移栽机自适应仿形系统研究与试验

移栽机自适应仿形系统研究与试验
扈㊀凯ꎬ张文毅ꎬ祁㊀兵
(农业农村部南京农业机械化研究所ꎬ南京㊀210014)
摘㊀要:为提高移栽机的仿形精度ꎬ对其自适应仿形系统进行了设计ꎮ使用水平倾角传感器和位移传感器分别测定水平姿态和离地间隙ꎬ以电动推杆作为执行元件实现自适应仿形ꎮ为验证自适应仿形系统作业效果ꎬ设计了液压试验台并对液压系统进行了仿真ꎬ结果表明:压力补偿系统确保了液压缸的速度稳定可控ꎮ对自适应仿形系统进行了试验ꎬ结果表明:水平倾角正向最大值和负向最大值分别为1.40ʎ和-0.86ʎꎬ水平倾角误差绝对平均值为0.54ʎꎬ垂向位移误差最大值为7.85mmꎬ垂向位移误差绝对平均值为4.91mmꎬ满足自适应仿形系统的使用要求ꎮ
除冰车
关键词:移栽机ꎻ自适应仿形ꎻ液压试验台ꎻ仿真
中图分类号:S223.92㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1003-188X(2021)03-0123-05
0㊀引言
苒苒草移栽机在作业过程中ꎬ需确保移栽深度稳定以提高作业质量[1-2]ꎬ但农业机械属于非道路车辆ꎬ工作地面起伏较大ꎬ在传统的农业生产中ꎬ多采用单铰接㊁平行四连杆及五杆双自由度等机械式仿形机构ꎮ该类机构虽然制造简单ꎬ但存在仿形精度差㊁可调节幅度较小等问题[3-5]ꎮ为满足精准农业的要求ꎬ使用液压㊁电控系统对种植机构进行地面自适应仿形已逐渐成为研究热点ꎮ
华南农业大学张明华等人对水稻精量穴直播机仿形机构进行了设计优化ꎬ优化后的水稻精量穴直播机的穴距合格率和变异系数等参数均有一定程度的改进[6]ꎮ黑龙江八一农垦大学张博等人设计了播种移栽机单体仿形装置的高度探测机构ꎬ为电液式播种移栽机仿形系统地面信息采集精准度问题提供了一种解决方法[7]ꎮ
为验证自适应仿形系统的作业效果ꎬ设计了液压试验台和控制系统ꎬ并对液压系统进行了仿真验证ꎻ最后ꎬ进行了自适应仿形系统试验ꎮ
1㊀自适应仿形系统设计
基于移栽机的设计使用要求ꎬ对自适应仿形系统
收稿日期:2019-08-27
基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFD0700704)ꎻ农业农村部南京农业机械化研究
所基本科研业务费专项(S201907)
作者简介:扈㊀凯(1990-)ꎬ男ꎬ山东潍坊人ꎬ助理研究员ꎬ硕士ꎬ(E-mail)njkf1030@163.comꎮ
通讯作者:张文毅(1966-)ꎬ男ꎬ江苏丹阳人ꎬ研究员ꎬ硕士生导师ꎬ(E-mail)zwy-yxkj@163.comꎮ进行设计ꎮ水平倾角传感器用于测定机械结构的倾斜姿态ꎬ拉线位移传感器或压力传感器用于测定机械结构的离地间隙ꎬ使用两个电动推杆作为执行元件ꎬ分别完成水平方向和垂直方向的调整ꎮ控制器实时采集传感器反馈的信息ꎬ进而控制电动推杆的伸缩以实现自适应仿形ꎮ
2㊀试验台设计
2.1㊀试验台液压系统设计与仿真
为验证自适应仿形系统的作业效果ꎬ设计液压试验台进行台架试验ꎬ通过两个液压缸的动作配合模拟实际路谱ꎮ液压系统的原理如图1所示ꎮ
1.电机㊀2.齿轮泵㊀3.过滤器㊀4.油箱㊀5.安全阀㊀6.冷却器
7㊁12.定差减压阀㊀8㊁13.三位四通比例换向阀㊀9㊁14.梭阀
10㊁15.单向节流阀㊀11㊁16.液压缸㊀17.外负载
图1㊀液压系统原理图
Fig.1㊀Principlediagramofhydraulicsystem
选用3kW电机作为试验台的动力源ꎬ液压系统的
动力元件选用齿轮泵ꎬ齿轮泵进油口安装有过滤器ꎬ
用于确保液压系统的油液清洁ꎮ齿轮泵的出油口并
联安装两个定差减压阀ꎬ定压减压阀与梭阀共同构成
压力补偿系统ꎬ可以确保三位四通比例换向阀进出油
e通话口的压力差保持恒定ꎮ液压系统通过可变节流口的
流量并按照式(1)计算[8]ꎮ由式(1)可知:在可变节流口开度一定的情况下ꎬ通过的流量与可变节流口上
下游压力差的二分之一次方成正比ꎬ若能保持可变节
流口上下游压力差恒定ꎬ系统流量仅与可变节流口开
口面积成正比ꎮ压力补偿系统的引入确保了三位四
通比例换向阀的通过流量仅与电信号相关ꎬ避免了因阻燃双面胶
执行元件负载变化造成速度难以控制的弊端ꎮ液压
缸的无杆腔一侧安装有单向节流阀ꎬ在液压缸下降过
程中ꎬ外部负载变成了负值负载ꎬ若没有单向节流阀
限制系统流量可能会造成液压缸超速等安全问题ꎮ
Q=CqA2gәpγ(1)式中㊀Q 流量(L/min)ꎻ
㊀Cq 流量系数ꎻ
㊀γ 油重度ꎻ
㊀A 节流口面积(cm2)ꎻ
㊀әp 上㊁下游压差(MPa)ꎮ
在AMESim软件中进行建模仿真ꎬ验证压力补偿系统的工作效果ꎬ由于软件中没有定差减压阀的子模型ꎬ故使用HCD库搭建定差减压阀ꎮ所建立的仿真模型如图2所示ꎬ仿真主要参数设置如表1所示ꎮ在软件中ꎬ通过设定定差减压阀弹簧刚度和弹簧预压缩量等参数可确定三位四通比例换向阀进出油口压差ꎬ仿真中该值设定为15barꎮ依次经过草图模式㊁子模型模式㊁参数模式和仿真模式[9-10]对系统进行仿真ꎬ结果如图3~图5所示ꎮ
图2㊀AMESim仿真模型图Fig.2㊀SimulationmodelinAMESim
表1㊀仿真参数设置
Table1㊀Simulationparameterssettings
元件参数数值液压油
家庭智能化控制系统
密度/kg m-3850
弹性模量/bar17000液压泵排量/mL rev-120电机额定转速/r min-11500
三位四通比例换向阀额定控制电流/mA40固有频率/Hz80阻尼比0.8
安全阀开启压力/bar150
定差减压阀
阀芯质量/kg0.01
遮盖量/mm5弹簧刚度/N mm-111
液压缸
活塞杆直径/mm12
液压缸直径/mm45
行程/mm500图3㊀液压缸外负载变化
Fig.3㊀Externalloadsvariationofhydrauliccylinders图4㊀比例阀进出油口压力
Fig.4㊀Inletandoutletpressureofproportional
valves
图5㊀液压缸流量
Fig.5㊀Flowofhydrauliccylinders
由图3可知:其中1个液压缸在0~5s的时间内ꎬ外负载由0线性变化为8000Nꎻ另一个液压缸在0~5s的时间内ꎬ外负载由8000N线性变化为0ꎮ由图4可知:在0.1s的时间内ꎬ液压缸的压力出现了小幅波动ꎬ原因为系统启动初期系统尚未达到稳定状态引起的ꎻ随后ꎬ液压缸的进出油口压力随负载的变化线性变化ꎬ但无论外负载如何变化ꎬ三位四通比例换向阀进出油口压力差始终维持在15bar左右ꎬ与定差减压阀设置值保持一致ꎮ由图5可以看出:两个液压缸的流量基本相同ꎬ流量差值约在0.1L/minꎬ压力补偿系统有效确保了多执行元件在外负载不同的情况下ꎬ各个执行元件的流量稳定可控ꎮ
2.2㊀控制系统设计
拉线位移传感器和水平倾角传感器所测量的信息输入隔离变送器ꎬ隔离变送器将信号等值一分为二ꎬ分别输出给模拟量输入模块和数据采集卡ꎻPLC将所获取的信息进行分析处理后ꎬ输出点控制继电器的通断以控制电动推杆的伸缩ꎬ最终实现系统的自适应仿形ꎻ同时ꎬ数据采集卡对传感器信息进行采集并上传至计算机ꎬ用于后期数据分析处理ꎮ控制柜如图6所示ꎮ
3㊀试验
为验证自适应仿形的效果ꎬ对仿形系统试验台进行了加工试制ꎬ如图7所示ꎮ数据采集使用Smacq3132型数据采集卡ꎬ采样频率5Hzꎬ采集时间10sꎮ在试验过程中ꎬ负载敏感多路阀采用手动模式ꎬ由人工随机模拟路面变化情况ꎬ测试数据如图8㊁图9所示ꎮ
由图8可知:水平倾角正向最大值为1.40ʎꎬ负向最大值为-0.86ʎꎬ在10s内ꎬ水平倾角误差绝对平均值
0.54ʎꎮ由图9可知:在系统刚启动时刻ꎬ垂向位移误差较大ꎬ最大值为7.85mmꎻ随后ꎬ垂向位移误差趋于稳定ꎬ在10s内ꎬ垂向位移误差绝对平均值为4.91mmꎮ
图6㊀控制柜Fig.6㊀Controlcabinet
图7㊀试验台Fig.7㊀Experimentbench图8㊀水平倾角Fig.8㊀HorizontalAngle
电加热棒图9㊀垂向位移误差
Fig.9㊀Verticaldisplacementerrors
4㊀结论
1)压力补偿系统确保了试验台的两个液压缸在外负载不同的情况下ꎬ液压缸流量仅与三位四通比例换向阀的外部控制信号相关ꎬ即可以精确控制液压缸的速度ꎮ
2)试验表明:水平倾角误差绝对平均值为0.54ʎꎬ垂向位移误差绝对平均值为4.91mmꎬ满足自适应仿形系统的使用要求ꎬ可以有效地提高移栽机的作业质量ꎮ
参考文献:
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2021年3月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第3期
2021年3月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第3期
ResearchandExperimentofAuto-adaptiveProfilingSystemof
PlantingMachinery
HuKaiꎬZhangWenyiꎬQiBing
(NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanizationꎬMinistryofAgricultureandRuralAffairsꎬNanjing210014ꎬChina)
Abstract:Inordertoimproveprofilingaccuracyofplantingmachineryꎬtheauto-adaptiveprofilingsystemisresearched.Horizontalangleandgroundclearancearemeasuredbyhorizontalinclinationsensoranddisplacementsensorrespectively.Electricpushingrodsareusedastheactuatoroftheadaptiveprofilingsystem.Atthesametimeꎬahydraulicexperimentbenchwasdesignedtoverifytheoperationeffec
toftheadaptiveprofilingsystemandthehydraulicsystemwassimulated.Thesimulationresultsshowthatthepressurecompensationsystemensuresthespeedofthehydrauliccylinderisstableandcontrollable.Thentheexperimentwasconducted.Theexperimentresultsshowthatthemaximumpositiveandnega ̄tivevaluesofthehorizontalinclinationare1.40ʎand-0.86ʎrespectively.Theabsoluteaveragevalueofthehorizontalinclinationerroris0.54ʎ.Themaximumverticaldisplacementerroris7.85mmandtheabsoluteaveragevalueofthever ̄ticaldisplacementerroris4.91mm.Thedesignedauto-adaptiveprofilingsystemsatisfiestherequirements.
Keywords:plantingmachineryꎻauto-adaptiveprofilingꎻhydraulicexperimentbenchꎻsimulation
(上接第122页)
AbstractID:1003-188X(2021)03-0119-EA
DevelopmentofCassavaHarvesterwithReciprocating
DoubleClampingDevice
ZhengXianꎬLiTaotaoꎬLiDingꎬWeiYujia
(CollegeofMechanicalEngineeringꎬGuangxiUniversityꎬNanning530000ꎬChina)
Abstract:Thecassavarootstockisrichinstarchandisoneofthemajorsourcesofindustrialstarch.Thecassavaharves ̄tingmethodscommonlyusedinChinaaremanualharvestingꎬlowlaborproductivityꎬpoorworkingenvironmentandloweconomicefficiency.ThecassavaharvestersabroadaregenerallynotadaptedtothestickysoilsinthesouthofChina.Therearepr
oblemswithhighcassavalossratesandincompletesoilseparation.AccordingtothedataꎬtheexcavatingtypecassavaharvesterisverysuitableforthecassavacultivationenvironmentinthesouthofChinaꎬwhichcanreducethelossofcassavaandpromotetheseparationofcassavaandsoil.ForthisreasonꎬthisarticleusesUGtodesignadiggingtypecassavaharvesterꎬandusesadamssoftwaretocarryoutsimulationanalysisofthemachinetogetmultiplesetsofdataꎬanduseMatlabtoprocessthesedatatodeterminethekeypartparametersaccordingtothemotionrelationship.Itcanbematchedwiththecurrenttractorsonthemarkettoachievethepurposeofharvestingcassavawithhighefficiencyandlowenergyconsumption.
Keywords:cultivatedcassavaharvesterꎻpartparametersꎻtractormatching

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