变量施肥试验台的设计与试验农业研究

本文是一篇农业论文，本文设计的变量施肥试验台，通过控制进油回路中的比例型流量控制插装阀的开度来实现液压马达的无级调速，以适应通过调控排肥轴转速的要求来实现排肥的目的。对关键部件进行了重点阐述。利用无量纲算法对外槽轮的排肥性能进行分析，还建立了阀控马达的模型，并且基于 Amesim 对文中设计的液压系统进行仿真，仿真的结果反映出试验的完整性和可行性。

1 绪论

1.1 研究背景
随着我国农业的进步，农业科技和生产日益朝着高新技术的发展方向迈进。中国一直以来就是农业强国，农业是国家的“心脏”。近几年，国家农机方面的基本设施、扶持力度、发展水平等持续上升，为中国农业的未来发展贡献巨大，其中化肥在发挥了很大的作用。肥料是关键的农业生产资料，被誉为农作物的营养品。施肥不均会降低农作物的生产力，破坏土壤的结构，浪费大量紧缺资源。化肥使用效率低，长久以来是我国农业发展的严重隐患。
精准变量施肥技术是长久以来国内外研究人员和农业机械领域专家关注的重点。变量施肥有效的传播和使用变量的耕作效率，大多数农业中化肥的传播主要是通过人工的方法。不但工作效率低，而且施肥不均匀、损耗大量的人力、财力。变量的农业施肥可以有效提高工作效率，减少这些问题的发生。
随着精准农业理念的涌现，变量施肥技术在国外的许多国家已经被运用起来，至今，国外的技术已经变得纯熟，主要以美、法、日等发达国家的技术领先。变量施肥技术的应用，使中国农业的进步实现了质的飞跃。
化肥是农业生产的必需品，施肥装备是合理施用化肥的基本手段[11]。由于中国变量施肥的农机化装备稀缺，就需要从国外引进装备，但国外的装备多数为大型装备，价格昂贵，维护十分困难。特别是大多数的乡村，根本无法运用。 因此，研制适合中国科技进步的变量施肥机械，对我们农业可持续发展发挥了积极的作用。
随着中国现代化技术的发展和生产力的提高，在农机装置上的推广液压技术的应用势在必行。因而，开发和研制具有较高精度、高度集成和高可靠性能的变量施肥试验台，对于变量施肥的应用具有重大的意义，同时是推动液压传动和控制领域的试验与设计的必然趋势。
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1.21.2 研究目的
本文设计的变量施肥试验台，通过控制进油回路中的比例型流量控制插装阀的开度来实现液压马达的无级调速，以适应通过调控排肥轴转速的要求来实现排肥的目的。对关键部件进行了重点阐述。利用无量纲算法对外槽轮的排肥性能进行分析，还建立了阀控马达的模型，并且基于 Amesim 对文中设计的液压系统进行仿真，仿真的结果反映出试验的完整性和可行性。最后，通过实验得到优化参数，再对系统进行调试，由黑龙江八一农垦大学液压试验室提供试验地点，验证了设计装备是否运转正常，运转电压以及变量施肥试验台转速与施肥量之间的联系，最后得出结论。
技术路线如图 1-4 所示：

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2 变量施肥系统的整机设计

2.1 变量施肥机整体结构
2.1.1 变量施肥试验台的工作原理
VFT-1000 变量施肥试验台由肥箱、排肥装置、液压系统、电控系统、车载计算机、以及施肥监视系统组成。主体结构如图 2-1 所示。

VFT-1000 变量施肥试验台实物图如图 2-2 所示。VFT-1000 变量施肥试验台工作原理为：把装置接通电源，通过控制变量施肥试验台中的车载计算机，把电机中的电流转变为PWM 输出信号，利用 PWM 输出信号控制阀门，通过阀控马达驱动排肥机构控制其转速，最终实现变量施肥。同时反馈装置实时监测转速的变化，并且不断调整，达到对转速的精确掌控，最终达到变量施肥的目的。
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2.2 排肥装置的设计
2.2.1 排肥机构的设计要求
排肥的执行机构，一般有下面的机能需求：
（1）排肥的性能稳定，受其他变化因素的影响小；
（2）施肥应精准、均匀，施肥量的应用性能广泛，能够满足多种农作物的肥料；
（3）残余化肥的便捷性清理；
（4）具有耐腐蚀性的排肥器工作装置；
（5）具有稳定的施肥性能且适用于多种类型的肥料。
2.2.2 排肥器选型
本文使用的肥料是复合肥颗粒，所以根据试验的条件和肥料的需求选择外槽轮排肥器。通过对传统外槽轮式排肥器进行研究，研制出一种排肥均匀性更好的外槽轮式排肥器。外槽轮为排肥器的主要排肥部件，它的结构形状、尺寸大小和凹槽类型等都会使排肥器的排肥性能发生变化。如图 2-3 所示，为外槽轮排肥器构成图。

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3 变量施肥液压驱动系统设计···················28
3.1 液压驱动系统的流程····················28
3.2 液压驱动系统关键元件的设计···········29
4 变量施肥控制系统的设计······················48
4.1 变量施肥电控系统总体方案··············48
4.2 控制方法的选用与分析············49
5 变量施肥试验研究·················56
5.1 排肥稳定性测试··················56
5.2 转速对排肥量的影响···············58

5 变量施肥试验研究

5.1 排肥稳定性测试
实验目的：为了检验变量施肥试验台上每个排肥器在同等试验条件下，它们所排肥料的多少，通过试验可以反映出排肥装置的稳定性。
（1）试验对象：VFT-1000 变量施肥试验台；
（2）试验地点：黑龙江八一农垦大学工程学院；
（3）试验方法：连接施肥监控系统，将尿素装入肥箱，将排肥轴动力装置连接液压泵站，把排肥管与排肥器的装置连接好，防止在试验运行中，机器发生震动，排肥管掉落。将排肥器的开度定位在 55mm，开启施肥监控系统控制台，参数机具行驶速度调整范围设置为 0km/h～11km/h 时，排出的肥料分别用盛肥桶装起来，再分别称它们的质量。
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6 结论与展望

6.1 结论
本文通过引入比例流量阀对液压马达进行控制，实现了对变量施肥试验台的平稳控制，使对变量施肥试验台的操控更为便利、准确；本文还对液压驱动系统进行了整体设计，主要是针对液压元件的选用和控制系统的计算，包含了液压马达、调速阀、液压泵站等的选用要求。确定了设备所选用的型号，同时，对变量施肥液压驱动系统进行了实验室的组装试验，结果表明该系统具有较高的可靠性。完成的内容及相关结论主要有以下几点:
（1）分析国内外几种变量施肥液压驱动系统结构及工作过程，根据农业机械的发展趋势，确定以阀控液压马达驱动系统为核心的研究方案。调速阀应用了新型的比例型流量控制插装阀，根据差速器可以改变转速方向的特点，在齿轮传动系统中运用了差速器，结论得出整个试验台运行平稳，转速调整准确，满足变量施肥的要求。
（2）运用 Amesim 软件根据液压系统的原理图对变量施肥液压系统进行了建模与仿真，得出了仿真曲线图形，结果表明液压驱动系统具有较好的稳定性，满足变量施肥试验台的要求。
（3）对排肥器外槽轮的凹槽形状采用了一种由两段不同直径的圆弧面构成的凹槽。用 EDEM 软件来对不对称凹槽和对称凹槽进行排肥过程的仿真分析，结论得出用不对称凹槽的外槽轮排肥器的效果好。
（4）进行了排肥稳定性测试试验，转速对排肥量的影响试验和变量施肥试验台整机调试试验，通过试验的得到了排肥量与马达转速的线性关系，通过公式算出尿素相同程度的变异系数 V 为 5.27%，在机具合格指标 13.0%的规定内，采用 Origin 软件进行处理得到图像观察到施肥过程的均匀程度。试验结果表明试验台整体的稳定性、均匀性良好，满足施肥的要求。
参考文献（略）