基于AMESim有機肥-化肥開溝施肥機仿真分析

董劍豪，畢新勝，于愛婧，董萬城，王向陽，劉新州

(1.石河子大學(xué) 機械電氣工程學(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)過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，其中有機肥與化肥是主要的肥料，在現(xiàn)有的有機肥施肥技術(shù)中，有機肥施用過程主要包括將有機肥運到地面，然后進行人工施肥，但這種施肥模式直接影響作物的生長和產(chǎn)量。

當(dāng)前，國內(nèi)學(xué)者針對果園有機肥化肥施肥的問題不斷進行研究，王蘭英等[1]針對葡萄有機肥施肥機施肥均勻性差、作業(yè)效率低以及開溝深度淺的問題，研制了一種針對葡萄有機肥施肥機，可以一次性實現(xiàn)開溝、施肥、覆土等作業(yè)過程。肖琪等[2]對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)定及無法實現(xiàn)系統(tǒng)的無差操縱等問題，研究與開發(fā)了變量施肥驅(qū)動系統(tǒng)。李波等[3]研究設(shè)計了由變量馬達，實現(xiàn)作業(yè)的自主式變量施肥機，通過改變液壓系統(tǒng)中變量液壓馬達的容積實現(xiàn)液壓馬達轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進而達到變量施肥的目的。陳書法等[4]設(shè)計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，實現(xiàn)了連續(xù)變速的撒肥工作需求。自1960年以來，國外果園施肥機械發(fā)展較為迅速，Massey Ferguson SC7660 液體肥料施肥機是一種經(jīng)典的有機肥施肥機械，通過PWM控制液壓流量來調(diào)節(jié)施肥量，實現(xiàn)精準(zhǔn)變量施肥[5]。法國某公司生產(chǎn)的Pro Push 2044和Pro Twin 8150施肥機均采用液壓推進機構(gòu)，實現(xiàn)了無裙鏈平穩(wěn)施肥的目的[6]。綜上所述，國內(nèi)外研究人員對施肥機械的研究不斷深入，但是對果園混合式施肥機的研究鮮有報道。

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。在果園施肥過程中，單一的使用化肥將會導(dǎo)致土壤板結(jié)[7-12]，而單一的使用有機肥，不能滿足果樹的生長需求且肥效較慢，因此亟需加快對混合施肥機的研究。

1 有機肥-化肥開溝施肥一體機總體結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

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

1.2 整機工作原理與主要技術(shù)指標(biāo)

1) 整機工作原理

機架上裝有有機肥箱和化肥箱，機架下部裝有車輪和開溝深度調(diào)節(jié)油缸，有機肥箱內(nèi)裝有支撐裝置和刮板式輸肥料鏈。有機肥料箱裝有輸肥口、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。機架的后部裝有施肥機構(gòu)和開溝覆土機構(gòu)，有機肥施肥機構(gòu)通過液壓馬達、施肥帶和施肥擋板實現(xiàn)單面和雙面施肥同時可以對施肥的寬度進行調(diào)節(jié)，有機肥開溝覆土機構(gòu)開溝深度的調(diào)節(jié)通過控制油缸實現(xiàn)，化肥開溝覆土機構(gòu)通過手動調(diào)節(jié)和機械調(diào)節(jié)，通過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。

整機工作需要滿足，在進入果園前，需要根據(jù)果樹的種植行間距調(diào)整有機肥左右開溝器的開溝幅寬，有機肥的施肥深度需求通過開溝器深度調(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；有機肥施肥馬達要迅速的達到設(shè)計轉(zhuǎn)速，響應(yīng)延遲時間短且施肥帶上不允許出現(xiàn)堵肥現(xiàn)象。

2) 整機工作原理

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

表1 有機肥-化肥開溝施肥一體機主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓傳動系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的機械傳動，具有高扭矩、調(diào)速范圍廣、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點，本研究根據(jù)輸送有機肥和化肥施肥機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。包括有機肥施肥回路、有機肥輸肥回路、開溝深度調(diào)節(jié)回路、有機肥開口度調(diào)節(jié)回路等組成液壓控制系統(tǒng)。首先，來自液壓系統(tǒng)的壓力油通過過濾器從油箱進入齒輪泵，由拖拉機后動力輸出軸提供動力。在使用有機和化學(xué)肥料時，液壓馬達帶動輸肥鏈條完成有機肥輸送至輸肥口，位于輸肥口的有機肥落入施肥帶，有機肥施肥液壓馬達驅(qū)動施肥帶最終完成有機肥施肥過程。通過設(shè)置調(diào)速閥實現(xiàn)對液壓馬達轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進而完成對輸肥和施肥量的控制。為避免有機肥在施肥過程中漏施的現(xiàn)象，設(shè)置單向閥。液壓鎖的設(shè)置可避免施肥機在作業(yè)過程中因管路壓力不足或其他原因?qū)е碌妆P與有機肥輸肥口突然下降的現(xiàn)象。過濾器的安裝可過濾掉液壓油液中的堅硬顆粒、雜物、灰塵和土壤等沉淀物，延長液壓元件的壽命，減少液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的故障。

1.過濾器 2.液壓泵 3.拖拉機后動力輸出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.有機肥施肥馬達16.油箱 17.有機肥輸肥馬達 18～20.單向閥21、22.開溝深度調(diào)節(jié)油缸 23.有機肥輸肥口開度調(diào)節(jié)油缸圖2 整機液壓系統(tǒng)示意圖

2 液壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件的計算與選型

2.1 開溝深度油缸的計算與選型

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

(1)

式中，F(xiàn)—— 單個液壓缸的推力

G—— 整機系統(tǒng)完全加載時的重力

m—— 整機自重

m1—— 有機肥肥箱完全加載時的質(zhì)量

m2—— 化肥肥箱完全加載時的質(zhì)量

根據(jù)式(1)可得，液壓缸缸筒直徑：

(2)

式中，ηm—— 液壓缸的機械效率，取值0.9

p1—— 液壓缸進油路壓力，取值12 MPa

p2—— 對于簡單的系統(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

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

2.2 有機肥輸肥液壓馬達的參數(shù)計算

1) 輸肥液壓馬達轉(zhuǎn)速的選取

因不同地區(qū)對有機肥的需求量不同，通過實地調(diào)研，得出新疆地區(qū)有機肥的施肥量大致為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，施肥機兩側(cè)有機肥和化肥的施肥幅寬為5000 mm，為保障有機肥-化肥開溝施肥一體機正常工作，其有機肥輸肥軸的轉(zhuǎn)速為2.33～22.29 r/min，選用傳動比為8的減速器，經(jīng)計算，有機肥輸肥液壓馬達的轉(zhuǎn)速范圍為18.64～178.32 r/min。

2) 有機肥輸肥馬達扭矩的確定

有機肥施肥時刮板傳送裝置運行的總阻力計算公式，如下所示：

W=wf(m0f1+m3f2)g

(3)

式中，wf—— 附加阻力系數(shù)，取1.3

f1—— 有機肥料與底板之間的摩擦系數(shù)，

取0.75

f2—— 有機肥刮板與底板之間的摩擦系數(shù)，

取0.5

m0—— 有機肥刮板傳送裝置的質(zhì)量

m3—— 有機肥滿載堆積時的總質(zhì)量

3) 有機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，有機肥輸肥馬達的扭矩：

(5)

求得有機肥輸肥馬達扭矩為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AMESim液壓仿真軟件，搭建了有機肥-化肥開溝施肥一體機的液壓仿真系統(tǒng)模型，同時，通過HCD庫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。輸肥馬達和左右施肥馬達排量選用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。有機肥施肥機液壓系統(tǒng)包含了有機肥輸肥液壓馬達和負(fù)載模型、有機肥左右施肥液壓馬達和負(fù)載模型、有機肥輸肥口開度調(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) 有機肥輸肥馬達仿真結(jié)果分析

負(fù)載為2849，3878，4900 kg仿真后的有機肥輸肥馬達和輸肥軸的扭矩T、轉(zhuǎn)速n曲線變化圖如圖4～圖8所示。在液壓系統(tǒng)剛剛啟動時，由于液壓油和有機肥輸肥馬達都處于靜止?fàn)顟B(tài)，液壓泵在對有機肥輸肥馬達注入油液時，由于慣性力的影響，會造成液壓油液和有機肥輸肥馬達產(chǎn)生輕微的震蕩，0.2 s后將趨于平穩(wěn),不同負(fù)載所對應(yīng)的輸送有機肥液壓馬達的轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在57.67，60.31，62.85 r/min，有機肥輸肥軸的轉(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)定運轉(zhuǎn)，此時有機肥輸肥馬達的扭矩分別穩(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，有機肥輸肥馬達的流量在系統(tǒng)運行0.2 s后穩(wěn)定在15.75 L/min。經(jīng)過計算有機肥輸肥馬達理論計算值與仿真值的誤差為0.27%，驗證了理論計算的準(zhǔn)確性。

圖4 有機肥輸肥軸扭矩曲線圖

圖5 有機肥輸肥馬達扭矩曲線圖

2) 有機肥施肥馬達仿真結(jié)果分析

如圖9～圖11所示為仿真后的有機肥施肥馬達和輸肥軸的扭矩、 轉(zhuǎn)速、 流量Q曲線變化圖。在0～2.5 s間有機肥施肥馬達所產(chǎn)生扭矩的波動與有機肥輸肥過程相同，在2.5 s左右，雙向施肥馬達的轉(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，通過仿真的運行結(jié)果和圖像可知，分流閥的設(shè)置使有機肥雙向施肥馬達同步性良好，可滿足有機肥的施肥農(nóng)藝要求，驗證了AMESim仿真模型參數(shù)設(shè)置的合理性。

圖6 有機肥輸肥軸轉(zhuǎn)速曲線圖

圖7 有機肥輸肥馬達轉(zhuǎn)速曲線圖

圖8 有機肥輸肥馬達流量圖

圖9 有機肥施肥馬達扭矩圖

3) 開溝深度調(diào)節(jié)油缸仿真結(jié)果分析

在有機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，但運動速度呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動趨勢；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動速度為0；15～20 s內(nèi)活塞桿以31.63 mm/s的速度進行運動，并將活塞桿的高度由334.28 mm提升至500 mm，在達到指定作業(yè)高度后，油缸處于暫停工作階段，此時液壓系統(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行穩(wěn)定工作，此時開溝深度保持不變且運動速度為0；30～38 s 內(nèi)活塞桿以30.13 mm/s的運動速度由最高位置下降至289.74 mm；38～42 s活塞桿的運動速度為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)計參數(shù)符合設(shè)計要求，同時也保證了施肥機開溝作業(yè)平穩(wěn)運行。

圖10 有機肥施肥馬達轉(zhuǎn)速圖

圖11 有機肥施肥馬達流量圖

圖12 施肥機開溝深度調(diào)節(jié)油缸位移變化曲線

圖13 施肥機開溝深度調(diào)節(jié)油缸速度曲線

4 結(jié)論

闡述整機結(jié)構(gòu)與工作原理，完成對開溝深度調(diào)節(jié)油缸的計算與有機肥輸肥液壓馬達的參數(shù)計算，在有機肥-化肥肥箱滿載時的極限工況下，理論計算表明，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。有機肥輸肥液壓馬達的轉(zhuǎn)速范圍為20～120 r/min，有機肥輸肥馬達的扭矩為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，有機肥輸肥馬達仿真結(jié)果表明，在液壓系統(tǒng)剛啟動時由于慣性力的影響，會造成液壓油液和有機肥輸肥馬達產(chǎn)生輕微的振蕩，待0.2 s后會趨于平穩(wěn)。在穩(wěn)定工作時，有機肥輸肥馬達的扭矩與理論計算結(jié)果誤差為0.27%，驗證了理論計算的準(zhǔn)確性。有機肥施肥馬達仿真與開溝深度油缸仿真分析結(jié)果表明，在理論計算參數(shù)下，馬達的穩(wěn)定運行驗證了AMESim仿真模型參數(shù)設(shè)置的合理性。