模塊化精量噴霧控制閥組設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

李加琪，杜娟, 2，孟繁君，趙利新，魏冉冉，印祥, 2

(1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博，255000； 2. 山東省旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械及信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東淄博，255000)

0 引言

高地隙植保機(jī)在大田作物病蟲(chóng)害防治中發(fā)揮著極為重要的作用，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展歷程中重要的農(nóng)機(jī)具之一[1-4]。但是，高地隙植保機(jī)在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，由于田間施藥環(huán)境復(fù)雜多樣，車(chē)體行駛速度難以得到保證，導(dǎo)致藥劑浪費(fèi)、施藥效果差等問(wèn)題[5-7]。目前我國(guó)一些科研院所研制的基于處方圖、基于行駛速度或?qū)崟r(shí)傳感器的變量噴霧植保機(jī)多數(shù)處在實(shí)驗(yàn)室階段，并未得到推廣應(yīng)用[8-9]，市場(chǎng)上生產(chǎn)的高地隙植保機(jī)主要采取均勻等量的噴霧方式進(jìn)行田間噴藥作業(yè)，流量及噴幅調(diào)節(jié)多為手動(dòng)調(diào)節(jié)，且控制方式也較為單一[10-11]，變量施藥控制技術(shù)仍是植保機(jī)重要研究方向。

隨順濤等根據(jù)車(chē)速變化設(shè)計(jì)了基于PWM的變量噴藥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了依據(jù)車(chē)速變化的變量施藥作業(yè)；孫文峰等[12]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制變量施藥系統(tǒng)，能夠解決超調(diào)量大、穩(wěn)態(tài)誤差大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了單位面積內(nèi)施藥量恒定的作業(yè)目標(biāo)。莫錦秋等[13]提出的基于PWM技術(shù)的平移式變量噴灌機(jī)噴頭流量分配方法，將加權(quán)均分法和GA法結(jié)合在一起，在降低噴灑誤差的同時(shí)保證了處方值變化較小區(qū)域的噴灑均勻性。Mariano等[14]集成自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、電磁閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變量噴頭和PLC控制器開(kāi)發(fā)的智能?chē)婌F控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)規(guī)劃的作業(yè)路線(xiàn)，參考作業(yè)處方圖實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的定點(diǎn)定量噴施，除草精度達(dá)99%。

以上研究對(duì)精量噴霧控制閥組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制策略提供了重要理論依據(jù)，本文結(jié)合我國(guó)高地隙植保機(jī)噴藥裝置的應(yīng)用需求，通過(guò)分析計(jì)算確定了閥體結(jié)構(gòu)以及開(kāi)關(guān)閥、限壓閥、流量控制閥、區(qū)段開(kāi)關(guān)閥等閥體模塊的尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)了適用于高地隙植保機(jī)的精量噴霧控制閥組，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試其工作性能。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 精量噴霧設(shè)計(jì)需求

對(duì)于高地隙植保機(jī)而言，實(shí)現(xiàn)精量噴霧作業(yè)旨在能根據(jù)環(huán)境需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴藥量大小，要求噴霧系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)壓力和流量自動(dòng)調(diào)節(jié)、多段噴桿獨(dú)立控制等功能。研究以雷沃ZP9500H噴桿噴霧機(jī)為精量噴霧控制系統(tǒng)最終試驗(yàn)平臺(tái)，其性能參數(shù)如表1所示，為滿(mǎn)足其基本的噴霧性能要求和自動(dòng)化控制功能，所設(shè)計(jì)的精量噴霧控閥組應(yīng)滿(mǎn)足壓力范圍在0～1.5 MPa內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)、流量范圍在0～40 L/min內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)、三段噴桿獨(dú)立控制、穩(wěn)壓以及作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)反饋等功能。

表1 雷沃ZP9500H噴桿噴霧機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of Lovol ZP9500H spray rod sprayer

1.2 總體結(jié)構(gòu)

精量噴霧控制閥組是精量噴霧控制系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由壓力變送器、區(qū)段開(kāi)關(guān)閥、流量傳感器、流量控制閥、限壓閥、總開(kāi)關(guān)閥、過(guò)濾器等組成，如圖1所示。其中，壓力變送器和流量傳感器用于讀取噴霧系統(tǒng)壓力和流量值并實(shí)時(shí)反饋；區(qū)段開(kāi)關(guān)閥分別控制高地隙植保機(jī)的三段噴桿通斷；流量控制閥通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)噴霧系統(tǒng)總流量調(diào)節(jié)功能；總開(kāi)關(guān)閥用于控制系統(tǒng)的整體開(kāi)關(guān)；限壓閥主要用于限壓防爆。該精量噴霧控制閥組可根據(jù)噴幅和噴桿需求進(jìn)行三段閥或多段閥的組合，能滿(mǎn)足不同型號(hào)噴桿植保機(jī)的工作需求。

圖1 精量噴霧控制閥組Fig. 1 Precision spray control valve group1.閥組安裝板 2.濾清器 3.總開(kāi)關(guān)閥 4.限壓閥 5.流量控制閥 6.流量傳感器 7.區(qū)段開(kāi)關(guān)閥 8.壓力變送器

1.3 工作原理

精量噴霧控制系統(tǒng)的工作原理如圖2所示，流量調(diào)節(jié)過(guò)程中，壓力變送器能實(shí)時(shí)檢測(cè)精量噴霧控制閥組管路壓力值，精量噴霧控制器通過(guò)讀取壓力變送器檢測(cè)的壓力值，并換算為實(shí)際流量值與上位機(jī)輸入的流量指令進(jìn)行比較，將控制信號(hào)發(fā)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以控制各閥體模塊電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)流量和控制三段噴桿開(kāi)關(guān)，并實(shí)時(shí)采集作業(yè)參數(shù)。

圖2 流量控制原理圖Fig. 2 Flow control schematic

2 精量噴霧控制閥組設(shè)計(jì)

流量控制閥、總開(kāi)關(guān)閥和區(qū)段開(kāi)關(guān)閥的工作原理和結(jié)構(gòu)組成相同，均以直流電機(jī)作為動(dòng)力源，將直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)減速箱齒輪傳遞給螺桿軸，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為閥芯相對(duì)于閥體的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)以調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)關(guān)或開(kāi)度大小。因此，本文僅介紹流量控制閥的設(shè)計(jì)過(guò)程，其包括電控調(diào)流閥體設(shè)計(jì)、電機(jī)及減速箱選用等。

2.1 電控調(diào)流閥體設(shè)計(jì)

精量噴霧控制閥組調(diào)節(jié)流量的實(shí)質(zhì)是通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流口大小來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的功能，對(duì)于手動(dòng)控制閥門(mén)和電動(dòng)控制閥門(mén)而言，其工作原理都是基于對(duì)閥芯相對(duì)位移的控制。而節(jié)流口形式的選擇對(duì)噴霧效果的影響至關(guān)重要，考慮到實(shí)際噴霧作業(yè)過(guò)程溫度、粘度變化等因素，本文選用軸向圓形節(jié)流口進(jìn)行閥門(mén)的設(shè)計(jì)，其具有流量受溫度和粘度影響小、不易堵塞、調(diào)節(jié)范圍大等特點(diǎn)，節(jié)流口大小通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯相對(duì)閥體的軸向運(yùn)動(dòng)行程實(shí)現(xiàn)改變，從而實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。

根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)及工作原理，本文采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源進(jìn)行精量噴霧控制閥組各閥體模塊的設(shè)計(jì)。電控調(diào)流閥體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括手動(dòng)旋鈕、齒輪減速箱、螺桿、直流電機(jī)、閥體、閥芯等，手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種控制模式可自由切換。精量噴霧控制閥組工作時(shí)，直流電機(jī)的輸出動(dòng)力經(jīng)三級(jí)齒輪傳動(dòng)將其傳遞給螺桿軸，通過(guò)控制螺桿軸的行程使閥芯相對(duì)于閥體做軸向運(yùn)動(dòng)，從而控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)和開(kāi)度。

高地隙植保機(jī)噴桿噴幅大多為6～12 m，藥泵流量和工作壓力范圍分別為31～56 L/min、0.5～2.0 MPa，考慮到經(jīng)濟(jì)流速因素，設(shè)定給藥系統(tǒng)管道最佳流速為1.5～3.0 m/s，管路流體平均流速

(1)

式中：v——斷面平均流速，m/s；

Q——流體的流量，L/s；

A——管路的截面積，mm2；

d——管路直徑，mm。

為確保管道在最大和最小流量范圍內(nèi)能順利過(guò)流和流量穩(wěn)定，并具有較好的承受能力，根據(jù)式(1)，參考液泵最大流量和最佳給水流速確定閥體回水管路和主管路的直徑分別為20 mm、30 mm。

(a) 總裝配圖

(b) 整體結(jié)構(gòu)示意圖圖3 電控調(diào)流閥體Fig. 3 Electronically controlled regulated valve body1.回流口 2.閥芯 3.閥體 4.直流電機(jī) 5.螺桿 6.齒輪減速箱 7.手動(dòng)旋鈕

操作扭矩是電機(jī)選型的主要依據(jù)，需要通過(guò)閥門(mén)的最大操作扭矩確定，根據(jù)閥體的動(dòng)作特性可知，閥門(mén)的最大操作扭矩發(fā)生在閥體打開(kāi)瞬間，閥門(mén)操作扭矩計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中：T——閥門(mén)操作扭矩，N·m；

F——承受的靜壓力，N·m；

μ——摩擦系數(shù)，取μ=0.25；

D——閥門(mén)直徑，mm；

P——閥門(mén)工作壓力，MPa；

d0——閥門(mén)軸徑，mm。

閥門(mén)軸徑為8 mm，閥門(mén)直徑為20 mm，在植保機(jī)最大工作壓力為2 MPa時(shí)，由式(2)計(jì)算閥門(mén)操作扭矩T=1.26 N·m。綜合考慮閥體內(nèi)摩擦因素、閥體加工及裝配精度等，確定閥門(mén)的最大操作扭矩Tmax為1.7 N·m。參考電機(jī)選擇原則，電機(jī)的輸出扭矩應(yīng)留有一定余量，一般為閥門(mén)最大操作扭矩的1.2～1.5倍，即確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩的范圍為2.04～2.55 N·m。

精量噴霧控制閥組設(shè)計(jì)要求區(qū)段開(kāi)關(guān)閥能短時(shí)間內(nèi)完成通斷動(dòng)作，流量閥調(diào)節(jié)流量要求全行程動(dòng)作時(shí)間小于10 s。為滿(mǎn)足噴霧系統(tǒng)微調(diào)性好、動(dòng)作快的性能要求，綜合考慮閥體中閥芯動(dòng)作參數(shù)特性并設(shè)計(jì)與之匹配的齒輪減速箱實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有合適的操作扭矩的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)速，根據(jù)公式

(3)

式中：t——全行程時(shí)間，s；

M——電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)全行程圈數(shù)；

n1——減速箱的輸出轉(zhuǎn)速，r/min；

H——閥門(mén)行程高度，mm；

z——閥桿螺紋頭數(shù)；

s——閥桿傳動(dòng)螺紋螺距，mm。

螺桿全行程圈數(shù)為13轉(zhuǎn)，全行程時(shí)間小于10 s時(shí)，根據(jù)式(3)計(jì)算減速機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速n1最小為78 r/min。齒輪箱的輸入力矩和轉(zhuǎn)速的范圍分別是

(4)

n0>n1×i

(5)

式中：T1——執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩(即齒輪箱的輸入力矩)，N·m；

T2——齒輪箱輸出力矩，N·m；

i——減速比；

η1——齒輪箱的整機(jī)效率；

n0——減速箱的輸入轉(zhuǎn)速，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系

(6)

式中：P0——電機(jī)功率，kW；

k——電機(jī)的利用系數(shù)；

N——電機(jī)轉(zhuǎn)速；

T0——輸出轉(zhuǎn)矩；

η——執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整機(jī)效率。

電機(jī)工作電壓為12 V，同時(shí)考慮到實(shí)際工作過(guò)程中存在傳動(dòng)損失等，通過(guò)計(jì)算電機(jī)功率，確定采用額定電壓為12 V的無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，額定扭矩為1.6 kg·cm，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。本文設(shè)計(jì)的減速箱減速比為1∶30，其采用三級(jí)直齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減速增扭功能，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，各級(jí)傳動(dòng)比分別為1∶2.3、1∶3、1∶4。

表2 減速電機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Technical parameters of geared motor

圖4 電機(jī)及齒輪箱三維圖Fig. 4 Three-dimensional diagram of motor and gearbox1.電機(jī) 2.螺桿 3.齒輪減速箱 4.旋鈕

精量噴霧控制閥組實(shí)際工作時(shí)對(duì)流量控制閥、總開(kāi)關(guān)閥以及區(qū)段開(kāi)關(guān)閥提出的設(shè)計(jì)要求不同，各模塊工作性能參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表3 精量噴霧控制閥組各模塊性能參數(shù)Tab. 3 Performance parameters of each module of the precision spray control valve group

2.2 精量噴霧控制器設(shè)計(jì)

2.2.1 精量噴霧控制器硬件設(shè)計(jì)

精量噴霧控制器是噴霧系統(tǒng)的核心部件，本文根據(jù)精量噴霧控制系統(tǒng)對(duì)信息采集與處理要求、控制閥組控制原理開(kāi)發(fā)了具有通用性強(qiáng)、易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)的精量噴霧控制器，結(jié)構(gòu)如圖5所示。精量噴霧控制器以PIC18F258為中央處理器，工作電壓為5 V，選用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232對(duì)RS232電平信號(hào)和TTL電平信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，此外還包括時(shí)鐘電路、重啟電路、壓力變送器、壓力傳感器、電源電路、閥組電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。

壓力變送器輸出的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為0～255的編碼范圍，將A/D采樣電壓與流量的關(guān)系函數(shù)置入PIC單片機(jī)內(nèi)部，精量噴霧控制器能夠讀取壓力變送器檢測(cè)的壓力值，并換算為實(shí)際流量值與上位機(jī)輸入的流量指令進(jìn)行比較，將控制信號(hào)發(fā)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以控制閥組電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)采集作業(yè)參數(shù)。

圖5 精量噴霧控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig. 5 Block diagram of the precision spray controller

精量噴霧控制器采用PID反饋調(diào)節(jié)算法作為流量調(diào)節(jié)的主要算法，通過(guò)計(jì)算實(shí)際流量值與目標(biāo)流量值之間的差值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量。壓力變送器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)壓力并換算為實(shí)際流量Q1，設(shè)上位機(jī)輸入的流量值為Q2，則壓力誤差E(ti)和輸出信號(hào)St分別為

E(ti)=Q2-Q1

(7)

St=KP×E(ti)+KI×[E(ti)-2E(ti-1)+E(ti-2)]+KD×[E(ti)-E(ti-1)]

(8)

比例系數(shù)KP、積分時(shí)間常數(shù)KI和微分時(shí)間常數(shù)KD需要通過(guò)精量噴霧試驗(yàn)確定，以保證精量噴霧系統(tǒng)在快速響應(yīng)的同時(shí)具有較小的超調(diào)量。當(dāng)輸出信號(hào)St>0 時(shí)，噴霧控制器將控制信號(hào)發(fā)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以控制無(wú)刷電機(jī)沿一定方向旋轉(zhuǎn)，使壓力誤差E(ti)減小到最小值Emin；當(dāng)輸出信號(hào)St<0時(shí)，則無(wú)刷電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)，使壓力誤差E(ti)減小到最小值Emin；當(dāng)St=0 時(shí)，無(wú)刷電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2.2 精量噴霧控制器軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)精量噴霧控制器硬件電路、調(diào)節(jié)控制算法等要求，設(shè)計(jì)了精量噴霧控制器工作流程圖(圖6)，控制程序使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，以PIC18F258單片機(jī)為運(yùn)行平臺(tái)，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了初步的調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 系統(tǒng)控制流程圖Fig. 6 System control flow chart

系統(tǒng)初始化后，首先接收上位機(jī)輸入的流量指令Q2；取壓力變送器的模擬輸出值并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換端口讀取壓力變送器反饋的數(shù)值Q1，觀察是否達(dá)到預(yù)設(shè)流量以及與預(yù)設(shè)流量的差值，然后根據(jù)PID調(diào)節(jié)控制算法計(jì)算St，判斷是否改變閥芯的位置，判斷St的大小后向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送相應(yīng)的PWM信號(hào)和高低電平信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM輸出信號(hào)的占空比和高低電平控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，進(jìn)而改變噴霧控制閥組的節(jié)流口開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。

3 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

為驗(yàn)證精量噴霧控制閥組的工作性能，將其集成安裝在精量噴霧試驗(yàn)臺(tái)上，于2021年9月15—19日在山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行作業(yè)性能測(cè)試。

3.1 試驗(yàn)方法

閥門(mén)流量特性曲線(xiàn)對(duì)閥體特性分析具有重要意義，指被控介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度間的關(guān)系[15]，函數(shù)關(guān)系如式(9)所示。根據(jù)壓力調(diào)節(jié)流量要求，首先通過(guò)傳感器標(biāo)定試驗(yàn)獲取三段噴桿不同工作狀態(tài)下壓力變送器信號(hào)值與實(shí)際流量之間的函數(shù)關(guān)系，然后記錄與之對(duì)應(yīng)不同閥門(mén)開(kāi)度下的實(shí)際流量值，最后分析并繪制流量特性曲線(xiàn)。

(9)

式中：Q——某一開(kāi)度流量，L/min；

Qmax——全開(kāi)時(shí)流量，L/min；

l——某一開(kāi)度行程，mm；

L——全開(kāi)行程，mm。

3.2 傳感器標(biāo)定試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程中，三段噴桿和流量閥設(shè)為全開(kāi)狀態(tài)，閥組入口處的流量和壓力值通過(guò)控制變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)，每次試驗(yàn)調(diào)節(jié)的壓力值約0.02 MPa，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，分別采集壓力變送器和流量傳感器反饋的數(shù)字信號(hào)值、閥體入口處的流量和壓力值、噴桿處的流量和壓力值。

試驗(yàn)記錄的壓力變送器信號(hào)值和實(shí)際壓力值、流量傳感器信號(hào)值和實(shí)際流量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)如圖7所示，經(jīng)計(jì)算線(xiàn)性擬合決定系數(shù)分別為0.998 8、0.998 7，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，壓力變送器與流量傳感器信號(hào)值與實(shí)際觀測(cè)值之間的函數(shù)關(guān)系分別為

Po=0.008×P1-0.338

(10)

Qo=0.620 8×P2-25.047

(11)

式中：Po——實(shí)際壓力，MPa；

Qo——實(shí)際流量，L/min；

P1——壓力變送器輸出信號(hào)值；

P2——流量傳感器輸出信號(hào)值。

(a) 壓力變送器計(jì)算值與觀測(cè)值

(b) 流量傳感器計(jì)算值與觀測(cè)值

(c) 壓力信號(hào)與流量觀測(cè)值的關(guān)系圖7 壓力變送器與流量傳感器標(biāo)定試驗(yàn)Fig. 7 Calibration test of pressure transmitter and flow sensor

壓力變送器信號(hào)值和實(shí)際流量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)如圖7(c)所示，根據(jù)噴霧系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)流量的控制要求，進(jìn)一步通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到壓力變送器的壓力信號(hào)值與實(shí)際流量之間的函數(shù)關(guān)系為

Qa=-0.002 8×P12+0.887×P1-24.895

(12)

經(jīng)計(jì)算，線(xiàn)性擬合決定系數(shù)為0.997 5，最大標(biāo)定誤差發(fā)生在流量值為15 L/min內(nèi)，為13%，屬于不常用流量范圍；試驗(yàn)平均標(biāo)定誤差為1.7%，表明標(biāo)定精度可靠，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足控制要求。

一段、兩段或三段噴桿全開(kāi)狀態(tài)試驗(yàn)過(guò)程和原理相同，同理可獲得一段或兩段噴桿為全開(kāi)狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力變送器輸出壓力信號(hào)值與噴霧系統(tǒng)實(shí)際流量值之間的函數(shù)關(guān)系式，以根據(jù)不同噴霧要求實(shí)現(xiàn)噴桿的分段控制。

3.3 流量特性測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程，三段噴桿為全開(kāi)狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置精量噴霧控制閥組入口處的壓力(即閥組內(nèi)管路壓力)和流量值分別為0.9 MPa、40 L/min，采樣頻率設(shè)置為10 Hz，試驗(yàn)過(guò)程中控制閥組電機(jī)順時(shí)針勻速緩慢旋轉(zhuǎn)從最小開(kāi)度到最大開(kāi)度連續(xù)調(diào)節(jié)，從發(fā)送驅(qū)動(dòng)指令到電機(jī)觸碰到限位開(kāi)關(guān)停止轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)串口記錄壓力變送器的信號(hào)輸出值，并將信號(hào)輸出值根據(jù)標(biāo)定公式計(jì)算為實(shí)際流量值，進(jìn)行中值濾波處理繪制了如圖8所示的實(shí)際流量值隨閥門(mén)開(kāi)度變化的流量變化曲線(xiàn)。

圖8 流量變化曲線(xiàn)Fig. 8 Flow change curve

由圖8可知，相對(duì)行程在0%～10%調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，流量值變化程度較?。划?dāng)閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)至相對(duì)行程為70%后流量值趨于穩(wěn)定。研究截取直流電機(jī)的有效行程范圍，根據(jù)式(9)計(jì)算閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度對(duì)應(yīng)的相對(duì)流量，流量特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。

圖9 流量特性曲線(xiàn)Fig. 9 Flow characteristic curve

由圖9可知，相對(duì)行程在0%～60%范圍內(nèi)斜率保持一致，即當(dāng)閥體的閥門(mén)開(kāi)度緩慢增大時(shí)，實(shí)際流量值變化較為均勻，符合線(xiàn)性流量特性，表明該精量噴霧控制閥組具有較好的微調(diào)性。此后呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)由閥體結(jié)構(gòu)及參數(shù)決定，對(duì)預(yù)期精量噴霧設(shè)計(jì)結(jié)果影響較小。

4 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有植保機(jī)械自動(dòng)化程度不高、施藥均勻性差等問(wèn)題，根據(jù)高地隙植保機(jī)的噴霧系統(tǒng)組成和技術(shù)要求，通過(guò)分析計(jì)算確定了閥體結(jié)構(gòu)以及開(kāi)關(guān)閥、限壓閥、流量控制閥、區(qū)段開(kāi)關(guān)閥等閥體模塊的尺寸參數(shù)，并在精量噴霧試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行性能測(cè)試。

1) 基于模塊化設(shè)計(jì)理念，集成總開(kāi)關(guān)閥、限壓閥、流量控制閥、區(qū)段開(kāi)關(guān)閥等模塊，設(shè)計(jì)了適用于高地隙植保機(jī)的精量噴霧控制閥組，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力和流量自動(dòng)調(diào)節(jié)、噴桿分段獨(dú)立控制、穩(wěn)壓及參數(shù)實(shí)時(shí)反饋等功能。

2) 所設(shè)計(jì)的精量噴霧控制器，以PIC單片機(jī)為核心處理器，能實(shí)時(shí)讀取壓力傳感器的輸出信號(hào)并進(jìn)行處理，將其與上位機(jī)輸入的流量指令進(jìn)行比較，并將控制信號(hào)發(fā)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以控制電機(jī)的動(dòng)作狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)流量。

3) 壓力變送器標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明，壓力與流量近似呈線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性擬合決定系數(shù)為0.997 5，最大標(biāo)定誤差發(fā)生在流量值為15 L/min內(nèi)，為13%，屬于不常用流量范圍；試驗(yàn)平均標(biāo)定誤差為1.7%，表明標(biāo)定精度可靠，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足控制要求。

4) 流量特性測(cè)試試驗(yàn)表明，本文所研制的精量噴霧控制閥組可調(diào)節(jié)的最大流量約為40 L/min，實(shí)際的流量值與閥門(mén)開(kāi)度成正比，符合線(xiàn)性流量特性關(guān)系，且微調(diào)性好，滿(mǎn)足精量噴霧設(shè)計(jì)需求。