變頻變幅振動深松試驗臺的設計與試驗

趙 闖,韋鐘繼,孔羿勛,楊丹彤,鄭丁科

(1.華南農業大學 南方農業機械與裝備關鍵技術省部共建教育部重點實驗室,廣州 510642;2.珠海華潤銀行股份有限公司,廣東 珠海 519015)

0 引言

強迫振動深松是深松減阻研究領域中目前使用較廣的方法[1-3]。研究表明：當振動頻率接近于土壤顆粒固有頻率及振幅時振動深松的工作阻力最小,即振動深松需在合適的頻率和振幅下才能達到減阻省功的目的[4-6]。但是,田間土壤的堅實度是隨耕作點和耕深的變化而改變的[7-8],且不同的土壤顆粒其固有的頻率、振幅也是變化的[9-10]。因此,設計合適的減阻振動深松機具時首先需要獲得對耕作區域土壤合適的振動深松頻率、振幅等工作參數范圍。為此,研制了伺服液壓控制實時變頻變幅的振動深松試驗臺,旨在通過試驗臺變頻變幅獲得振動深松減阻的最佳工作參數,為振動深松機具的優化設計提供理論依據。

1 試驗臺的設計要求和方案

1.1 設計要求

1)振動深松試驗臺根據深松機具國家標準來設計[11],要求適合田間測試使用,采用拖拉機為動力。

2)根據現有耕作土壤的特性參數范圍及振動機具的安裝結構特點,要求振動深松試驗臺激振元件能在頻率0～30Hz及振幅0～5mm內任意組合,實現無極調頻調幅,以適應田間的試驗環境。

1.2 設計方案

可變頻變幅振動深松試驗臺總體設構圖,如圖1所示。

1.主閥塊 2.液壓缸 3.液壓桿 4.鏟架 5.雙聯齒輪泵 6.靜壓組件 7.液壓站 8.方管 9.油箱 10.儲能器圖1 振動深松試驗臺設計方案圖Fig.1 Design plan of vibration subsoiling test bed

試驗臺由三點懸掛、機架、減速箱、雙聯齒輪泵、油箱組件、儲能器組件、伺服液壓油缸組件、鏟架、靜壓組件,以及主閥塊組成,通過三點懸掛懸掛到土槽車或拖拉機上進行試驗。試驗臺的振動變頻變幅機構由伺服液壓油缸組件和鏟架組成,液壓站作為液壓振動的動力來源,由拖拉機動力輸出軸帶動減速箱從而帶動雙聯齒輪泵為整個液壓系統提供壓力油源。伺服液壓油缸組件安裝支架和鏟架設計了多孔位安裝孔,可以根據試驗需要調整相應的位置和角度,增加試驗臺的靈活性以適應不同的試驗要求。

2 試驗臺的部件及系統設計

2.1 深松機機架設計

振動式深松機機架是連接和支撐各個部件的主體構件,根據設計參數,在SolidWorks中繪制草圖,并通過拉伸凸臺、拉伸切除等對機架的縱架大梁、連接板、方管梁等零件進行建模,再通過裝配完成機架裝配模型,如圖2所示。

1.機架方管 2.液壓缸支架 3.懸掛點圖2 深松機機架模型Fig.2 Frame model of subsoiling test-bed

2.2 鏟架設計與安裝

振動深松作業中,激振元件的振頻振幅通過鏟架與深松鏟連接實現強迫深松鏟進行振動。本文設計的深松試驗臺振幅范圍為0～5mm,需要一個T型鏟架來強迫深松鏟振動的同時還要放大激振元件輸出振幅。為此,采用T型鏟架安裝深松鏟,伺服液壓缸與牽引架的安裝為轉動連接,如圖3所示。

(a) 鏟架

2.3 動力系統方案

深松試驗過程中需要額外的動力輸入強迫深松鏟產生振動,為了使拖拉機能牽引深松試驗臺進行田間作業,適應田間環境,進行了變頻變幅。試驗臺的動力系統方案設計如下：將試驗臺機架設計為三點懸掛, 懸掛到拖拉機上進行試驗。液壓振動的動力來源是油源液壓站,液壓站由拖拉機動力輸出軸通過聯軸器連接減速箱,減速箱通過花鍵聯軸器和連接雙聯齒輪泵,雙聯齒輪泵為整個液壓系統提供壓力油源。本文采用液壓系統伺服液壓振動油缸和伺服液壓振動油缸靜壓軸承兩套獨立的液壓系統。可變頻變幅振動深松液壓系統原理圖如圖4所示。

圖4 可變頻變幅振動深松液壓系統原理圖Fig.4 Principle diagram of hydraulic system with variable frequency and amplitude vibration subsoiling

2.4 控制系統設計

可變頻變幅振動深松液壓系統控制原理如圖5所示。伺服液壓缸的振動由控制計算機通過PLC加伺服反饋對比來完成控制[12],控制界面圖如6所示。

圖5 振動深松液壓控制流程圖Fig.5 Flow chart of hydraulic control for vibration subsoiling

2.5 樣機研制

試驗臺由牽引架、油源系統、伺服液壓缸及伺服控制系統等組成,如圖7所示。

3 試驗臺試驗

3.1 試驗目的

為了檢測可變頻變幅振動深松試驗臺性能及是否達到變頻變幅的設計要求,對設計的可變頻變幅試驗臺進行試驗,對試驗臺的關鍵技術參數進行采集分析,進而判斷試驗臺的穩定性。

3.2 試驗設備與材料

試驗所用儀器設備為變頻變幅振動深松試驗臺(見圖7)。雷沃歐豹M1004-A拖拉機1臺,動力輸出軸轉速為540/720rad/min;倍福PLC控制箱;計時器。

3.3 試驗方法

變頻變幅振動深松試驗臺通過三點掛接在拖拉機后面(見圖7),變速箱通過萬向節聯軸器和拖拉機動力輸出軸連接獲取動力。試驗時,拖拉機為試驗臺油源系統提供動力,保證記錄伺服液壓振動油缸和伺服液壓振動油缸靜壓軸承兩套獨立的液壓系統的工作壓力在安全范圍內。通過試驗臺控制系統改變振頻和振幅,測試得出試驗臺最大振動幅度和振動頻率的最大響應范圍,在滿足0～5mm振幅不失真的條件下對振頻的振頻范圍進行測試。控制系統主界面如圖6所示,測試頻率和振幅如表1所示。在試驗臺穩定運行15min后,對振動數據進行記錄存儲。

表1 測試頻率和振幅Table 1 Frequency and amplitude of measurement

圖6 控制系統主界面Fig.6 Main interface of control system

圖7 試驗臺樣機Fig.7 Test bench prototype

3.4 振動試驗臺實驗結果及分析

拖拉機動力輸出軸轉速為714r/min,伺服液壓振動油缸和伺服液壓振動油缸靜壓軸承兩套獨立的液壓系統的工作壓力分別為6.6MPa和1.8MPa,頻率振幅組合測得的結果如圖8所示。

(a) 5Hz-20mm

由圖8可知：在振動頻率及振幅為5Hz-20mm、30Hz-1mm時,試驗臺實際振動相對輸入的控制信號失真很小;振動頻率在0～30Hz、振動幅度0～10mm時頻率響應小于1dB,振幅誤差小于4.2%。由圖8(c)可以得出：50Hz-0.4mm的高頻振動測試時,試驗臺的振動頻率響應大于50Hz;隨著高頻持續走高,振幅失真越嚴重,這主要是由于油源液壓流量不足導致振幅變小。

4 結論

試驗臺最大振動幅度大于20mm,最大振動頻率響應大于50Hz。在穩定振動不失真的情況下,確定試驗臺最大頻率響應為30Hz,振動幅度可實現0～5mm振動幅度調節,振動頻率在0～30Hz、振動幅度0～10mm時頻率響應小于1dB,振幅誤差小于4.2%,振動性能穩定且達到設計要求。振動深松試驗臺通過控制計算機可實時進行變頻變幅,完成振動深松所需要的振頻振幅組合。