黃聰會(huì)，馬洪亮，江光華，魏淑艷，何俊達(dá)

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定　071001；2.河北省農(nóng)機(jī)修造服務(wù)總站，石家莊　050011)

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高地隙自走式植保機(jī)械噴桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與研究

黃聰會(huì)1，馬洪亮1，江光華2，魏淑艷1，何俊達(dá)1

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定071001；2.河北省農(nóng)機(jī)修造服務(wù)總站，石家莊050011)

摘要：我國(guó)植保機(jī)械相對(duì)國(guó)外較落后，存在農(nóng)藥利用率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及農(nóng)民中毒現(xiàn)象頻發(fā)等問題。為此，對(duì)高地隙自走式植保機(jī)械噴桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)要敘述，并對(duì)噴桿展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行了自由度分析計(jì)算及運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析；同時(shí)，運(yùn)用ADAMS仿真軟件對(duì)噴桿展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，提出了將液壓缸替換為電推桿的優(yōu)化方案，并對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。結(jié)果表明：優(yōu)化后的展開性能明顯提高，這一改進(jìn)為自走式植保機(jī)械的進(jìn)一步發(fā)展提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：植保機(jī)械；高地隙；自走式；噴桿；展開機(jī)構(gòu)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0引言

河北省是小麥種植大省之一，小麥的豐欠情況與農(nóng)民的切身利益息息相關(guān)。作為主要的糧食作物，小麥在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)遭受病、蟲、草害侵害，能否做好小麥病、蟲、草害的防治工作對(duì)河北省農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展十分重要。因此，必須采取有效的措施進(jìn)行病、蟲、草害的相關(guān)防治，以確保豐產(chǎn)、增收。病、蟲、草害的防治方法包括農(nóng)業(yè)技術(shù)防治、生物防治、物理和機(jī)械防治及化學(xué)防治。其中，化學(xué)農(nóng)藥防治是消滅病蟲害有力武器，能在短期內(nèi)消滅或控制病、蟲、草害對(duì)植物的侵害，且效果好、作用快、不受地區(qū)或季節(jié)的限制。而我國(guó)傳統(tǒng)的施藥作業(yè)通常采用人工背負(fù)小型手動(dòng)噴霧器或半機(jī)械化方式噴藥防治，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，農(nóng)民的人身安全問題也出現(xiàn)了很大的隱患[1-2]。

近年來，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低的手動(dòng)噴霧器逐步被機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)替代，植保機(jī)械開始向自動(dòng)化方向發(fā)展。為此，針對(duì)河北省小麥各個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期受病蟲害侵害的現(xiàn)狀及河北省小麥種植行距的大小、植株高低、地塊大小現(xiàn)狀，研制高地隙自走式植保機(jī)具迫在眉睫，且其發(fā)展也具有廣闊的前景。相比其它自走式植保機(jī)械，高地隙自走式植保機(jī)械具有底盤離地間隙高、通過性好及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能滿足小麥各個(gè)時(shí)期病、蟲、草害的防治工作。

本文重點(diǎn)對(duì)高地隙自走式植保機(jī)具的噴桿展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化，對(duì)下一步研制經(jīng)濟(jì)、方便、高效的植保機(jī)具具有重要意義。

1噴桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1工作原理

噴桿展開機(jī)構(gòu)如圖1所示。

1.中間支撐架　2.雙頭螺桿　3.液壓缸　4.三角支桿

由圖1可以看出：該噴桿展開機(jī)構(gòu)由中間支撐架、雙頭螺桿、液壓缸、三角支桿、第1展開噴桿、第2展開噴桿、上拉桿及連桿雙頭拉桿組成。第1展開噴桿與第2展開噴桿的展開、收回運(yùn)動(dòng)由液壓缸驅(qū)動(dòng)。液壓缸在推動(dòng)第1展開噴桿展開的同時(shí)帶動(dòng)上拉桿、連桿、及雙頭拉桿轉(zhuǎn)動(dòng)，雙頭拉桿帶動(dòng)第2展開噴桿轉(zhuǎn)動(dòng)展開。圖1中，雙頭螺桿和雙頭拉桿的長(zhǎng)度均可調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)雙頭螺桿和雙頭拉桿的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)第1展開噴桿、第2展開噴桿與中間支撐架的調(diào)平操作。中間支撐架與第1展開噴桿的鉸鏈連接處及第1展開噴桿與第2展開噴桿的鉸鏈連接處均設(shè)計(jì)了限位擋塊，用來防止噴桿展開過位。該噴桿折疊后第1展開噴桿與第2展開噴桿與水平地面成45°角，固定在車身兩側(cè)，且噴桿展開機(jī)構(gòu)為5段式，相較3段式噴桿在有限的空間內(nèi)明顯增加了噴幅。

1.2噴桿升降機(jī)構(gòu)

普通的提升機(jī)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重影響行走系統(tǒng)的離地間隙，會(huì)導(dǎo)致噴霧機(jī)在作業(yè)過程中對(duì)高稈作物的破壞程度增大，因此設(shè)計(jì)既不影響整機(jī)的離地間隙又能完成噴桿轉(zhuǎn)開系統(tǒng)升降的機(jī)構(gòu)非常有必要。此噴桿系統(tǒng)采用平行四邊形升降機(jī)構(gòu)，主要由升降連桿、升降液壓缸、車架和連接架組成，如圖2所示。此平行四邊形升降機(jī)構(gòu)既可以保證噴霧機(jī)在作業(yè)過程的離地間隙，又能實(shí)現(xiàn)噴桿展開系統(tǒng)在豎直方向的升降，同時(shí)能保證噴頭在升降過程的任意位置始終向下。

1.車架　2.升降連桿　3.升降液壓缸

1.3噴桿系統(tǒng)自平衡機(jī)構(gòu)

如果將噴桿系統(tǒng)與車身固定連接，噴霧機(jī)在田間作業(yè)過程中由于田間地面的不平整，會(huì)導(dǎo)致展幅較長(zhǎng)的噴桿觸地或折斷。因此，采用圖2所示的噴桿系統(tǒng)自平衡機(jī)構(gòu)，將連接架與噴桿中間支架通過軸承連接，可以使噴桿系統(tǒng)不管車身處于何種狀態(tài)始終與水平面平行，有效解決了噴桿系統(tǒng)的平衡問題。

2展開機(jī)構(gòu)分析

2.1自由度分析

圖3為噴桿展開機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式為

F=3n-(2pl+ph)

(1)

式中n—活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；

pl—低副數(shù)；

ph—高副數(shù)。

圖3　噴桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

由圖3可以看出：該機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為7，低副數(shù)為10，高副數(shù)為0，因此該機(jī)構(gòu)自由度為F=3×7-(2×10+0)=1。在機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件與機(jī)架相連的情況下，只有滿足原動(dòng)件數(shù)等于自由度數(shù)F，噴桿展開機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)才能完全確定。該機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件只有液壓缸滿足上述條件，因此噴桿展開機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

2.2理論分析

噴桿展開機(jī)構(gòu)的初始位置為第1展開噴桿與中間支撐架噴桿相互垂直(即桿AI與AO重合)時(shí)。此時(shí)液壓缸的初始長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，轉(zhuǎn)動(dòng)副A處，φ0+φ1的初始角度為0，噴桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。根據(jù)圖3，有

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

φ10=π-φ7-φ8

(14)

其中，各個(gè)夾角與桿長(zhǎng)如圖3所示；V為液壓缸推開速度；t為推開時(shí)間。對(duì)式(2)～(14)進(jìn)行整理計(jì)算，即可得出液壓缸速度與第1展開噴桿的展開角度及與第2展開噴桿的展開角度之間的關(guān)系，進(jìn)一步求導(dǎo)，就可得到液壓缸速度與第1展開噴桿和第2展開噴桿角速度、角加速度之間的關(guān)系。由于篇數(shù)有限，不在此進(jìn)行詳細(xì)的整理計(jì)算。

3模型仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1ADAMS簡(jiǎn)介

ADAMS是由美國(guó)Mechanical Dynamics Inc公司研制的一款機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，其求解器采用常用的多剛體動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法,建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,可對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,并輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線[3]。

3.2幾何模型的建立及導(dǎo)入

為了簡(jiǎn)化模型、減小計(jì)算量，僅對(duì)噴桿一側(cè)展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。由于在ADAMS中直接進(jìn)行模型的建立比較困難，因此首先在三維建模軟件Pro/E 中建立系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型的各個(gè)組件，在裝配環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行裝配，以確定各組件間的相對(duì)位置，然后把裝配體文件以parasolid(*.x_t)格式保存副本；打開ADAMS軟件并以相應(yīng)的格式導(dǎo)入剛才保存的文件，就可以將噴桿展開機(jī)構(gòu)的三維模型導(dǎo)入到ADMAS軟件中。

3.3添加約束、材料和載荷

利用ADMAS建立機(jī)械系統(tǒng)仿真模型時(shí)，系統(tǒng)中的構(gòu)件與地面或構(gòu)件與構(gòu)件之間存在著運(yùn)動(dòng)副的連接。因此，首先需將導(dǎo)入的噴桿模型，根據(jù)實(shí)際情況添加運(yùn)動(dòng)副。在液壓缸與杠桿之間添加移動(dòng)副，中間支撐架與ground添加固定連接，其余各活動(dòng)構(gòu)件之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副；然后對(duì)液壓缸添加移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，速度方向?yàn)橐簤焊讞U運(yùn)動(dòng)的方向；對(duì)整個(gè)噴桿展開機(jī)構(gòu)添加重力，方向沿Y軸負(fù)方向。為各活動(dòng)構(gòu)件添加相應(yīng)的材料：steel，第1展開噴桿與第2展開噴桿之間添加限位接觸連接，第1展開噴桿與中間支撐架之間添加相應(yīng)的限位接觸連接，如圖4所示。

圖4　機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化仿真模型

3.4運(yùn)動(dòng)仿真

在液壓缸的移動(dòng)副處添加移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，令移動(dòng)速度為20mm/s，對(duì)噴桿展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。噴桿機(jī)構(gòu)在展開過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)副1與轉(zhuǎn)動(dòng)副2處的角加速度、角速度如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知：噴桿在即將完全展開時(shí)，角加速度、角速度瞬間增大，在噴桿機(jī)構(gòu)展開的最后轉(zhuǎn)動(dòng)副1的角速度達(dá)到0.22rad/s,角加速度0.14rad/s2；轉(zhuǎn)動(dòng)副2的角速度達(dá)到0.52rad/s，角加速度為0.68rad/s2。由此可知：噴桿機(jī)構(gòu)在展開過程的最后，噴桿與限位擋塊的碰撞力會(huì)極大。這將帶來噴桿在即將展開時(shí)振動(dòng)明顯的問題，同時(shí)會(huì)對(duì)噴桿機(jī)構(gòu)的使用壽命帶來一定的影響。

圖5　轉(zhuǎn)動(dòng)副1處角速度、角加速度曲線

圖6　轉(zhuǎn)動(dòng)副2處角速度、角加速度曲線

4優(yōu)化方案

針對(duì)噴桿展開過程中出現(xiàn)的噴桿與限位擋塊碰撞力極大，以及在噴桿展開機(jī)構(gòu)即將完全展開過程中噴桿展開速度、加速度急劇增大等問題，提出將液壓缸替換為電推桿同時(shí)將限位擋塊替換為限位開關(guān)的方案，通過控制電推桿的速度來實(shí)現(xiàn)噴桿機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)展開。電推桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速度容易控制，可以實(shí)現(xiàn)噴桿定位停止且平穩(wěn)展開，提高噴桿的使用壽命。

針對(duì)優(yōu)化前噴桿在即將完全展開時(shí)角加速度、角速度瞬間增大的問題，初步對(duì)展開速度進(jìn)行調(diào)整。即將電推桿先是以20mm/s的速度勻速運(yùn)動(dòng)，16s之后速度由20mm/s勻減速到0mm/s。設(shè)定電推桿的速度如圖7所示。添加移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)類型為速度。速度函數(shù)為STEP(time,0,-20,16,-20)+STEP(time,16,-20,23,0)。

圖7　電推桿速度曲線

改進(jìn)后噴桿的展開情況如圖8、圖9所示。其中，轉(zhuǎn)動(dòng)副1處的角速度和角加速度的最大值都出現(xiàn)在噴桿機(jī)構(gòu)即將展開時(shí)，角速度最大為0.11rad/s，角加速度最大為0.032rad/s2；轉(zhuǎn)動(dòng)副2處的角速度和角加速度的峰值都出現(xiàn)在噴桿機(jī)構(gòu)剛剛展開時(shí)。為了與優(yōu)化之前作對(duì)比，測(cè)得噴桿機(jī)構(gòu)在即將展開時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)副2的最大角速度為在0.17rad/s,角加速度為0.06rad/s2。因此，優(yōu)化后噴桿機(jī)構(gòu)的展開性能明顯提高。

圖8　優(yōu)化后轉(zhuǎn)動(dòng)副1處角速度、角加速度曲線

圖9　優(yōu)化后轉(zhuǎn)動(dòng)副2處角速度、角加速度曲線

5結(jié)論

1)本文所述的噴桿展開機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)展開，提高了操作的便捷性。

2)本文所述的噴桿升降機(jī)構(gòu)既可以有效保證施藥過程中的離地間隙，又能夠?qū)崿F(xiàn)噴桿展開系統(tǒng)在豎直方向的升降，保證噴頭方向始終朝下；且所述的噴桿系統(tǒng)具有自平衡機(jī)構(gòu)，有效解決了噴桿系統(tǒng)的平衡問題。

3)對(duì)噴桿展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行了自由度分析，通過分析可知：該機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)等于其自由度數(shù)，滿足具有確定運(yùn)動(dòng)的條件，同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析。

4)通過對(duì)噴桿展開機(jī)構(gòu)的仿真，分析了噴桿在展開過程中存在的一些問題，為噴桿改進(jìn)方案提供了思路，為噴桿機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

5)提出了將液壓缸替換為電推桿的優(yōu)化方案，有利于噴桿機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)展開和提高噴桿的使用壽命。

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The Structure Optimization and Research of the Spray Bar System Mounted on the Highland Clearance Self-propelled Plant Protection Machinery

Huang Conghui1,Ma Hongliang1,Jiang Guanghua2,Wei Shuyan1,He Junda1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China; 2. Hebei Province Agricultural Machinery Repair Service Station, Shijiazhuang 050011, China)

Abstract：The plant protection machinery of China is relatively backward compared to the foreign plant protection machinery. There are the problems of low pesticide use, labor-intensive, poisoning of farmers frequently and so on. In this paper, highland clearance for plant protection machinery self-propelled spray bar system structure is described briefly, and the degree of freedom of Spray bar deployment mechanism and the kinematics theory are analyzed and calculated. The kinematics simulation analysis is carried out by simulation software of ADAMS. Proposing the optimization program that replacing the hydraulic cylinder with electric putter. Finally carry out the kinematics simulation analysis to the optimized program. The performance of expand has improved significantly. This improvement provides foundation for the further development of self-propelled plant protection machinery.

Key words：plant protection machine; highland clearance; self-propelled; spray bar; deployment mechanism; structure optimization

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0049-05

中圖分類號(hào)：S491

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：黃聰會(huì)(1990-)，女，石家莊人，碩士研究生，(E-mail)1124944796@qq.com。通訊作者：馬洪亮(1965-)，男，河北青縣人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)mahongliang0312@126.com。

基金項(xiàng)目：河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系小麥創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目(2013-2017)

收稿日期：2015-03-07