李中祥，溫浩軍,2，王國(guó)良，周倩倩

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】2020年新疆棉花種植面積約為250.19×104hm2(3 752.9萬(wàn)畝)，占全國(guó)總種植面積的78.9%[1]，新疆全年棉花病蟲(chóng)害累計(jì)發(fā)生面積為145.97×104hm2(2 189.86萬(wàn)畝)次，占新疆棉花種植面積的58.35%[2]，高地隙自走式噴霧機(jī)廣泛應(yīng)用于新疆棉花植保作業(yè)中[3]。但是由于其車身質(zhì)量大、噴桿展幅寬、作業(yè)工況復(fù)雜，在作業(yè)過(guò)程中車身振動(dòng)會(huì)造成噴桿振動(dòng)幅度過(guò)大，影響噴霧機(jī)施藥效率和作業(yè)質(zhì)量[4～6]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】John Deere、AGCO、現(xiàn)代農(nóng)裝、奧凱等公司所研發(fā)的自走式噴霧機(jī)都采用了四輪獨(dú)立式懸架系統(tǒng)[7-9]。陳雨等[10]設(shè)計(jì)基于摩擦阻尼的空氣懸架，以空氣彈簧作為減振元件，并引入尼龍摩擦塊作為阻尼，建立動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)模型進(jìn)行仿真分析并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到懸架系統(tǒng)的減振效果。樂(lè)飛翔等[11]針對(duì)MAZZOTTI自走式噴霧機(jī)的聯(lián)通式油氣懸架，采用ADAMS、AMESim等仿真軟件進(jìn)行整機(jī)的平順性仿真試驗(yàn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】針對(duì)高地隙自走式噴霧機(jī)底盤(pán)離地間隙大、作業(yè)路況復(fù)雜等作業(yè)特點(diǎn)，提出一種新的底盤(pán)氣液組合懸架減振結(jié)構(gòu)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用振動(dòng)加速度傳感器，采集噴霧機(jī)在不同路面下車架的振動(dòng)加速度，分析車架和馬達(dá)支架的振動(dòng)加速度，評(píng)價(jià)氣液組合懸架的減振特性。研究在不同路面下和行駛速度下噴霧機(jī)氣液組合懸架的減振特性，為高地隙自走式噴霧機(jī)田間作業(yè)的穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 懸架結(jié)構(gòu)

氣液組合懸架系統(tǒng)，車架與行走裝置之間通過(guò)空氣彈簧、液壓油缸和仿形擺臂相連，其中仿形擺臂的前端與輪胎支架的軸承座焊接在一起，后端通過(guò)銷軸與車架鉸接在一起，上端和空氣彈簧、減振油缸的下端相連，空氣彈簧和減振油缸的上端與車身相連。當(dāng)噴霧機(jī)行走在不平路面時(shí)，輪胎的起伏會(huì)帶動(dòng)仿形擺臂的上下擺動(dòng)，空氣彈簧和液壓油缸壓縮或伸張進(jìn)行減振。

當(dāng)作業(yè)路面比較平緩時(shí)，地面對(duì)于輪胎的沖擊比較小，仿形擺臂擺動(dòng)的幅度也比較小，空氣彈簧可以吸收來(lái)自地面的沖擊，起到主減振作用；當(dāng)作業(yè)路面起伏比較大時(shí)，地面對(duì)于輪胎的沖擊也比較大，仿形擺臂的擺動(dòng)的幅度也比較大，這時(shí)空氣彈簧和液壓減振系統(tǒng)共同工作，而且液壓油缸通過(guò)單向閥、阻尼閥與蓄能器相連，又可以起到阻尼衰減振動(dòng)的作用。圖1

注：1.輪胎，2.馬達(dá)支架，3.轉(zhuǎn)向支撐臂，4.軸承座，5.馬達(dá)支架轉(zhuǎn)軸，6.仿形擺臂，7.轉(zhuǎn)向油缸，8.空氣彈簧，9.車架，10.減振油缸，11.蓄能器

1.1.2 噴霧機(jī)

噴霧機(jī)底盤(pán)采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，有效降低整機(jī)重心高度，提高底盤(pán)穩(wěn)定性；藥箱置于龍門(mén)式結(jié)構(gòu)兩側(cè)，提高整機(jī)的適應(yīng)性和通過(guò)性；整機(jī)驅(qū)動(dòng)采用國(guó)際上主流的靜液壓全時(shí)四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，速度控制采用電比例控制方式，機(jī)器的高速和低速兩檔可切換。表1

表1 噴霧機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of sprayer

1.1.3 測(cè)試儀器

采用傳感器為IEPE壓電式加速度傳感器(東華測(cè)試，型號(hào)1A314E,軸向靈敏度：100 mV/g，量程±50 g，工作溫度-40～120℃，頻率響應(yīng)(10%)0.5～7 000 Hz)；動(dòng)態(tài)采集分析儀器型號(hào)東華測(cè)試DH5922D，共16通道，每通道具有獨(dú)立的16位A/D,獨(dú)立的DSP,并行同步采樣；DHDAS V6.0軟件平臺(tái)，包括底層驅(qū)動(dòng)程序、通訊協(xié)議等，集成數(shù)據(jù)采集、分析等功能。圖2

圖2 試驗(yàn)測(cè)試儀器Fig.2 Test instrument

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在石河子市石總廠三分場(chǎng)二連，測(cè)試路面分別選取田間路面和起伏較大的砂石路面。在不同等級(jí)的路面下以平均車速為3、5和8 km/h均速行駛，藥箱裝滿藥液。將加速度傳感器分別安裝在馬達(dá)支架(氣液組合懸架減振前的位置)、車架(氣液組合懸架減振后的位置)，將加速度傳感器與DHDAS動(dòng)態(tài)采集分析儀器連接，在軟件中選擇設(shè)置合適的采集參數(shù)并記錄傳感器數(shù)據(jù)。在測(cè)試過(guò)程中前30s為噴霧機(jī)起步階段，在后續(xù)分析過(guò)程中除去其加速度數(shù)據(jù)，選取中間時(shí)間段速度較穩(wěn)定時(shí)的車身加速度，作為分析自走式噴霧機(jī)行駛減振特性的依據(jù)。圖3

圖3 傳感器安裝位置Fig.3 Sensor installation location

1.2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

路面不平度和噴霧機(jī)的行駛速度形成了對(duì)噴霧機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的輸入，該輸入經(jīng)過(guò)輪胎、馬達(dá)支架、氣液組合懸架傳至車架構(gòu)成了整個(gè)噴霧機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞，得到了振動(dòng)系統(tǒng)的輸出時(shí)車架的振動(dòng)加速度，該振動(dòng)加速度的大小來(lái)反映懸架系統(tǒng)的減振效果[11]。

高地隙自走式噴霧機(jī)，在作業(yè)過(guò)程中行駛速度比較慢，影響車體的振動(dòng)主要為垂向振動(dòng)，評(píng)價(jià)噴霧機(jī)底盤(pán)懸架的減振特性時(shí)，考慮垂向振動(dòng)加速度和垂向振動(dòng)加速度均方根值，加速度傳感器所記錄的加速度時(shí)域響應(yīng)的時(shí)間歷程a(t)，計(jì)算其加速度均方根值[12]：

(1)

式中，T為振動(dòng)的分析時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴霧機(jī)田間不同速度行駛減振特性

研究表明，噴霧機(jī)分別以速度3、5和8 km/h在田間行駛時(shí)，當(dāng)噴霧機(jī)以3 km/h的速度在田間行駛時(shí)，其馬達(dá)支架的振動(dòng)加速度均方根值為2.225 m/s2，車架振動(dòng)加速度均方根值為0.658 m/s2；當(dāng)噴霧機(jī)以5 km/h的速度在田間路面上行駛時(shí)，其馬達(dá)支架的振動(dòng)加速度均方根值為2.647 m/s2，車架振動(dòng)加速度均方根值為0.834 m/s2；當(dāng)噴霧機(jī)以8 km/h的速度在田間路面上行駛時(shí)，其馬達(dá)支架振動(dòng)加速度均方根值為3.263 m/s2，車架振動(dòng)加速度均方根值為1.106 m/s2；路面的沖擊經(jīng)過(guò)氣液組合懸架減振之后，傳至車架的振動(dòng)加速度明顯降低，氣液組合懸架具有良好的隔振作用。圖4

圖4 噴霧機(jī)田間行駛時(shí)振動(dòng)加速度應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of vibration acceleration when the sprayer runs in the field

2.2 噴霧機(jī)在砂石路面上不同速度行駛減振特性

研究表明，噴霧機(jī)分別以速度3、5和8 km/h在砂石路上行駛時(shí)，當(dāng)噴霧機(jī)以3 km/h的速度在砂石路上行駛時(shí)，其馬達(dá)支架的振動(dòng)加速度均方根值為2.626 m/s2，車架的振動(dòng)加速度均方根值為0.798 m/s2；當(dāng)噴霧機(jī)以5 km/h的速度在砂石路上行駛時(shí)，其馬達(dá)支架的振動(dòng)加速度均方根值為2.959 m/s2，車架的振動(dòng)加速度均方根值為0.967 m/s2；當(dāng)噴霧機(jī)以8 km/h的速度在砂石路上行駛時(shí)，其馬達(dá)支架的振動(dòng)加速度均方根值為3.639 m/s2，車架的振動(dòng)加速度均方根值為1.283 m/s2，路面的沖擊經(jīng)過(guò)氣液組合懸架減振之后，傳至車架的振動(dòng)加速度明顯降低，氣液組合懸架具有良好的隔振作用。圖5

圖5 噴霧機(jī)石子路上行駛時(shí)振動(dòng)加速度應(yīng)曲線Fig.5 Response curve of vibration acceleration when the sprayer runs on gravel road

3 討 論

當(dāng)路面激勵(lì)相同時(shí)，隨著噴霧機(jī)作業(yè)速度的增加，噴霧機(jī)底盤(pán)的振動(dòng)幅度逐漸增大，噴霧機(jī)在作業(yè)過(guò)程中要選擇合適的作業(yè)速度，即能保證噴霧機(jī)在作業(yè)過(guò)程中的行駛平順性，也可以減少噴桿的振動(dòng)，提高噴霧機(jī)的作業(yè)效果；當(dāng)噴霧機(jī)以相同的速度分別在田間路面和砂石路面行駛時(shí)，在砂石路面上時(shí)的振動(dòng)加速度均方根值要高于在田間路面上行駛時(shí)的加速度均方根值，主要因?yàn)槭勇访娴挠捕却笥谔镩g路面，路面更粗糙，路面激勵(lì)更大，所以，噴霧機(jī)的振動(dòng)幅度也比較高。表2

表2 振動(dòng)加速度均方根值對(duì)比Table 2 Comparison table of root mean square values of vibration acceleration

當(dāng)噴霧機(jī)在以3、5和8 km/h的速度在田間行駛時(shí)，其路面激勵(lì)經(jīng)過(guò)氣液組合懸架減振后，振動(dòng)傳至車架時(shí)的振動(dòng)加速度均方根值分別為0.658、0.834和1.106 m/s2，相對(duì)比馬達(dá)支架的振動(dòng)加速度均方根值，車架的均方根值降低了70.43%、68.49%、66.10%；當(dāng)噴霧機(jī)當(dāng)噴霧機(jī)在以3、5和8 km/h的速度在砂石路上行駛時(shí)，其路面激勵(lì)經(jīng)過(guò)氣液組合懸架減振后，振動(dòng)傳至車架時(shí)的加速度均方根值分別為0.798、0.967和1.283 m/s2，相對(duì)比馬達(dá)支架的振動(dòng)加速度均方根值，車架的均方根值降低了69.61%、67.32%、64.74%；隨著路面的粗糙程度和作業(yè)速度的增加，經(jīng)氣液組合懸架的減振后，其車架的振動(dòng)加速度均方根值的降低率均在64%以上，說(shuō)明氣液組合懸架在噴霧機(jī)作業(yè)過(guò)程中，具有良好的隔振效果。

4 結(jié) 論

當(dāng)噴霧機(jī)在以速度3、5和8 km/h在田間行駛時(shí)，路面激勵(lì)經(jīng)過(guò)氣液組合懸架減振后，傳至車架時(shí)的振動(dòng)加速度均方根值分別降低了70.43%、68.49%、66.10%，當(dāng)噴霧機(jī)在以速度3、5和8 km/h在砂石路上行駛時(shí)，路面激勵(lì)經(jīng)過(guò)氣液組合懸架減振后，傳至車架時(shí)的振動(dòng)加速度均方根值分別降低了69.61%、67.32%、64.74%，隨著路面的粗糙程度和作業(yè)速度的增加，經(jīng)氣液組合懸架的減振后，其車架的振動(dòng)加速度均方根值的降低率均在64%以上，氣液組合懸架具有良好的減振效果。