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）

0 引言

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。

1 平面桁架噴桿設(shè)計(jì)

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

1.1 噴桿中間架設(shè)計(jì)

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

1.2 噴桿臂設(shè)計(jì)

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

2 噴桿位移分析

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。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

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。

4 結(jié)論

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。