楊亞飛，張肖柯，楊金歌，鄧武清，金 濯

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

機械施藥作為現(xiàn)階段植保作業(yè)的主要手段。噴桿式噴霧機具有作業(yè)效率高、防治效果好的特點，已成最重要的大田施藥裝備。2013年開始，我國農(nóng)機補貼目錄中加大了噴桿式噴霧機補貼力度[1-2]。

對于噴桿式噴霧機而言，為了保證作業(yè)時的通過性，噴霧機行走底盤離地間隙較高，附加的橫向力會增加噴霧機側(cè)翻危險的發(fā)生概率。由于田間地塊的不規(guī)則性，噴桿式噴霧機在作業(yè)時，藥箱內(nèi)液體會產(chǎn)生晃動，而藥箱內(nèi)液體和噴霧機機體屬于液固耦合連接，晃動產(chǎn)生的附加載荷會影響噴霧機整機性能。因此，研究噴霧機藥箱內(nèi)液體晃動載荷對噴霧機底盤技術(shù)、整機安全性能及噴霧作業(yè)性能的提升有著重要意義[3-5]。

為了得到噴桿式噴霧機藥箱藥液晃動橫向力規(guī)率，同時研究附加的橫向力對噴霧機作業(yè)性能的影響，為噴霧機的設(shè)計提供依據(jù)，本文設(shè)計了一種測量藥箱藥液晃動橫向力的測量系統(tǒng)。

1 噴霧機藥箱藥液晃動的力學(xué)分析

由于藥箱藥液晃動問題具有復(fù)雜性，為了準(zhǔn)確測量出藥箱藥液晃動橫向力，構(gòu)建一種正確的測量系統(tǒng)，對噴霧機藥箱進行受力分析如圖1所示。

圖1 藥箱藥液晃動力學(xué)模型

噴桿式噴霧機在作業(yè)時，會受到路面的激勵q1、q2，使藥箱中液體晃動，會對藥箱產(chǎn)生附加作用力。藥箱橫向晃動會使液體產(chǎn)生沿y方向的動壓力Fy，使藥箱受到附加的橫向力；同樣，藥箱橫向晃動會導(dǎo)致液體質(zhì)心偏移，使藥箱產(chǎn)生附加力矩Mx。藥箱縱向晃動，藥箱橫向晃動會使液體產(chǎn)生沿x方向的動壓力，使藥箱受到附加的橫向力Fx，同樣會使藥體質(zhì)點偏移導(dǎo)致液箱產(chǎn)生附加的力矩My。在z軸方向，藥箱受液體的重力mg。

同樣，藥箱受到晃動液體對其施加的其他方向的力。包光偉[6]指出藥箱平動只能激發(fā)儲液箱內(nèi)液體二維晃動，即橫向晃動和縱向晃動。噴霧機田間作業(yè)時，對藥箱激勵使液體主要產(chǎn)生橫向和縱向晃動。因此，認為藥箱因液體晃動而受到其他方向的力比較小，因而不做考慮。

2 藥箱藥液晃動橫向力測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 橫向力測量系統(tǒng)主體

由于噴霧機藥箱與行走底盤機架相連，藥箱受到的附加力會傳遞到噴霧機行走底盤。通過上述分析，噴霧機行走底盤受到藥箱作用力。噴霧機安全性是第一位考慮因素，藥箱藥液晃動橫向力會增加噴霧機發(fā)生側(cè)翻機會，同時橫向力會影響噴霧機行駛直線穩(wěn)定性，造成噴霧不均。因此，本測試系統(tǒng)研究目的在于測量作用于噴霧機行走底盤上附加的藥箱藥液晃動橫向力Fy。

本系統(tǒng)主要由橫向力測量傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀、計算機、信號分析軟件及12 V直流電池組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。橫向力傳感器通過應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變大小的變化使測量電路產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，通過測量電壓信號測量相對應(yīng)的橫向力Fy。

圖2 藥箱藥液晃動橫向力測量系統(tǒng)

橫向力測量傳感器應(yīng)變片測量電路和動態(tài)應(yīng)變儀橋盒連接，將藥箱藥液晃動橫向力作用產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電壓信號傳遞給動態(tài)應(yīng)變儀。動態(tài)應(yīng)變儀將應(yīng)變片測量電路中的輸出電壓經(jīng)過放大和低通濾波傳遞給數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)采集儀通過USB接口與計算機相連，數(shù)據(jù)采集儀的采樣頻率、存儲路徑等功能通過信號分析軟件來設(shè)置，信號分析軟件將數(shù)據(jù)采集儀采集的電信號進行分析后存儲于計算機中。噴霧機自帶12 V直流電源給動態(tài)應(yīng)變儀供電。測量系統(tǒng)各部分實物圖如圖3所示。

圖3 橫向力測量系統(tǒng)各部分實物圖

2.2 藥箱藥液晃動橫向力測量力敏元件的設(shè)計

根據(jù)噴霧機藥箱藥液晃動力學(xué)模型，噴霧機除了受藥液晃動橫向力外還受到其他方向的力。為了保證力敏元件既在主測量方向有足夠的靈敏度，還保證其他方向力的加載對力敏元件應(yīng)變片測量電路輸出信號的干擾要足夠小，這就要求力敏元件要有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和布片方式，力敏元件的結(jié)構(gòu)和應(yīng)變片布片方式如圖4所示。

圖4 應(yīng)變片布片方式示意圖

為了使橫向力測量力敏元件對橫向力Fy反應(yīng)的靈敏度大于對縱向力Fx的靈敏度，所設(shè)計力敏元件尺寸d=11δ(δ為應(yīng)變片所安裝板材壁厚)。應(yīng)變片R1和R2布置在主變形體的豎直對稱線上，兩應(yīng)變片上下對稱，距離λ為100 mm。應(yīng)變片R1、R2與大小為120 Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻R連接成應(yīng)變片測量橋路。

當(dāng)R1=R2=R時，應(yīng)變片測量電路輸出電壓為

(1)

當(dāng)ΔRi≤R時

(2)

式中U0—供電電壓，mV；

ΔRi—各電阻變化值，i=1、2；

ki—電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)，i=1、2；

εi—應(yīng)變片的應(yīng)變，i=1、2。

當(dāng)力敏元件受到橫向力Fy時，由于橫向力Fy在R1和R2處的力臂不同，會使R1、R2產(chǎn)生不同大小的應(yīng)變，從而使應(yīng)變片測量橋路輸出相應(yīng)的電壓。當(dāng)力敏元件受到力矩Mx時，由于力矩的傳遞特性，力矩Mx使R1、R2產(chǎn)生相同的應(yīng)變，根據(jù)公式(2)，應(yīng)變片測量橋路輸出電壓為0。同理，當(dāng)力敏元件受到力矩My時，應(yīng)變片測量橋路輸出電壓也為0。當(dāng)力敏元件受到豎直方向重力mg時，認為橋路上應(yīng)變片同時受壓，每個應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻變化相同，則測量橋路輸出電壓依然為0。

研究過程選擇浙江黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的BX120-3AA箔式應(yīng)變片，應(yīng)變片主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 應(yīng)變片主要技術(shù)參數(shù)

2.3 力敏元件的試驗標(biāo)定

為了得到所設(shè)計的傳感器輸出電壓和測量方向橫向力之間的關(guān)系，以及傳感器的線性度、穩(wěn)定性和重復(fù)線靜態(tài)性能，對傳感器進行標(biāo)定試驗，標(biāo)定現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 傳感器標(biāo)定實驗

將傳感器測量橋路與動態(tài)應(yīng)變儀橋盒相連，連接示意圖如圖6所示，橋盒連接于動態(tài)應(yīng)變儀輸入通道，將動態(tài)應(yīng)變儀相應(yīng)的輸出通道通過BNC數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集輸入通道相連，數(shù)據(jù)采集儀通過USB接口連接計算機。動態(tài)應(yīng)變儀接通電源，預(yù)熱30 min，打開數(shù)據(jù)處理軟件，識別采集儀數(shù)據(jù)采集通道，設(shè)置數(shù)據(jù)存儲路徑和數(shù)據(jù)采集儀采樣頻率。動態(tài)應(yīng)變儀選擇合適采樣頻率范圍，靈敏度放大倍數(shù)和校準(zhǔn)值，調(diào)平測量橋路。選擇的采樣頻率為300 Hz，采樣頻率范圍為0～100 Hz，動態(tài)應(yīng)變儀靈敏度放大倍數(shù)為10，校準(zhǔn)值為900uε。

圖6 測量橋路與橋盒連接示意圖

將傳感器安裝在專用標(biāo)定架進行標(biāo)定，標(biāo)定力臂距長度為0.2 m，沿橫向y方向正反方向分別進行加載和卸載進行標(biāo)定，標(biāo)定試驗重復(fù)2次，記錄輸出電壓絕對值見表2。

表2 傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù) 單位：mV

采用最小二乘法對傳感器y方向和-y方向標(biāo)定的實測數(shù)據(jù)進行擬合，繪制的標(biāo)定曲線見圖7。擬合得到輸出電壓的絕對值y(mV)與橫向力x(N)的線性關(guān)系

圖7 藥箱藥液晃動橫向力測量傳感器標(biāo)定曲線

y=0.743x+0.387

(3)

相關(guān)系數(shù)R2=0.995。根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)和擬合方程，該傳感器的線性度為0.915%F·S，重復(fù)性誤差為1.597%F·S，遲滯為0.83%F·S。

3 結(jié)論

分析了藥箱內(nèi)藥液晃動橫向力測量要求，根據(jù)藥液晃動橫向力測量要求，構(gòu)建了橫向力測量系統(tǒng)，設(shè)計了橫向力測量傳感器。并對其進行標(biāo)定，該橫向力測量傳感器線性度為0.915%F·S，重復(fù)性誤差為1.597%F·S，遲滯為0.83%F·S。