雷嘵暉 呂曉蘭 李雪

摘要：噴桿噴霧機(jī)是目前普遍使用的一種大田植保機(jī)械，為了增加農(nóng)藥有效利用率和減少霧滴飄失，噴桿多加裝罩蓋裝置。針對(duì)噴桿噴霧機(jī)生產(chǎn)研發(fā)中出現(xiàn)的損壞問題，以山東綠田農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的罩蓋導(dǎo)流式噴霧機(jī)撥禾板固定支架為研究對(duì)象，利用有限元理論找出固定支架應(yīng)力集中部位，并在其原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在受損情況最為嚴(yán)重的大豆田中，拓?fù)鋬?yōu)化后固定支架最大應(yīng)力由原來的652.4 MPa降至 123.8 MPa，降了81%，機(jī)械抗振性也有大幅度的增強(qiáng)。該結(jié)果為企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的撥禾板式噴桿噴霧機(jī)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：噴桿噴霧機(jī);撥禾板;固定支架;拓?fù)鋬?yōu)化;應(yīng)力分析;數(shù)字模型;仿真;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S491 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）14-0243-05

田間施藥是大田作物種植管理中最重要的環(huán)節(jié)，可有效地預(yù)防田間作物病蟲草害的發(fā)生。目前國(guó)內(nèi)大田施藥機(jī)械主要有2種：一種是以無線遙控多旋翼飛行器為載體的航空植保機(jī)械，一種是高地隙噴桿噴霧機(jī)。航空植保機(jī)械多適用于山區(qū)丘陵地區(qū)，以作業(yè)速度快、地形適應(yīng)性強(qiáng)為特點(diǎn)，缺點(diǎn)是農(nóng)藥?kù)F滴易飄失、價(jià)格高昂且載藥量少[1-2]。高地隙噴桿噴霧機(jī)以平原作業(yè)為主，高地隙底盤設(shè)計(jì)可有效減少機(jī)具作業(yè)過程中對(duì)作物的碾壓傷害，為提高農(nóng)藥的有效利用率及減少農(nóng)藥?kù)F滴的飄失，噴霧機(jī)噴桿多加裝風(fēng)幕裝置[3]和罩蓋裝置[4]。

撥禾板導(dǎo)流式噴霧屬于罩蓋噴霧，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較風(fēng)幕式噴霧價(jià)格便宜、可減少霧滴飄失的噴霧方法。它對(duì)高稈和低矮作物都適用。當(dāng)裝載撥禾板的噴霧機(jī)作業(yè)于低矮作物時(shí)，撥禾板底端緊貼作物頂部，傾斜噴出的農(nóng)藥藥液會(huì)穿透作物冠層;當(dāng)機(jī)具作業(yè)于高稈作物時(shí)，撥禾板可以撥開作物冠層，減少上部冠層對(duì)農(nóng)藥藥液的攔截，使藥液直接噴施于冠層下部。文獻(xiàn)[4]對(duì)撥禾板的安裝傾角及寬度都有詳細(xì)的定義，山東綠田農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司參考文獻(xiàn)[4]研發(fā)設(shè)計(jì)一款撥禾板式噴桿噴霧機(jī)，但撥禾板與噴桿之間的固定支架作業(yè)時(shí)強(qiáng)度效果欠佳。本研究以山東綠田農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)的撥禾板固定支架為研究對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化理論對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 模型建立

1.1 工作原理

撥禾板導(dǎo)流式噴桿噴霧機(jī)工作原理如圖1所示，噴霧機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)噴桿升降使得撥禾板置于作物冠層當(dāng)中，噴桿在圖1中從左至右作業(yè)，噴桿帶動(dòng)撥禾板、撥禾板固定支架以及噴頭整體移動(dòng)，撥禾板在噴霧機(jī)的帶動(dòng)下將作物冠層撥開，使得噴頭噴出的農(nóng)藥?kù)F滴噴施到作物冠層內(nèi)部及下部。

1.2 數(shù)字模型

大田噴桿噴霧機(jī)多使用平面扇形霧噴頭進(jìn)行作業(yè)，根據(jù)噴頭流量及扇面角度的不同，噴頭在噴桿上一般以0.5～1.0 m 為間隔等間距排列（本試驗(yàn)研究固定支架單體間隔為0.8 m）。撥禾板式噴桿如圖2所示，撥禾板通過固定支架安裝于噴桿下方，噴頭安裝于撥禾板上方并與固定支架固接。為了增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，固定支架設(shè)計(jì)為平行四邊形結(jié)構(gòu)，有時(shí)為了增加撥禾板作業(yè)靈活性，固定支架平行四邊形結(jié)構(gòu)角度設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)模式。

運(yùn)用機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件PTC/Creo，根據(jù)實(shí)際尺寸對(duì)撥禾板固定支架進(jìn)行建模。撥禾板式噴桿噴霧機(jī)固定支架（簡(jiǎn)稱原模型）設(shè)計(jì)圖如圖3所示，單個(gè)支架質(zhì)量為1.18 kg，寬度為30 mm。

1.3 作業(yè)工況分析

噴桿噴霧機(jī)作業(yè)過程中作物冠層主要對(duì)撥禾板施加水平向左的推力，當(dāng)作物莖稈折斷時(shí)，阻力消失。以大田常見的秸稈種植作物（玉米、高粱、小麥、水稻、大豆、油菜）為研究對(duì)象，分析其種植密度和抗折力，為后續(xù)撥禾板支架的受力提供數(shù)據(jù)支持。有研究表明，玉米適合機(jī)械化作業(yè)且可增高其產(chǎn)量的種植密度范圍為7.5萬～9.0萬株/hm2[5-6]，主莖稈機(jī)械抗折力因施氮量不同而有所改變，最高可達(dá) 26.88 N[7]。高粱適宜的最大種植密度為14.66萬株/hm2[8]，主莖稈抗折力因品種的不同而有所不同，最大約 30 N[9]。小麥高產(chǎn)栽培的種植密度為240萬株/hm2[10]，主莖稈抗折力最大值為 6.2 N[11]。高密度栽植水稻的種植密度可達(dá)33萬株/hm2[12]，主莖稈抗折力最大為18.9 N[13]。大豆最大種植密度為 27萬株/hm2[14]，主莖稈抗折力最大為 87 N[15]。油菜最大種植密度為60萬株/hm2[16]，主莖稈抗折力最大為33.66 N[17]。經(jīng)單位統(tǒng)一后，6種秸稈作物單位種植面積內(nèi)最大抗折力總和如表1所示。由表1可知，大豆單位面積抗折力明顯比其他稈作物大。

2 仿真與優(yōu)化

2.1 理論模型

2.2 原模型仿真分析

使用有限元商業(yè)分析軟件Hyperworks對(duì)原模型進(jìn)行應(yīng)力分析，以模型側(cè)面為基準(zhǔn)，通過殼網(wǎng)格拉伸的方法繪制邊長(zhǎng)為4 mm的六面體實(shí)體網(wǎng)格：網(wǎng)格單元總數(shù)2 198個(gè)，結(jié)點(diǎn)數(shù) 5 000個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量良好。因噴霧機(jī)撥禾板固定支架材質(zhì)為Q235，故所加載的材料屬性為楊氏模量2.08×105 MPa、泊松比0.277、密度7.86×103 kg/m3、屈服強(qiáng)度235 MPa。圖1中噴霧機(jī)水平向右行駛，若撥禾板完全深入到作物冠層中，則撥禾板受到作物莖稈水平向左的阻力最大，進(jìn)而傳遞到各個(gè)固定支架底端。因撥禾板與地面成40°夾角，故單個(gè)固定支架受到寬度為B、長(zhǎng)度為圖2中L（0.35×sin50°=0.27 m）的面積內(nèi)作物阻力的作用。分析中以作物最大抗折力進(jìn)行計(jì)算，固定支架所受作用力及支架產(chǎn)生的應(yīng)力如表2所示。由表2可知，B=0.8 m 時(shí)，因應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，固定支架在小麥、大豆、油菜田中不可作業(yè);B=0.5 m時(shí)，固定支架在小麥、大豆、油菜田中不可作業(yè)。

固定支架在6種受力工況下的應(yīng)力集中區(qū)皆出現(xiàn)在平行四邊形結(jié)構(gòu)右上角噴桿連接處，圖4為支架在玉米田中最大受力時(shí)的應(yīng)力云圖和位移云圖。固定支架玉米田中受力在6種作物中最小，但此時(shí)位移云圖中最大處已達(dá)17.98 mm，可見支架作業(yè)過程中位移變形量較大，需后續(xù)進(jìn)行模態(tài)分析。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮到原模型應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在平行四邊形結(jié)構(gòu)右上角噴桿連接處，設(shè)計(jì)如圖5-a所示毛坯件來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以彌補(bǔ)原模型中的不足。圖5-a在原模型基礎(chǔ)上增添了A區(qū)域和C區(qū)域，厚度與原模型相同，為30 mm。在Hyperworks軟件中對(duì)待優(yōu)化毛坯件進(jìn)行應(yīng)力分析，材料屬性及固定約束設(shè)置與原模型相同，加載B=0.8 m時(shí)大豆田中作業(yè)的受力工況。毛坯件受力云圖及位移云圖如圖5-b、 圖5-c所示，毛

坯件最大應(yīng)力為50.22 MPa，最大位移為0.23 mm，最大應(yīng)力處未達(dá)到235 MPa，可進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

在Hyperworks軟件Topology模塊中以最小化零件材料體積分?jǐn)?shù)為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)力值不超過235 MPa為約束條件，對(duì)待優(yōu)化毛坯件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)80步迭代計(jì)算后，得出如圖6-a所示的優(yōu)化密度圖。從圖6可以看出，優(yōu)化件相比于原模型，在平行四邊形結(jié)構(gòu)內(nèi)部增加了若干加強(qiáng)筋，而且在與噴桿連接處上方增加了1條加強(qiáng)筋。在Hyperworks軟件Post選項(xiàng)板中的OSSmooth模塊將圖6拓?fù)鋬?yōu)化模型以*.iges曲面模型格式導(dǎo)出。在PTC/Creo中將上述優(yōu)化曲面模型導(dǎo)入，參照導(dǎo)入曲面模型輪廓進(jìn)行三維繪圖設(shè)計(jì)，優(yōu)化模型設(shè)計(jì)完成后刪除原曲面模型并導(dǎo)出二維機(jī)械圖紙?？紤]到加工難易程度，加工后的零件結(jié)構(gòu)如圖6-b所示，質(zhì)量為1.87 kg。

進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析，材料屬性、固定約束設(shè)置與原模型相同，繼續(xù)加載B=0.8 m時(shí)大豆田中作業(yè)的受力工況，應(yīng)力云圖和位移云圖如圖6-c、圖6-d所示。圖6顯示，最大應(yīng)力為123.8 MPa，最大位移為3.9 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 模態(tài)分析

考慮到撥禾板固定支架原模型在作業(yè)過程中位移變形量較大，對(duì)原模型和優(yōu)化模型進(jìn)行前5階模態(tài)分析，以對(duì)比支架優(yōu)化前后模態(tài)頻率變化情況，如表3所示。從表3可以看出，優(yōu)化后支架模態(tài)頻率皆有大幅度提升，即支架的抗振性增強(qiáng)。

3 討論與結(jié)論

本研究運(yùn)用機(jī)械有限元仿真軟件Hyperworks，針對(duì)生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問題對(duì)撥禾板固定支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。以大田作業(yè)受力工況入手，計(jì)算玉米、高粱、小麥、水稻、大豆、油菜6種作物單位面積抗折力，經(jīng)過對(duì)固定支架原模型應(yīng)力分析得出應(yīng)力集中部位，并在此基礎(chǔ)上建立優(yōu)化模型毛坯件，通過計(jì)算機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)得出固定支架優(yōu)化模型。原固定支架不能在密集的秸稈作物中作業(yè)，尤其是莖稈抗折力大的作物冠層中。以B=0.8 m時(shí)抗折力最大的大豆為例，拓?fù)鋬?yōu)化后單個(gè)固定支架質(zhì)量雖然增至1.87 kg，比原支架增加了58.5%，但最大應(yīng)力由原來的652.4 MPa降至 123.8 MPa，降了81%，機(jī)械抗振性也有大幅度的增強(qiáng)。本研究將工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的有限元理論應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械上，不僅增強(qiáng)了材料的有效利用率，而且縮短了開發(fā)設(shè)計(jì)周期，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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