馬春燕,陳維強(qiáng),孫雪,楊洋,焦亞男,崔培培,張守海
(276800 山東省 日照市 山東五征集團(tuán)有限公司)
幾年來,國內(nèi)農(nóng)作物田間管理作業(yè)被高度重視,其輔助機(jī)械品種呈多樣化快速發(fā)展之勢。小面積種植區(qū)域的田間管理作業(yè)多采用靈活便捷的背負(fù)式噴霧機(jī)或無人機(jī)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物施藥、施肥;大面積種植區(qū)域則采用大型寬幅噴霧機(jī)。寬幅噴霧機(jī)在提高植保作業(yè)效率的同時(shí)也存在亟需解決的問題,如施藥量不均勻、重噴、漏噴、浪費(fèi)農(nóng)藥等。針對這些問題,國內(nèi)外研發(fā)人員一直在進(jìn)行研究。國外大型植保機(jī)械核心技術(shù)領(lǐng)先國內(nèi)數(shù)十年,且在作業(yè)穩(wěn)定性、作業(yè)效率及智能控制方面已趨于成熟。國外寬幅(20~40 m)噴霧機(jī)占比達(dá)到35%,噴霧機(jī)最大噴幅已至50 m[1];國內(nèi)幅寬8~15 m 的噴霧機(jī)占比接近75%,而≥20 m 幅寬的噴霧機(jī)占比未達(dá)到7%,國內(nèi)噴霧機(jī)最大噴幅接近40 m[2]。
噴桿作為噴霧機(jī)作業(yè)的主要載體,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵因素。國外波爾圖Raptor4240 型噴桿為常見的三角桁架結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,在整車啟動、急停及轉(zhuǎn)彎時(shí)可保持平衡,保證噴藥的穩(wěn)定性。凱斯5330 型噴霧機(jī)噴桿也是類似結(jié)構(gòu),折疊采用水平翻轉(zhuǎn),搭載于整車兩側(cè)。國內(nèi)的噴霧機(jī)噴桿結(jié)構(gòu)以三角桁架結(jié)構(gòu)居多。
ANTHONIS 等研究得出,無論前置還是后置的噴桿都會有交錯(cuò)的3 種運(yùn)動:垂直旋轉(zhuǎn)、水平扭動和抖動[3],如圖1 所示。
圖1 噴桿運(yùn)動形式Fig.1 Motion forms of spray boom
整車作業(yè)時(shí)的震動及行駛中的顛簸會通過車架直接傳至噴桿,作為長跨度的機(jī)械結(jié)構(gòu),局部的震動及中間位置小幅度的偏移會導(dǎo)致噴桿遠(yuǎn)端發(fā)生大幅度的位移變化,該位移會隨整車直行、轉(zhuǎn)彎、加速、減速發(fā)生交錯(cuò)的復(fù)雜變化。這種位移變化會影響噴藥作業(yè)的穩(wěn)定性[4-6]。本文設(shè)計(jì)了一款平面桁架噴桿,研究該平面桁架噴桿在不同工況下的位移變化對噴藥作業(yè)的影響,為后續(xù)寬幅噴桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及噴藥穩(wěn)定性研究提供技術(shù)參考。
該噴桿搭載于一款高地隙多功能噴霧機(jī),可進(jìn)行包括對土豆、小麥及玉米等農(nóng)作物的田間管理作業(yè),整車參數(shù)如表1 所示。
表1 整車參數(shù)Tab.1 Vehicle parameters
配合整車參數(shù),噴桿的噴幅為25m。噴桿分為5 段,每段預(yù)設(shè)長度如圖2 所示。
圖2 噴桿分段Fig.2 Boom sections
噴桿小臂垂直翻轉(zhuǎn)折疊于大臂上端,噴桿臂整體采用雙油缸折疊后搭載于整車兩側(cè),如圖3 所示。
圖3 噴桿折疊狀態(tài)Fig.3 Boom folded state
噴桿中間架與車架剛性連接,該部分的結(jié)構(gòu)要設(shè)置成平衡減震模式,弱化整車顛簸傳輸至此的震動和搖擺,同時(shí)也能緩解行駛中大跨度噴桿末端搖擺晃動,所以該部分是中間者。平衡裝置采用漲緊結(jié)構(gòu),水平拉桿導(dǎo)向彈簧,在左右噴桿發(fā)生偏移后,兩側(cè)彈簧響應(yīng)動作,使得噴桿保持平衡。減震裝置設(shè)置兩側(cè)垂直重載彈簧承載,緩解噴桿的上下跳動。夾持裝置是為防止發(fā)生噴桿空間翻轉(zhuǎn)。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4 所示,該結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)申請專利。
圖4 噴桿中間結(jié)構(gòu)Fig.4 Intermediate structure of spray boom
噴桿臂設(shè)計(jì)采用上下梁的平面桁架結(jié)構(gòu),中間采用腹桿加強(qiáng),在隔斷中間設(shè)置斜筋。大臂下端采用雙油缸,以實(shí)現(xiàn)折疊展開動作;大臂上端設(shè)有斜拉油缸,以調(diào)整噴桿臂的展開角度。小臂采用油缸和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)折疊展開動作。其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。
圖5 噴桿臂Fig.5 Spray boom arm
噴桿數(shù)模每節(jié)長度:噴桿中間3 080 mm,大臂6 090 mm,小臂5 070 mm 噴桿數(shù)模長度25 420 mm,數(shù)模和實(shí)物圖如圖6 所示。
圖6 噴桿Fig.6 Spray boom
噴桿搭載于整車進(jìn)行作業(yè)時(shí)有5 種典型工況,分別為沖擊工況、加速工況、減速工況、左轉(zhuǎn)彎工況和右轉(zhuǎn)彎工況,具體見表2。經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算分析,得到不同工況的噴桿位移變化如圖7 所示。
表2 典型工況Tab.2 Working conditions
圖7 噴桿位移分析結(jié)果Fig.7 Analysis results of boom displacement
根據(jù)上述分析結(jié)果,整理數(shù)據(jù)得到噴桿在沖擊、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)工況下的位移變化最大值為67 mm,在合理變形范圍內(nèi),在加速、減速工況下的位移變化較大,接近其他工況位移變化的3 倍,在試驗(yàn)驗(yàn)證中要重點(diǎn)測試。
噴桿搭載于整車后,展開折疊動作正常。展開后整車靜止,測量噴桿的變形量均在合理范圍之內(nèi)(≤30 mm)。噴桿在典型工況下的變形位移測量采用激光柵欄及瞬時(shí)圖像對比,如圖8 所示。
圖8 試驗(yàn)示意圖Fig.8 Test diagram
整車行駛按照5 種典型工況加載駛?cè)霚y量區(qū)域后,圖像采集器完成圖像采集。其中A、B 數(shù)據(jù)都可以采集,采集圖像后標(biāo)定就近水平激光線到噴桿中間距離值為零位,測量得到噴桿10 個(gè)區(qū)域位移變化數(shù)據(jù)。為了測試準(zhǔn)確,整車在一個(gè)工況采集6組數(shù)據(jù)取平均值,測得數(shù)據(jù)如表3 所示,經(jīng)過比對分析得出,CAE 模擬分析的噴桿位移變化與實(shí)際工況行駛中噴桿的位移變化趨勢一致。
表3 工況與位移Tab.3 Working conditions & displacements
由上述數(shù)據(jù)分析得到噴桿5 種典型工況下的位移變化曲線,如圖9 所示。
圖9 噴桿位移變化曲線Fig.9 Displacement curve of spray boom
由圖9 可見,實(shí)際噴桿變形位移在加速和減速工況最大。由曲線圖得出試驗(yàn)中噴桿在不同工況下的位移變化量小于CAE 分析結(jié)果,噴桿加速和減速工況下的變形量是左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)工況下的2 倍甚至更多,沖擊工況下噴桿的位移變化最弱。
研發(fā)設(shè)計(jì)的平面桁架結(jié)構(gòu)噴桿經(jīng)過測試后得到其實(shí)際的最大位移變化小于170 mm,對于跨度25 m 的噴桿,該變形量在合理變形范圍內(nèi)。本研究為后續(xù)噴桿設(shè)計(jì)中加設(shè)控制裝置抵消加速、減速時(shí)噴桿末端的大變形提供技術(shù)參考。