-05型噴頭，壓力-通徑工況組合結(jié)果Fig. 6 TR80-05 nozzle, the combination results of pressure-pipeline

根據(jù)上述圖表可知：噴霧壓力波動與電磁閥通徑密切相關(guān)，在系統(tǒng)壓力恒定、噴頭流量不變情況下，隨著電磁閥通徑減小，Pmean逐漸減小，δp逐漸增大；當(dāng)其他工況不變時，系統(tǒng)壓力增加，δp也逐漸增大，且振幅程度隨電磁閥通徑減小而變大。

結(jié)合圖表縱向比較，噴頭流量對噴霧壓力波動也有一定的影響，但影響程度不如電磁閥通徑大。系統(tǒng)壓力恒定，電磁閥通徑為DN15時，壓力波動已經(jīng)呈現(xiàn)諧振形式，噴頭流量增加，Pmean減小，但減小幅度較小，δp無明顯影響，且δp<0.002；系統(tǒng)壓力恒定，電磁閥通徑為DN10時，噴頭流量增加，Pmean逐漸減小，δp無明顯影響，且δp<0.01；系統(tǒng)壓力恒定，電磁閥通徑為DN6時，噴頭流量增加，Pmean逐漸減小，δp大幅增加；當(dāng)噴頭流量和電磁閥通徑不變時，系統(tǒng)壓力增加，δp也大幅增加。

3.2 供液壓力階躍過程中電磁閥通徑對壓力波動影響

設(shè)置PWM信號頻率2Hz，占空比50%，噴頭TR80-03型的工況，分別選定DN15、DN10、DN6 3條管路，將恒壓供液裝置調(diào)節(jié)為0.3～0.4MPa和0.3～0.5MPa兩個不同的階躍,啟動檢測程序，測量方法，數(shù)據(jù)處理方式同2.1。

根據(jù)圖7和圖8可知：DN15通徑中，壓力波動已經(jīng)為諧振形式，系統(tǒng)階躍條件下，噴霧壓力呈階梯形穩(wěn)定變化；在DN10、DN6管路中，系統(tǒng)階躍條件下，噴霧壓力呈波動形式增加，且電磁閥通徑變小，波動振幅增加，但波動周期無明顯變化。

圖7 0.3～0.4MPa階躍下，噴霧壓力波動Fig.7 0.3～0.4MPa, The pressure fluctuations of spraying

圖8 0.3～0.5MPa階躍下，噴霧壓力波動Fig.8 0.3～0.5MPa, The pressure fluctuations of spraying

4 結(jié)論

1) 在系統(tǒng)壓力恒定、噴頭流量不變情況下，電磁閥通徑與壓力波動均值呈正相關(guān)，壓力波動離散率隨管徑減小而增大。

2) 在系統(tǒng)壓力恒定、電磁閥通徑不變情況下，噴頭流量與壓力波動均值呈負(fù)相關(guān)；在通徑為DN15和DN10情況下，隨著噴頭流量增加，壓力波動離散率無顯著變化，分別小于0.002和0.01；在通徑為DN6情況下，壓力波動離散率隨噴頭流量增加而增加。

3) 系統(tǒng)供液壓力發(fā)生階躍時，隨著電磁閥通徑減小，壓力波動振幅增加，波動周期無明顯變化。

4)噴頭流量和系統(tǒng)壓力等影響因子對噴霧壓力波動性影響大小隨電磁閥通徑增加而減小，且當(dāng)電磁閥通徑較大時，壓力波動易呈現(xiàn)出諧振的形式；在實際電磁閥選型中，通徑應(yīng)大于等于DN10，避免噴霧壓力大幅變化。

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AbstractID:1003-188X(2018)05-0164-EA