喷杆喷雾机液压控制回路设计与仿真

农业机械《　（　嘲　ｘ　喷杆喷雾机液压控制回路设计与仿真串　邓伏栋　，温浩军　（１．石河子大学，新疆　石河子８３２０１１；２．新疆科神农业装备科技开发股份有限公司）　

摘要：为了保证喷杆喷雾机工作过程中的施药效果，避　免喷杆倾斜刮伤作物，喷杆距冠层的距离应保持在一定的范　围内，且与冠层之间应始终保持近似平行。本文对喷杆平衡　和高度调节液压系统的组成与工作原理进行了阐述，并利用　ＡＭＥＳｉｍ建立了喷杆喷雾机液压系统模型。　关键词：喷杆喷雾机；液压控制回路；ＡＭＥＳｉｍ　

喷杆的自动平衡和高度的自动调节都是依据　液压调节回路实现的。故喷杆喷雾机的自动调节系　统是一个较大的系统，为了更为方便的对喷杆调节　的液压系统进行研究，将其划分为２个子系统，即　喷杆高度调节系统和喷杆自动调节系统。　在喷杆高度调节液压子系统中，要实现当喷杆　两端的高度值超出设定的额定高度范围时，喷杆的　液压高度调节系统在控制系统的调节下，会通过调　节液压缸的伸缩来调整喷杆的高度【１］。喷杆的平衡　液压调控系统又分为水平方向液压调节系统与竖　直方向液压调节系统。喷杆的平衡主要是为了控制　喷杆在竖直方向上的转动。为此，当安装在喷杆中　端的角度传感器检测到的夹角超出设定的额定值　时，就会通过控制器控制液压缸倾角，从而将喷杆　维持于平衡状态，确保喷杆与冠层保持水平。水平　方向上的液压控制平衡系统主要是用于减小拖拉　机在田间作业时由于突然遇到障碍物或者拖拉机　行驶速度发生变化时，由于喷杆的惯性使得喷杆会　在水平方向上有前后移动以及前后摆动，在水平方　向上较大的位移不单对喷雾效果影响较大，同时也　会让喷杆变形，减少喷杆的使用寿命圜。为此，当安　装在喷杆末端的超声波传感器检测到喷杆在水平　

收稿日期：２０１７—０６—０６　基金项目：研发自走式高杆作物施药技术与智能化装备，　项目编号：２Ｏ１６ＹＦＤ０２０Ｏ７Ｏ５。　通讯作者：温浩军（１９７１一），男，研究员，硕士生导师，主要　从事农业机械设计。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｎｈａｏｊｕｎ＠２６３．ｅｏｍ。　

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方向有较大的位移时，会通过控制器控制安装在水　平方向的液压缸，使喷杆在水平方向上保持平衡ｐ］。　１　ＡＭＥＳｉｒｅ仿真　ＡＭＥＳｉｍ（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）是２Ｏ世纪９Ｏ年　代法国ＩＭＡＧＩＮＥ公司用于液压系统建模与仿真的　动态性能平台　。许多涉及到多领域的复杂系统模型　均可在ＡＭＥＳｉｍ平台上建立，继而通过建模以及设　置各元件的仿真参数对所建立的模型进行仿真，从　而得出所需的动态仿真曲线［５１。　２液压系统的搭建　考虑到液压系统建模的复杂性，为了更为直观　的获得喷杆自动调节系统液压回路的仿真结果，对　各个液压缸采取闭环反馈控制回路设计，通过位移　传感器实时检测液压油缸的行程，并及时将信号与　输入的信号进行比对，使得液压油缸直至达到额定　的行程。通过闭环控制回路，可以及时的对液压油缸　的位移与方向进行调控，而且提高了调控的精度，从　而使得系统可以自动地对执行机构进行调节直至执　行机构的位移与系统初始调控的位移一致时才停止　调节，大大减小了执行机构由于其它因素的影响所　造成的偏差。　在ＡＭＥＳｉｍ的草图模式下，通过调用系统标准　库中的元件，将喷杆自动调控系统的液压回路图搭　建的喷杆液压仿真系统如图１所示。图１建立的喷　杆自动调节闭环系统模型中，Ｓｌ、Ｓ２、Ｓ３是直接控制　开关开启和关闭的输入电流信号。当输入的电压为　正时换向阀工作于左位，当为负时工作于右位，当电　信号为０时，则使换向阀处于中位。在此设定位移传　感器输出的电压信号为１０Ｖ／ｍ，由于比例阀的控制　信号为电流信号且额定电流比例阀规格选为４０　ｍＡ，　当比例阀的输入电流大于等于４Ｏ　ｍＡ时比例阀全　开，小于４０ｍＡ时则成比例控制比例阀开口的大小，　比例阀的放大器系数一律设为ｋ＝４。此时比例阀即　农业机械　图ｌ　喷杆自动调节闭环系统ＡＭＥＳｉｍ系统模型　可转换认为是一般的三位四通阀，无电流输出开关　阀处于中位，电流输出给左边电磁铁，工作于左位；　反之，工作于右位。　本文采用电磁换向阀来控制液压流向，电磁换　向阀与普通的液压换向阀相比能更快地控制液　路中液压油的流向从而更好地控制液压缸的收缩。　并且考虑剑能使液压阀在处于中位时能快速的卸　荷，故换向阀都采用Ｈ型中位机能，并在液压系统　的主油路上配有溢流阀，同的是防止当液压系统内　的油压过高时对液压元件的损坏。　在喷杆自动控制液压控制系统中，喷杆的高度　自动调节回路由于需要通过液雎缸控制左右两端喷　杆的转动，与水平方向上的喷杆半衡液压回路以及　竖直方向　的液压调节回路相比较，液压油缸需要　更高的油　当喷杆高度ｆ１动调节液压回路　常　＝＝＝『　作时会使得液压回路中的油压较高。为此，在通往水　平方向的喷杆平衡液压回路和　商方向上平衡液压　回路上分别装有减压阀，以减小通过平衡回路中的　油压。　在电磁换向阀的选取卜，对比湿式电磁铁和　式电磁铁的优劣性后，综合考量使用寿命以及安全　性，选取湿式电磁铁ＷＥ　电磁换向阀　最终确定换　向阀型　‘ｌ为ＷＥＥＤ】０／ＡＧ２４。由于拖拉机的输出电　压为１２　Ｖ，选择驱动电压为１２　Ｖ的　位四通通用　型６通径电磁换向阀，型号为３４ＥＹ—Ｈ６Ｂ—Ｔ。液压　向阀选择ＭＰＣＶ　０６Ｗ型液控单向阀，液压调速阀　选择液压管式凋速阀，型号为ＫＣ一０３，　３系统参数设定　喷杆高度调节液压系统各个元件的参数如表ｌ　所示。　表１　高度调节液压元件参数　

参数　数ｆｆ（　溢流阀凋定压力（ＭＰａ）　液压泉额定转速（ｒａｄ／ｍｉｎ）　液压泵排　（　ｒａｉｎ）　液　缸负载（ｋＮ）　液压缸内径（ｍｍ）　液　缸活塞杆直径（１１１１３／＇１）　最大流　系数　换向阀额定电流（ｍＡ）　换向　仃频牢（Ｈｚ）　换向　尼比　

１８．９６　２　０００．００　３２．１２　１５．７４　６０．ＯＯ　４０．（）（）　（）．８Ｏ　４０．００　８０．００　０馏０　

水　方向　平衡液压控制系统各个元件的参数　如表２所示　表２水平方向平衡液压元件参数　

参数　数ｆｆｆ　溢流阀凋定　力（ＭＰａ）　液　额定转速（ｒａｄ／ｍｉｎ）　液压　排ｆＩ１｛＝（Ｉ／ｍｉｎ）　液　缸仃！载（（ｋＮ）　液压缸　径（ｉｎｉ３１）　液归　缶ｆ＝ｆ　褒ｆｆ，ｒ　ｆ　（ｍｍ）　最大流　系数　换向　额定ｌ乜流（ｍＡ）　换阳Ｊ７｛ｌＩｆ『｝ｄ　频率（Ｈｚ）　换向　阻　比　

１　８．９６　２　０００．００　３２．１２　２５．７４　７８．００　６２．００　０．８（）　４０．００　８０．００　０．８０　

竖　方向上平衡液压控制系统各个元件的参数　如表３　Ｉ￣Ｊｆ）ｉ？、　

一Ｉｌ１　．｜ｌｌ：ｉ　疆　至奸段　３９　农业机械（）ＮＧＹＥＩ￣　表３竖直方向平衡液压元件参数　参数　数值　溢流阀调定压力（ＭＰａ）　液压泵额定转速（ｒａｄ／ｍｉｎ）　液压泵排量（Ｌ／ｍｉｎ）　液压缸负载（ｋＮ）　液压缸内径（ｍｍ）　液压缸活塞杆直径（ｒａｍ）　最大流量系数　换向阀额定电流（ｍＡ）　换向阀固有频率（Ｈｚ）　换向阀阻尼比　

４系统仿真分析　综合考虑喷杆自动调节系统在田问的作业情况　以及为使系统特性曲线更清晰，选择仿真时间为１３　ｓ，　分为５个阶段的锯齿形信号输入。图２为仿真信号　的输入曲线，采用锯齿形信号输入且间隔时间也较　短，是为了模拟田间喷杆工作时所遇到的无规律信　号的变化。特别是在７—１１　ｓ期间所受的信号由正　突然转到负，以模拟喷杆自动调节液压系统在极端　情况下是否也能正常工作。　１・（）　

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Ｏ＿１Ｏ　三０．０５　０．００　＿（】｜０５　—０．１０　—０．１５　

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图２信号输入曲线　…Ｉ锤艘油缸　

【】　Ｚ　４　６　８　】０　１２　ｌ４　时间（ｓ）　

图３流量曲线　在图３中，高度油缸和平衡油缸在初始时，液压　缸由静止启动，受惯性影响，会出现轻微的波动，之　后开始趋向平稳。且由于高度油缸压力高，直径大故　而惯性较大波动时间也较长，在受到相反信号的节　

４０　譬　疆茌至吖投　Ｄ１７・咂　

点５　ｓ和１０　ｓ左右处，不论流速和流量都有很大的　波动，继而逐渐趋于平稳。平衡油缸在整个周期中流　速曲线和流量曲线都处于较为平稳的状态，这使得　在喷杆的平衡调控中可以很平稳的过渡，不会出现　过量调节。　…　离艟油岳ｌ　

０　２　４　６　８　１（）　ｌ２　ｌ４　时洲（ｓ）　

图４位移曲线　在图４液压缸的位移曲线中，喷杆的高度调节　油缸在２　ｓ内即可从静止状态运行至额定位置，且　曲线较为平稳，而在３～５　ｓ期间能使油缸保持在额　定位置，有很好的保压能力，且在喷杆高度需要调整　时能以曲线的方式过渡，避免出现较大的冲击，损害　油缸的寿命。　仿真的主要目的是为了模拟喷雾机在田间作业　时，由于田块地势不平整而使得喷杆自动调节系统　处于快速调整时液压系统的稳定性。为此，本次采用　锯齿形的信号输入，且间隔时间较短，检验喷杆自动　控制液压系统在极端条件下是否也能稳定工作。　５仿真结果分析　液压系统是否稳定，可以通过液压系统的执行　机构的输出来检验。为此，本文通过对比喷杆高度自　动调节液压缸和水平方向自动平衡液压缸的仿真曲　线来检验。由于平衡油缸在调整喷杆角度时，调整量　较小，液压缸工作时主要是确保工作平稳，为此在其　回路中装有液压调速阀来确保液压平衡调节回路的　平稳性；而在喷杆的高度自动调节系统中，为了使喷　杆的高度能根据地势与作物长势的差异快速的对喷　杆做出调整，且当喷杆高度在地势平稳时能保持平　稳，即喷杆的高度调节液压回路既要快速作出响应　又要对液压回路进行保压。　６结论　本文通过实时检测喷杆距作物冠层的距离来调　整喷杆的高度，避免了植株枝叶对超声波信号的干　扰，使系统更为简洁。通过场地实验和田间试验表　明，喷杆的高度自动调节系统能有效地针对喷杆作　业时喷杆高度的变化快速进行调节，且调节过程平　稳。对由于路面不平使拖拉机振动而引起喷杆晃动　

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