王金武 白海超 孫小博 王金龍 唐 漢 周文琪

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

水稻是中國(guó)主要的糧食作物，保證其生長(zhǎng)和生產(chǎn)安全對(duì)我國(guó)糧食安全具有重要意義[1-3]。植保作業(yè)作為水稻生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，是保證水稻生產(chǎn)安全的重要手段。噴桿噴霧機(jī)是應(yīng)用最廣泛的植保機(jī)具，其向大功率、高地隙、寬噴幅方向的發(fā)展，對(duì)提高施藥效率、減少作業(yè)過(guò)程中對(duì)農(nóng)作物的損害具有積極作用[4-6]。

水田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多樣，隨著水稻種植規(guī)模的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)主產(chǎn)區(qū)對(duì)其田間管理作業(yè)機(jī)具尤其是噴桿噴霧機(jī)具的需求日漸迫切[7]。傳統(tǒng)噴桿噴霧機(jī)其機(jī)械式噴桿折疊展開(kāi)時(shí)需用多個(gè)液壓油缸來(lái)完成動(dòng)作，致使其存在機(jī)構(gòu)同步協(xié)調(diào)操作性差、制造成本高、機(jī)具使用可靠性低等問(wèn)題[8]。在田間噴霧及路面轉(zhuǎn)移過(guò)程中，由路面起伏產(chǎn)生的外部激勵(lì)會(huì)導(dǎo)致噴桿產(chǎn)生振動(dòng)，尤其是在接近于噴桿固有頻率的地面條件下，噴桿與外部激振頻率發(fā)生耦合，嚴(yán)重影響噴霧質(zhì)量[9]。學(xué)者們通過(guò)對(duì)噴桿噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或加裝減振裝置來(lái)抑制噴桿在噴霧過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)以改善噴霧質(zhì)量[10-11]。雖然通過(guò)上述方法可以取得一定的減振效果，但未從噴桿的原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，且設(shè)計(jì)的噴桿多為高度固定式，無(wú)法保證對(duì)水稻不同生長(zhǎng)時(shí)期和不同位置病蟲(chóng)害的防治需要。

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合水田種植模式和植保農(nóng)藝要求，綜合考慮作業(yè)效率、施藥均勻性及普遍適用性等因素，本文重點(diǎn)開(kāi)展水田噴霧機(jī)噴霧裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元仿真分析與驗(yàn)證性試驗(yàn)，以期解決水田植保作業(yè)存在的實(shí)際問(wèn)題，提高水稻全程機(jī)械化生產(chǎn)水平。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，水田噴霧機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、車架、車架平衡裝置、組合式變速箱、車橋、折腰轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(液壓油箱、轉(zhuǎn)向油缸、液壓油泵、全液壓轉(zhuǎn)向助力器)、前后行走輪、輕簡(jiǎn)化背負(fù)式折疊噴桿總成(噴桿、升降油缸、藥箱、折疊展開(kāi)油缸、組合式靜電噴頭、噴藥泵)及相關(guān)配件等組成。

圖1 水田噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of paddy field sprayer1.噴桿 2.升降油缸 3.藥箱 4.車斗 5.發(fā)動(dòng)機(jī) 6.座椅 7.換擋桿 8.方向盤(pán) 9.折疊展開(kāi)油缸 10.組合式靜電噴頭 11.噴藥泵 12.車橋 13.登車安全架 14.全液壓轉(zhuǎn)向助力器 15.車架 16.車架平衡裝置 17.前行走輪 18.轉(zhuǎn)向油缸 19.液壓油泵 20.液壓油箱 21.組合式變速箱 22.后行走輪

為適應(yīng)田間植保作業(yè)的頻繁越埂，高地隙折腰式水田多功能動(dòng)力底盤(pán)通過(guò)配置車架平衡裝置行走系統(tǒng)并以四輪驅(qū)動(dòng)的方式使其具有良好的抗翻傾性和行駛穩(wěn)定性。應(yīng)用鉸接方式將前后兩段車架連接，實(shí)現(xiàn)折腰轉(zhuǎn)向功能，使其轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活。采用液壓與機(jī)械結(jié)合的傳動(dòng)方式，通過(guò)手動(dòng)液壓閥調(diào)節(jié)升降液壓油缸的伸縮進(jìn)而改變輕簡(jiǎn)化背負(fù)式折疊噴桿總成的離地高度，以滿足不同生長(zhǎng)期的水稻植保作業(yè)。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)噴藥泵，使藥液流經(jīng)分配閥，一部分回流到藥箱進(jìn)行調(diào)壓和攪拌，另一部分由感應(yīng)式靜電噴頭噴出，完成植保作業(yè)，其工作示意圖如圖2所示。

1.2 技術(shù)參數(shù)

圖2 工作示意圖Fig.2 Working diagram1.水稻秧苗 2.雜草

水田噴霧機(jī)以高地隙折腰式水田多功能動(dòng)力底盤(pán)為載體，配置輕簡(jiǎn)化背負(fù)式折疊噴桿總成完成水田植保作業(yè)，其折疊噴桿總成采用輕量化組合設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，同步協(xié)調(diào)操作性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；配備感應(yīng)式靜電噴頭，工作時(shí)感應(yīng)式靜電噴頭利用高壓靜電通過(guò)靜電圈建立一個(gè)高壓靜電場(chǎng)，霧滴經(jīng)過(guò)靜電場(chǎng)形成群體荷電霧滴，然后在靜電場(chǎng)力和其他外力的作用下做定向運(yùn)動(dòng)而吸附在稻苗的各個(gè)部位，對(duì)稻苗不同部位均具有良好的附著效果，可高效均勻地完成水田植保作業(yè)。水田噴霧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵工作部件設(shè)計(jì)與配置

2.1 高地隙折腰式水田多功能動(dòng)力底盤(pán)

高地隙折腰式水田多功能動(dòng)力底盤(pán)是可以掛接不同農(nóng)業(yè)機(jī)具完成運(yùn)秧、施肥、除草及植保等多種作業(yè)的多功能綜合應(yīng)用平臺(tái)，底盤(pán)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。該底盤(pán)配置了車架平衡裝置并以四輪驅(qū)動(dòng)的方式使其具有良好的抗翻傾性和行駛穩(wěn)定性；選用橡膠凸齒窄胎體輪胎，可順利通過(guò)最高為533 mm的田埂或坡地、最大爬坡越埂角度為56°，能夠在路面至水田或水田田間完成無(wú)阻礙行駛作業(yè)；前后車架采用鉸接連接方式，實(shí)現(xiàn)了折腰轉(zhuǎn)向功能，轉(zhuǎn)向靈活，最小轉(zhuǎn)彎半徑可達(dá)3 200 mm[13]。

表1 水田噴霧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of plant protection sprayer of paddy field

2.2 輕簡(jiǎn)化背負(fù)式折疊噴桿總成

輕簡(jiǎn)化背負(fù)式折疊噴桿總成通過(guò)搭載在水田多功能動(dòng)力底盤(pán)上來(lái)完成植保作業(yè)，其總體長(zhǎng)度為8.4 m。鑒于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定噴桿寬幅12 m以上的噴霧機(jī)應(yīng)設(shè)有懸架系統(tǒng)，因此所設(shè)計(jì)的噴桿通過(guò)平行四桿升降機(jī)構(gòu)與底盤(pán)直接連接，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

工作時(shí)，通過(guò)升降液壓油缸調(diào)節(jié)平行四桿升降機(jī)構(gòu)控制輕簡(jiǎn)化背負(fù)式折疊噴桿總成的離地高度；兩側(cè)的一級(jí)噴桿架兩端分別與中間桿架和二級(jí)噴桿架連接，單側(cè)多折疊機(jī)構(gòu)的伸展由一個(gè)液壓油缸控制完成，通過(guò)調(diào)節(jié)折疊展開(kāi)油缸在完成一級(jí)噴桿架折疊或展開(kāi)的同時(shí)，連接支架帶動(dòng)二級(jí)噴桿架折疊或展開(kāi)。與傳統(tǒng)多油缸機(jī)械式噴桿相比，具有同步協(xié)調(diào)操作性好、機(jī)具使用可靠性高、折疊展開(kāi)過(guò)程用時(shí)短且制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 輕簡(jiǎn)化背負(fù)式折疊噴桿總成Fig.3 Light and simplify knapsack folding assembly1.二級(jí)噴桿架 2.連接支架 3.折疊展開(kāi)油缸 4.中間桿架 5.一級(jí)噴桿架 6.連接架 7.升降油缸 8.平行四桿升降機(jī)構(gòu)

2.2.1噴桿多折疊機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)的確定

多折疊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖4所示，將多桿機(jī)構(gòu)分成ABiEiF和ACiDiF兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，參照解析法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)的方法確定多折疊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。建立坐標(biāo)系Oxy，分別再將兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)分為左、右兩個(gè)雙桿組加以討論。建立左側(cè)雙桿組的矢量封閉圖如圖5所示，可得

lOA+lABi+lBiMi-lOMi=0

其在x、y軸上投影，得

(1)

式中 (xA,yA)——A點(diǎn)坐標(biāo)值

a——一級(jí)噴桿架桿長(zhǎng)，mm

θ1i——一級(jí)噴桿架轉(zhuǎn)動(dòng)角，(°)

θ2i——連接支架擺動(dòng)角，(°)

k——基點(diǎn)Mi與鉸接點(diǎn)Bi的距離，mm

γ2——連接支架短桿與水平方向夾角，(°)

(xMi,yMi)——連接支架短桿上基點(diǎn)Mi點(diǎn)坐標(biāo)值

圖4 多折疊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型Fig.4 Simplified model of multiple folding mechanism

圖5 左側(cè)雙桿組矢量封閉圖Fig.5 Vector block diagram of left double bar

整理式(1)得

(xMi-xA)2+(yMi-yA)2+k2-a2-
2[(xMi-xA)kcosγ2-(yMi-yA)ksinγ2]cosθ2i-
2[(xMi-xA)ksinγ2+(yMi-yA)kcosγ2]sinθ2i=0

(2)

由于式(2)為非線性方程，故選取連桿的3個(gè)預(yù)定位置，并預(yù)選xA、yA后，可將式(2)轉(zhuǎn)化為線性方程

X0+A1iX1+A2iX2+A3i=0

(3)

其中X0=k2-a2X1=kcosγ2X2=ksinγ2

A1i=2[(xA-xMi)cosθ2i-(yA-yMi)sinθ2i]
A2i=2[(yA-yMi)cosθ2i+(xA-xMi)sinθ2i]
A3i=(xMi-xA)2+(yMi-yA)2

X0、X1、X2為新變量，A1i、A2i、A3i為已知系數(shù)。

由式(3)解得X0、X1、X2后，可求得待定參數(shù)

(4)

同理，當(dāng)預(yù)選F點(diǎn)坐標(biāo)(xF，yF)后，建立右側(cè)雙桿組線性方程，可求解基點(diǎn)Mi與鉸接點(diǎn)Ei的距離e、連接支架長(zhǎng)桿長(zhǎng)d、連接支架短桿擺動(dòng)角α2，進(jìn)而求得連接支架短桿長(zhǎng)b和連接架長(zhǎng)f為

(5)

(6)

由于所預(yù)選的連桿位置不同，所得到的桿長(zhǎng)也不相同，應(yīng)用Matlab軟件計(jì)算出不同連桿位置所確定的多組桿長(zhǎng)，考慮到實(shí)際工作要求，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行圓整，得到設(shè)計(jì)的多折疊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為一級(jí)噴桿架桿長(zhǎng)a=1 500 mm，二級(jí)噴桿架桿長(zhǎng)c=1 705 mm，連接支架長(zhǎng)桿長(zhǎng)d=1 620 mm，連接支架短桿長(zhǎng)a1=b=d1=330 mm，連接架長(zhǎng)f=498 mm。

2.2.2噴桿多折疊機(jī)構(gòu)截面尺寸的確定

2.2.2.1外部激勵(lì)分析

噴桿是弱阻尼的彈性體，當(dāng)噴桿與動(dòng)力底盤(pán)之間無(wú)懸掛裝置時(shí)，由路面起伏產(chǎn)生的外部激勵(lì)會(huì)直接傳遞給噴桿，使其產(chǎn)生振動(dòng)而影響噴霧質(zhì)量，縮短噴桿使用壽命[14]。動(dòng)力底盤(pán)在道路運(yùn)輸和田間工作時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)主要與路面不平度和動(dòng)力底盤(pán)的工作速度密切相關(guān)，計(jì)算式為

(7)

式中f0——路面激勵(lì)頻率，Hz

v——車速，m/s

λ——路面不平度波長(zhǎng)，mm

取動(dòng)力底盤(pán)的最高車速4.17 m/s，路面不平度波長(zhǎng)為320 mm[15]，得到路面最高激勵(lì)頻率為13.03 Hz，為避免共振的產(chǎn)生，所設(shè)計(jì)噴桿多折疊機(jī)構(gòu)的第1階固有頻率至少為14 Hz，以避開(kāi)路面起伏產(chǎn)生的激勵(lì)頻率。

2.2.2.2虛擬仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述情況，為保證噴桿多折疊機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在其外形結(jié)構(gòu)不發(fā)生重大改變并滿足一定強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上，使其第1階固有頻率避開(kāi)路面激勵(lì)頻率且質(zhì)量達(dá)到最小。

噴桿由不同規(guī)格的鋼管焊接而成，呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為8 400 mm。在建模過(guò)程中為了提高模態(tài)分析的運(yùn)算速度，對(duì)模型進(jìn)行了必要簡(jiǎn)化[16-18]：忽略了較小工藝孔和倒角等對(duì)整體力學(xué)性能影響較小的幾何特征[19]，不考慮焊接對(duì)模型振動(dòng)特征的影響。簡(jiǎn)化的有限元模型如圖6所示，主要由6根截面尺寸為Φ22的圓鋼管、4根截面尺寸為40 mm×6 mm的折疊拉桿、6根截面尺寸為40 mm×40 mm的方鋼管及2根截面尺寸為60 mm×40 mm的矩型鋼管組成。

圖6 多折疊機(jī)構(gòu)有限元模型Fig.6 Finite element model of multi rod folding mechanism1.圓鋼管 2.折疊拉桿 3.方鋼管1 4.矩形鋼管 5.方鋼管2 6.方鋼管3

為探究不同壁厚下的圓鋼管、矩形鋼管和方鋼管對(duì)噴桿多折疊機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和模型質(zhì)量的影響，采用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)優(yōu)化虛擬試驗(yàn)方案，選取L9(34)正交表安排試驗(yàn)，考慮強(qiáng)度及加工成本，確定因素的3個(gè)水平，試驗(yàn)因素水平表如表2所示。

2.2.2.3仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

虛擬試驗(yàn)操作值與參數(shù)設(shè)計(jì)值無(wú)誤差，可根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析，并對(duì)影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素進(jìn)行顯著性分析，尋求噴桿多折疊機(jī)構(gòu)理想結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，在ANSYS-workbench中建立9組不同壁厚下鋼管所組成噴桿多折疊機(jī)構(gòu)的有限元模型，得到模型質(zhì)量m并進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，提取出非0的第1階固有頻率f1，試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表3，A、B、C為因素水平值。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Test factors and levels mm

在滿足強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上，其質(zhì)量越小，第1階固有頻率越高，表明噴桿多折疊機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性越好。由表3極差分析可知，影響質(zhì)量指標(biāo)的3個(gè)因素較優(yōu)參數(shù)水平組合為A1B1C1，即圓鋼管壁厚、矩形鋼管壁厚和方鋼管壁厚分別為2、2、2 mm；影響第1階固有頻率指標(biāo)的3個(gè)因素較優(yōu)參數(shù)水平組合為A1B2C2，即圓鋼管壁厚、矩形鋼管壁厚和方鋼管壁厚分別為2、3、3 mm。

為準(zhǔn)確判斷各因素水平對(duì)多折疊機(jī)構(gòu)噴桿質(zhì)量及第1階固有頻率影響的顯著性，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，影響質(zhì)量指標(biāo)的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋築、A、C，B對(duì)質(zhì)量影響極顯著(P<0.01)，A和C對(duì)質(zhì)量影響顯著(P<0.05)；影響第1階固有頻率指標(biāo)的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋篈、B、C，A、B和C對(duì)第1階固有頻率影響均極顯著(P<0.01)。

為得到不同壁厚下的圓鋼管、矩形鋼管和方鋼管所組成噴桿多折疊機(jī)構(gòu)的最理想結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，對(duì)不同鋼管的壁厚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以質(zhì)量和第1階模態(tài)頻率為優(yōu)化指標(biāo)，結(jié)合虛擬仿真的邊界條件，得到參數(shù)化數(shù)學(xué)模型為

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test schemes and results

(8)

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件中的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化(Optimization)模塊對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到當(dāng)圓鋼管壁厚、矩形鋼管壁厚和方鋼管壁厚分別為2、2、2 mm時(shí)，其第1階固有頻率為14.84 Hz，避開(kāi)了路面激勵(lì)頻率13.03 Hz，此時(shí)質(zhì)量最小，為62.85 kg。

2.3 噴霧系統(tǒng)選型與配置

2.3.1噴頭選型配置

噴頭是噴霧總成的關(guān)鍵部件，其型號(hào)、數(shù)量及布置方式直接影響植保作業(yè)質(zhì)量。結(jié)合實(shí)際選型試驗(yàn)及應(yīng)用效果，選取感應(yīng)式靜電噴頭作為執(zhí)行部件[20-21]，該噴頭工作時(shí)由噴嘴噴出群體荷電霧滴，對(duì)稻苗不同部位均具有良好的附著效果，可高效均勻地完成水田植保作業(yè)，減少藥劑浪費(fèi)?？紤]單個(gè)噴頭噴施流量要求及相鄰噴施范圍間重復(fù)率，設(shè)計(jì)配置噴頭個(gè)數(shù)為

表4 試驗(yàn)方差分析Tab.4 Variance analysis of tests

注：** 表示極顯著(P<0.01)；*表示顯著(P<0.05)。

(9)

式中n——噴頭總數(shù)，個(gè)

D——單個(gè)噴頭噴施直徑，mm

b0——相鄰噴頭間噴施重復(fù)率，%

L0——整體噴施幅寬，mm

綜合考慮沿噴桿噴霧量均勻性和節(jié)約藥液用量，本文選取相鄰噴頭間噴施重復(fù)率為b0=37%[22]，單個(gè)噴頭噴施直徑為D=500 mm，噴頭噴施角為θ=80°，整體噴施幅寬為L(zhǎng)0=8 400 mm。將上述參數(shù)代入式(9)中，可得工況條件下均勻配置噴頭數(shù)n=26，噴頭間距c0=320 mm。

2.3.2噴藥泵選型

噴藥泵作為噴霧系統(tǒng)的動(dòng)力源，將藥箱中的藥液以一定壓力輸出，噴藥泵的選取應(yīng)綜合考慮機(jī)具前進(jìn)速度、噴施工作幅寬、噴施流量及作業(yè)面積等因素[23]，結(jié)合上述因素進(jìn)行選型，以滿足工況條件下噴施要求。當(dāng)噴藥泵在工況壓力下進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其噴施工作幅寬及藥液流量均為定值，此時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)單位時(shí)間內(nèi)平均噴施量具有直接影響，即

Q=qn

(10)

式中Q——單位時(shí)間內(nèi)藥液總噴施量，L/h

q——單位時(shí)間內(nèi)單個(gè)噴頭噴施量，L/h

此時(shí)，機(jī)具在單位時(shí)間內(nèi)噴施面積為

W=3.6L0v1

(11)

式中W——單位時(shí)間噴施總面積，m2/s

v1——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

結(jié)合實(shí)際作業(yè)過(guò)程中水稻秧苗對(duì)液體農(nóng)藥用量要求，其單位面積藥劑使用量為

(12)

式中m0——單位面積內(nèi)藥劑使用量，L/m2

M——消毒劑總需求量，L

Wz——作業(yè)總面積，m2

藥液的總施用量為

Q≥m0W

(13)

將式(10)～(13)合并整理，可得噴藥泵流量要求為

(14)

參考東北地區(qū)水田植保農(nóng)藝要求，設(shè)定水田噴霧機(jī)在田間作業(yè)時(shí)行駛速度為0.83～1.67 m/s，每平方米農(nóng)藥(水溶后)總需求量M=0.18 L，作業(yè)總面積Wz=667 m2，將上述參數(shù)代入式(14)中，可得單位時(shí)間內(nèi)噴藥泵流量Q至少為4 516 L/h。因此在液泵配置過(guò)程中，選取DA-80B型壓力可調(diào)式柱塞泵，同時(shí)可根據(jù)田間實(shí)際植保作業(yè)要求調(diào)節(jié)液泵壓力閥，控制單位時(shí)間內(nèi)噴施流量，提高機(jī)具適應(yīng)范圍。

3 模態(tài)試驗(yàn)

3.1 噴桿有限元模態(tài)分析

設(shè)定噴桿材料為45號(hào)鋼，定義模型參數(shù)：密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.10×105MPa，泊松比μ=0.3。噴桿主要由矩形鋼管材料制造而成，所以從Creo中導(dǎo)入的實(shí)體模型類型為殼。按優(yōu)化結(jié)果對(duì)噴桿模型各部件的厚度進(jìn)行定義，而后對(duì)噴桿模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，最終所得有限元模型單元數(shù)為51 532，節(jié)點(diǎn)數(shù)為21 682。應(yīng)用ANSYS-workbench軟件對(duì)噴桿進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，由于低階振型決定結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，故提取其非零的前4階模態(tài)結(jié)果及振型云圖，如圖7所示。

圖7 噴桿前4階模態(tài)振型云圖Fig.7 Cloud patterns of the first four order modal shapes of sprayer

3.2 噴桿模態(tài)試驗(yàn)

3.2.1噴桿的模態(tài)測(cè)試及測(cè)點(diǎn)分布

數(shù)值模型的可靠性通常無(wú)法得到保證，為驗(yàn)證有限元模態(tài)仿真分析的合理性，對(duì)噴桿進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。模態(tài)試驗(yàn)是通過(guò)輸入裝置對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，在激勵(lì)的同時(shí)測(cè)量結(jié)構(gòu)響應(yīng)的一種試驗(yàn)方法，由于該方法能獲得結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，故可以成為判斷有限元模型仿真是否合理的重要指標(biāo)[24-25]。最佳的試驗(yàn)邊界條件應(yīng)是與有限元模型一樣的自由邊界狀態(tài)，但在實(shí)際的試驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與環(huán)境不存在連接的自由狀態(tài)[26-28]，因此試驗(yàn)時(shí)利用彈性橡膠支撐的方式以使噴桿近似為自由狀態(tài)。模態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)基本原理如圖8所示。激勵(lì)信號(hào)由LC-2D型力錘敲擊自由狀態(tài)下的噴桿給出，并由AY-YD350型力傳感器采集；響應(yīng)信號(hào)由AY100I型加速度傳感器采集，采集的激勵(lì)及響應(yīng)信號(hào)在INV3018C型24位智能信號(hào)采集處理分析儀中進(jìn)行分析和保存，并最終將采集的所有測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)頻響函數(shù)導(dǎo)入到DASP-10模態(tài)分析軟件中進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，即可得到噴桿模態(tài)試驗(yàn)的模態(tài)參數(shù)。采樣過(guò)程中對(duì)每個(gè)頻響函數(shù)進(jìn)行3次平均，以消除信號(hào)中的隨機(jī)噪聲。

圖8 模態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)基本原理圖Fig.8 Principle diagram of modal signal testing system

使用錘擊法做模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，為避免重要模態(tài)的丟失，參考點(diǎn)的選擇應(yīng)當(dāng)避開(kāi)重要模態(tài)的節(jié)點(diǎn)。采用多輸入多輸出的試驗(yàn)方法，可以有效地避免模態(tài)的丟失。測(cè)點(diǎn)布置原則為外力作用點(diǎn)、重要響應(yīng)點(diǎn)、部件或結(jié)構(gòu)的交聯(lián)點(diǎn)等位置，且必須保證所布測(cè)點(diǎn)連線應(yīng)能反映出噴桿的整體形狀[29-31]，在模態(tài)試驗(yàn)中所建立的模型結(jié)構(gòu)如圖9所示，共46個(gè)待測(cè)點(diǎn)，可較好地反映出噴桿的輪廓形狀。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖10所示。

圖9 模態(tài)試驗(yàn)中模型結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure model of modal test

圖10 模態(tài)試驗(yàn)Fig.10 Modal test1.AY100I型加速度傳感器 2.LC-2D型力錘 3.INV3018C型24位智能信號(hào)采集處理分析儀 4.計(jì)算機(jī) 5.多折疊機(jī)構(gòu)噴桿

3.2.2噴桿模態(tài)測(cè)試曲線分析

試驗(yàn)時(shí)，自由狀態(tài)下的噴桿受到力錘的作用力使其產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，通過(guò)力傳感器和加速度傳感器將信號(hào)實(shí)時(shí)傳至上位機(jī)，運(yùn)用DASP-MAS動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)顯示相應(yīng)的時(shí)域波形，獲得激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)隨激勵(lì)時(shí)間的變化曲線。

對(duì)測(cè)試得到的力信號(hào)和加速度信號(hào)進(jìn)行自譜分析，圖11所示為對(duì)7點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)得到的力譜及在1、15、18、35處4個(gè)參考點(diǎn)的加速度單峰值譜，由圖可知，力錘對(duì)0～500 Hz以內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行了有效激勵(lì)，加速度頻域譜峰集中在0～300 Hz之間。圖12為響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)的頻響函數(shù)圖，由圖可知，噴桿模態(tài)頻率分布在低頻區(qū)間內(nèi)，在模態(tài)頻率的峰值點(diǎn)處，相位的變化符合共振時(shí)振動(dòng)相位變化的特點(diǎn)，相干系數(shù)在模態(tài)頻率峰值點(diǎn)處的值也接近于1。可得出試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)正確地反映了噴桿的振動(dòng)特性，但峰值不夠明顯，分析其原因?yàn)楦骷?jí)噴桿架之間安裝條件的改變使成分變得復(fù)雜。故在模態(tài)擬合時(shí)，采用特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法(ERA)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，該算法通過(guò)穩(wěn)定圖的方式進(jìn)行計(jì)算，對(duì)復(fù)雜密集模態(tài)具有更好的識(shí)別能力，通過(guò)穩(wěn)定圖也可以對(duì)由信噪比偏低造成的譜峰不清晰的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行更有效識(shí)別，可快速準(zhǔn)確地得到噴桿模態(tài)試驗(yàn)的模態(tài)參數(shù)。

圖11 自譜分析Fig.11 Analysis of spectra

圖12 傳遞函數(shù)圖Fig.12 Transfer function diagram

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖13 噴桿模態(tài)試驗(yàn)振型云圖Fig.13 Cloud patterns of vibration mode of spray rod in modal test

將DASP-MAS動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)采集的頻響信號(hào)導(dǎo)入DASP-10模態(tài)分析軟件中進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，分析出噴桿前4階試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率和振型，如圖13所示。最后用模態(tài)置信準(zhǔn)則(MAC)對(duì)分析出的模態(tài)頻率進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖14所示，主對(duì)角線MAC均為1，非對(duì)角線上各階MAC都較小，證明試驗(yàn)與分析的振型向量具有一定的相關(guān)性，所得的模態(tài)參數(shù)比較可靠。

圖14 模態(tài)置信準(zhǔn)則(MAC)Fig.14 Modal assurance criteria

通過(guò)ANSYS計(jì)算多折疊機(jī)構(gòu)噴桿的前4階固有頻率和模態(tài)試驗(yàn)得到的前4階模態(tài)的固有頻率如表5所示。對(duì)比表明，二者較為接近，最大誤差為7.14%，各階陣型也基本一致，說(shuō)明所建數(shù)值模型較為準(zhǔn)確。

表5 模態(tài)分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.5 Comparison of modal analysis results and test results

4 田間性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的輕簡(jiǎn)化背負(fù)式折疊噴桿總成的作業(yè)性能，研究裝置各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)可靠性，結(jié)合理論分析與仿真模擬進(jìn)行噴桿總成的試制，以高地隙折腰式水田多功能動(dòng)力底盤(pán)為載體進(jìn)行田間試驗(yàn)。于2018年7月22日在黑龍江省哈爾濱市新鄉(xiāng)試驗(yàn)基地進(jìn)行田間性能試驗(yàn)，如圖15所示。

圖15 田間噴霧試驗(yàn)Fig.15 Field experiment

水田環(huán)境為黑壤土，泥腳深度150～180 mm，水層深度30 mm，環(huán)境溫度25～33℃，風(fēng)速1.6～3.0 m/s，水稻秧苗的平均高度為650 mm，行距為300 mm，株距為12 mm，藥液為碧護(hù)溶解液。

按照NY/T 1925—2010《在用噴桿噴霧機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》對(duì)水田噴霧機(jī)噴霧性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)，將噴霧壓力調(diào)節(jié)至0.3 MPa，噴桿距地面高度為500 mm，采用量杯和霧滴收集臺(tái)分別對(duì)噴頭噴霧量均勻性和沿桿噴霧量均勻性進(jìn)行測(cè)試，在此工況下進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)取平均值；選取作業(yè)速度為1.25 m/s，噴霧壓力為0.3 MPa，噴桿距作物高度為500 mm，對(duì)沉積量均勻性進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)重復(fù)5次，數(shù)據(jù)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果表明：水田噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)，藥液噴施均勻，覆蓋性較好；噴桿無(wú)明顯振動(dòng)，對(duì)作物的機(jī)械損傷較小；噴頭噴霧量變異系數(shù)、沿桿噴霧量變異系數(shù)和沉積量變異系數(shù)分別為2.55%、13.61%和31.24%，均小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該水田噴霧機(jī)的噴霧性能滿足水田植保農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種輕簡(jiǎn)化背負(fù)式折疊噴桿總成，對(duì)其多折疊機(jī)構(gòu)噴桿、感應(yīng)式靜電噴頭等關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與合理配置，保證了噴霧的均勻性及穩(wěn)定性，通過(guò)田間試驗(yàn)證明噴霧質(zhì)量達(dá)到了各項(xiàng)農(nóng)藝技術(shù)指標(biāo)的要求。

(2)通過(guò)解析法確定了噴桿多折疊機(jī)構(gòu)各部分桿長(zhǎng)，在此基礎(chǔ)上，以鋼管厚度為影響因素，質(zhì)量和第1階固有頻率為試驗(yàn)指標(biāo)，采用虛擬正交試驗(yàn)方法建立了因素與指標(biāo)間的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。采用多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化的方法建立了優(yōu)化模型。結(jié)果表明，當(dāng)圓鋼管壁厚、矩形鋼管壁厚和方鋼管壁厚分別為2、2、2 mm時(shí)，質(zhì)量最輕且動(dòng)態(tài)特性最優(yōu)，其質(zhì)量為62.85 kg，第1階固有頻率為14.84 Hz。

(3)建立了噴桿的有限元模型，運(yùn)用ANSYS-workbench求解出噴桿的前4階模態(tài)頻率和振型，并采用多輸入多輸出的方法進(jìn)行了力錘激勵(lì)模態(tài)試驗(yàn)。通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果的對(duì)比表明，二者較為接近，最大誤差為7.14%，各階陣型也基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。