何 猛，佟 哲，李 偉，邱志鵬，彭 濤

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.江蘇華源節(jié)水股份有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

卷盤式噴灌機作為一種廣泛應(yīng)用的移動式農(nóng)田灌溉設(shè)備[1-2]，因其具有單位面積灌溉成本低、機動性強、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于我國華北、東北等大面積農(nóng)田的灌溉[3-6]場合。

卷盤式噴灌機多采用水渦輪為動力源驅(qū)動卷盤旋轉(zhuǎn)[7]，為提高水渦輪運行效率，需要對卷盤式噴灌機的負載特性進行研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者對卷盤式噴灌機的工作特性進行了一些研究：Perry L Oakes[8]等研究了軟管牽引式噴灌機壓力損失的特點，解決了壓力主要損失在何處的問題，并做了一定的優(yōu)化工作；顧哲[9]等以軟管牽引式卷盤噴灌機為對象，建立了卷盤負載轉(zhuǎn)矩計算的數(shù)學(xué)模型，理論推導(dǎo)了卷盤式噴灌機在運行時的卷盤負載轉(zhuǎn)矩數(shù)學(xué)計算模型。現(xiàn)有研究多停留在理論層次，沒有實際物理樣機實驗做對比，不利于卷盤式噴灌機負載特性的進一步研究。

本文通過虛擬樣機技術(shù)建立JP75-300型卷盤式噴灌機仿真模型，研究了卷盤式噴灌機工作時負載扭矩的變化規(guī)律，并通過與實驗數(shù)據(jù)對比驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性。文章創(chuàng)新點如下：①搭建了基于物理樣機的扭矩測試實驗臺，且采用步進電機做動力裝置，能準(zhǔn)確測試卷盤式噴灌機工作時的負載扭矩變化規(guī)律。②基于虛擬樣機技術(shù)建立卷盤式噴灌機的仿真模型，該模型在物理樣機的基礎(chǔ)上做了合理的簡化，并通過實驗驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性與可靠性。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

卷盤式噴灌機是一種利用水渦輪驅(qū)動卷盤旋轉(zhuǎn)、拖動噴頭車在行進間噴灑水的灌溉設(shè)備，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，噴頭車連接PE卷管與噴頭，將高壓水均勻噴灑；地錨起固定作用，保證噴灌機在工作過程中固定不動；壓管裝置起壓緊PE卷管，防止亂管的作用；支架起調(diào)整噴灌機底盤保持水平的作用。

1.地錨 2.速度補償裝置 3.卷盤 4.PE管 5.噴頭車 6.噴頭 7.支架 8.車架 9.地輪

工作原理：卷盤式噴灌機采用水渦輪作為動力驅(qū)動系統(tǒng)，采用大截面小壓力的巧妙設(shè)計，即使在噴水流量很小的情況下，亦可以實現(xiàn)較高的PE管回收速度。工作時，水渦輪的輸出轉(zhuǎn)軸經(jīng)過帶傳動裝置與減速器輸入軸連接，經(jīng)過減速器的“減速增扭”作用，較大的扭矩力作用于卷盤以驅(qū)動卷盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)PE軟管的自動回收。與此同時，流經(jīng)水渦輪的高壓水經(jīng)PE軟管輸送到噴頭車的噴頭處，經(jīng)過噴頭的細化和霧化，形成的細小水滴和水霧，噴灑到農(nóng)作物上空并均勻降落，形成“人工降雨”；隨著PE軟管的不斷回收，不間斷地進行噴灌作業(yè)，達到噴水灌溉的目的。

2 卷盤式噴灌機負載轉(zhuǎn)矩理論分析

首先建立卷盤式噴灌機負載模型，如圖2所示。

1.噴頭車 2.PE管 3.卷盤

當(dāng)卷盤勻速轉(zhuǎn)動，拖動噴頭車和PE管回收完成噴灌作業(yè)時，卷盤受到3個力，分別是地面與噴頭車相對運動產(chǎn)生的滾動摩擦力1、地面與PE管相對運動產(chǎn)生的滑動摩擦力2及卷盤提升PE管和管內(nèi)水的重力F。因本文研究的內(nèi)容為卷盤式噴灌機工作時的最大負載轉(zhuǎn)矩，PE管和管內(nèi)水的重力F相對于地面與噴頭車相對運動產(chǎn)生的滾動摩擦力1及地面與PE管相對運動產(chǎn)生的滑動摩擦力2較小，本文予以忽略不計。

2.1 初估噴頭車質(zhì)量

查閱現(xiàn)行JP75-300型噴灌機整機參數(shù)，初步選用的噴頭型號：50PYC，噴頭車總質(zhì)量：m總≈100kg。其中，摩擦參數(shù)選取參照GB/T21400．1-2008《絞盤式噴灌機第1部分: 運行特性及實驗室和田間試驗方法》[10]給出的經(jīng)驗值。

噴頭車產(chǎn)生的摩擦力為

F1=f1m總g≈98N

(1)

式中m總—噴頭車總質(zhì)量；

2.2 計算PE管質(zhì)量

現(xiàn)行大型卷盤式噴灌機使用的PE管材料是特制的聚乙烯材料，查詢相關(guān)資料取其密度為ρ管=0.96g/cm3，則有

(2)

卷盤式噴灌機300m PE管中所含灌溉水質(zhì)量為

(3)

式中ρ水—噴灌水密度(kg/m3)，近似地取1 000kg/m3。

PE管與地面產(chǎn)生的摩擦總力為

F2=f2×(m管+m水)g≈5137N

(4)

式中f2—PE管與田地地面間的摩擦因數(shù)，取f2=0.4。

2.3 卷盤的受力分析

由上面分析過程得，卷盤牽引力為

F=F1+F2=5235N

(5)

卷盤的牽引力矩為

T=Fd1/2≈3271.9N·m

(6)

式中d1—卷盤直徑。

3 仿真分析

3.1 虛擬樣機技術(shù)簡介

虛擬樣機技術(shù)是許多技術(shù)的綜合，其核心部分是多體系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實現(xiàn)。ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是最著名的虛擬樣機分析軟件，是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。ADAMS 軟件的仿真可用于預(yù)測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷，以及計算有限元的輸入載荷等。目前，ADAMS已在航天機械、鐵路、汽車、飛機、工程機械及一般機械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被全世界各行各業(yè)的大多制造商采用[11]。

3.2 仿真模型的簡化

卷盤式噴灌機主要由卷盤、傳動機構(gòu)、動力源、底盤、導(dǎo)向機構(gòu)、PE管和噴頭車等組成。為了提高仿真效率，確保仿真準(zhǔn)確可靠，本文對仿真模型進行了合理簡化，仿真模型主要由卷盤、導(dǎo)向機構(gòu)和PE管和地塊組成。模型簡化過程中，將PE管簡化為微段PE管拼接。其中，PE管長10m，微段PE管長度為5cm，并依次編號，與卷盤連接的為第1段，離卷盤最遠的為第200段；將卷盤作為驅(qū)動裝置，并施加驅(qū)動力矩，將導(dǎo)向機構(gòu)的雙向絲杠系統(tǒng)簡化為一個移動副；把噴頭車的摩擦阻力等效代替到PE管的第196～200段上，將PE管及管內(nèi)水的質(zhì)量均分到這200微段PE管上，PE管與卷盤用固定副連接、PE管與地塊和導(dǎo)向機構(gòu)采用剛性接觸進行約束，PE管微段之間采用軸套力連接。

3.3 仿真模型的建立

虛擬樣機三維模型的建立主要有兩種方法：一是通過CAD軟件完成建模，然后通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入ADAMS中；二是通過ADAMS軟件自身完成模型的建立。本文通過軟件自身建立三維模型，方便后期模型修改以及運動副的添加[12]。其中，接觸力(Contact)以及軸套力(Bushing)的添加均采用宏命令的方式進行添加，可以大大提高建模效率，提高建模準(zhǔn)確性。簡化后的動力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 卷盤式噴灌機動力學(xué)模型

3.4 仿真分析

虛擬樣機仿真，對計算機硬件要求較高。由于微段PE管、軸套力(Bushing)、接觸力(Contact)的數(shù)量較多，求解困難，對仿真速度影響較大，本文采用腳本仿真，可對約束的有效性進行控制，方便設(shè)置仿真條件。本文仿真兩種工況，根據(jù)噴頭車的回收速度分為兩種工況，分別為低速工況(0.35m/min)與高速工況(1.25m/min)。本文仿真條件設(shè)置與試驗條件完全一

樣，主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

表2 軸套力參數(shù)表

分別設(shè)置仿真參數(shù)，進行對比仿真分析。仿真結(jié)束后，在ADAMS的Post process后處理模塊查看仿真實驗結(jié)果，負載轉(zhuǎn)矩的變化趨勢分別如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可以看出：低速工況與高速工況負載轉(zhuǎn)矩在3 200N·m上下波動，且高速工況相比于低速工況波動更加劇烈，符合實際工況；高速工況的啟動負載轉(zhuǎn)矩比低速工況的啟動負載轉(zhuǎn)矩高1 000N·m。與實驗測得數(shù)據(jù)較為吻合；在卷盤勻速回收階段，低速工況與高速工況的負載轉(zhuǎn)矩基本一致。

圖4 低速工況負載轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

圖5 高速工況負載轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

4 實驗與對比分析

4.1 實驗臺簡介

實驗臺搭建在卷盤式噴灌機物理樣機上，主要由步進電機、減速器、聯(lián)軸器和扭矩傳感器構(gòu)成，可以測量卷盤式噴灌機工作過程負載扭矩的變化。實驗扭矩采集系統(tǒng)采用以計算機為硬件平臺的北京世通科創(chuàng)技術(shù)有限公司TQ-USB采集系統(tǒng)，采用扭矩傳感器型號為TQ-660,量程(0±1 000)N·m(見圖6)，實驗臺結(jié)構(gòu)如圖7所示。

動力由步進電機經(jīng)減速器、聯(lián)軸器、扭矩傳感器傳遞給卷盤。扭矩傳感器安裝在減速器輸出軸與鏈輪的輸入軸之間，由測得的鏈輪輸入轉(zhuǎn)矩結(jié)合鏈輪傳動比計算出工作負載轉(zhuǎn)矩。

4.2 對比與分析

4.2.1 實驗

本實驗研究卷盤式噴灌機工作時的最大負載轉(zhuǎn)矩，驗證模型的準(zhǔn)確性，為研發(fā)新型卷盤式噴灌機提供理論依據(jù)。

本次實驗參考GB/T21400.1-2008《絞盤式噴灌機第1部分: 運行特性及實驗室和田間試驗方法》，設(shè)定噴灌機分別工作在兩種工況，分別為低速工況(0.35m/min)與高速工況(1.25m/min)。兩種工況分別對卷動第一層PE管的狀態(tài)進行了測試，即負載最大的工況。通過本實驗對負載扭矩的變化規(guī)律進行研究，研究噴灌機作業(yè)時的最大負載轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)設(shè)定條件進行實驗，低速工況與高速工況下外部負載的變化情況如圖8、圖9所示。

圖6 TQ-USB采集分析系統(tǒng)實物

圖7 卷盤式噴灌機物理樣機實驗臺

4.2.2 對比分析

由圖8和圖9結(jié)合仿真數(shù)據(jù)對比可知：兩種工況下的仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)基本一致。高速工況較低速工況啟動負載轉(zhuǎn)矩高約1 000N·m。這是因為高速啟動用時更短，動量的變化率更大。同時，高速工況較低速工況負載的變化更劇烈，這符合實際工況。因此，仿真模型準(zhǔn)確可靠，能準(zhǔn)確地反應(yīng)卷盤式噴灌機工作負載轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律。

圖8 低速工況負載轉(zhuǎn)矩實測結(jié)果

圖9 高速工況負載轉(zhuǎn)矩實測結(jié)果

5 結(jié)論

1)基于ADAMS建立了JP75型卷盤式噴灌機的虛擬樣機模型，并基于模型完成了關(guān)于卷盤式噴灌機最大負載轉(zhuǎn)矩的仿真研究，仿真實驗數(shù)據(jù)在物理樣機實驗得到了驗證，該仿真模型對新型卷盤式噴灌機的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

2)對卷盤式噴灌機進行了實驗，通過卷盤式噴灌機物理樣機實驗臺得到了卷盤式噴灌機負載特性曲線，并得出卷盤式噴灌機工作時的負載轉(zhuǎn)矩約3 200N·m。

3)對不同回收速度的工況進行了對比研究。隨著回收速度的提高，啟動負載轉(zhuǎn)矩有一個突變的過程，且高速工況下的負載轉(zhuǎn)矩波動幅度更大，機器工作條件更惡劣。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0023-EA