高地隙噴桿噴霧機(jī)噴架設(shè)計(jì)及分析

馬 俊，溫浩軍，緱海嘯，劉國春

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院，新疆 石河子 832000；3.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；4.酒泉奧凱種子機(jī)械股份有限公司，甘肅 酒泉 735000)

0 引言

化學(xué)藥劑噴施是農(nóng)作物病蟲草害防治工作的重要手段和措施。目前，隨著科技的進(jìn)步及生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)有施藥器械由于農(nóng)藥利用率、作業(yè)效率較低且勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以滿足大田種植的要求。高地隙噴桿式噴霧機(jī)以玉米、甘蔗等作物為作業(yè)對象，又適合棉花、小麥、大豆等作物，且施藥效率高，對作物損害低，已逐漸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣。目前，國內(nèi)大型噴桿噴霧機(jī)大多通過滑輪、鋼繩、棘輪等組合完成噴架的升降，噴桿折疊多用液壓油缸通過鋼絲繩、繩輪和拉桿等控制兩側(cè)噴桿進(jìn)行折疊與展開操作。由于結(jié)構(gòu)與空間原因，可能導(dǎo)致兩邊噴桿展開折疊不同步，作業(yè)穩(wěn)定性差[1]。

為了解決當(dāng)前噴霧機(jī)噴桿折疊、升降穩(wěn)定性差的問題，設(shè)計(jì)了五段式可折疊大幅寬噴桿桁架，并對高地隙噴桿噴霧機(jī)噴桿升降機(jī)構(gòu)、展開折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。噴桿高度通過平行四邊形升降機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，噴桿折疊展開采用機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓油缸的方式，從而實(shí)現(xiàn)噴桿機(jī)構(gòu)整體上升下降及噴桿展開折疊。為驗(yàn)證噴桿設(shè)計(jì)合理性，用SoildWork軟件建立了三維模型，在Ansys中對噴桿進(jìn)行了應(yīng)力分析，分析噴桿設(shè)計(jì)合理性，并通過試驗(yàn)測試樣機(jī)噴桿展開升降功能。

1 噴桿噴架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)幅寬23m，采用五段分節(jié)式噴架，保證了設(shè)備高作業(yè)效率，噴桿折疊后便于運(yùn)輸。噴桿高度可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為0.5～2.5m。噴桿噴架裝置通過安裝座安裝在車架上，包括中央噴架、平行四邊形升降機(jī)構(gòu)、大展臂噴架及小展臂噴架，如圖1所示。

1.中央噴架 2.平行四邊形升降機(jī) 3.折疊拉桿 4.安裝座 5.大展臂噴架 6.小展臂噴架圖1 噴桿噴架裝置總體示意圖

左噴架與右噴架對稱分布在中央噴架兩端，中央噴架鉸接于升降裝置末端，噴桿折疊展開裝置通過連桿、液壓油缸鉸接于中央噴架兩端，噴頭均布在噴桿下55mm處。

1.2 工作原理

噴霧機(jī)工作時(shí)，為保證噴藥的質(zhì)量，根據(jù)作物的高低，通過升降油缸控制中央噴架與作物距離，使噴桿到達(dá)合適高度，大臂噴桿展開，折疊運(yùn)動(dòng)由液壓缸驅(qū)動(dòng)。大臂噴桿展開通過折疊油缸的伸縮帶動(dòng)連接板、大展臂噴架轉(zhuǎn)動(dòng)90°展開，完成大臂展開動(dòng)作；小臂噴桿展開通過折疊油缸伸縮帶動(dòng)連桿、拉桿，連桿拉桿與大展臂噴架、小展臂噴架相鉸接，使小展臂做180°圓周運(yùn)動(dòng)，完成小展臂展開折疊運(yùn)動(dòng)。

2 噴桿關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及分析

2.1 噴桿升降機(jī)構(gòu)

2.1.1 噴桿升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

為了使噴霧機(jī)適應(yīng)不同高度的作物、提高施藥效率,設(shè)計(jì)了噴桿升降機(jī)構(gòu)。該裝置采用平行四邊形升降機(jī)構(gòu)，由上連桿、下連桿、升降液壓缸、安裝座及中央噴架組成，如圖2所示。上連桿與下連桿長度相等且平行，上連桿與下連桿一端鉸接在中央噴架，另一端鉸接在安裝座上，中央噴架的鉸接點(diǎn)與安裝座的鉸接位置相對相同，從而構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)。通過驅(qū)動(dòng)液壓油缸的行程控制中央噴架的高度，使噴桿到達(dá)合適高度。

1.中央噴架 2.上連桿 3.升降油缸 4.下連桿 5.安裝座圖2 平行四邊形升降機(jī)構(gòu)示意圖

2.1.2 平行四邊形升降機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)

平行四邊形升降機(jī)構(gòu)連桿旋轉(zhuǎn)角影響噴桿升降性能，因此對升降機(jī)構(gòu)連桿旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行計(jì)算。為了便于分析，將平行四邊形升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，如圖3所示。假設(shè)連桿的初始狀態(tài)為AC、BD，噴桿高度調(diào)節(jié)范圍要求：極限高度范500～2 500mm，中央噴架高度為756mm；平行四桿機(jī)構(gòu)與地面平行時(shí)的高度為1 200mm，上升高度h1為700mm，下降高度h2為1 300mm；連桿長度1 500mm。計(jì)算得：上升旋轉(zhuǎn)角為60°，下降旋轉(zhuǎn)角為28°，連桿旋轉(zhuǎn)角范圍為32°～53°。

圖3中：C1D1為平行四桿機(jī)構(gòu)達(dá)到的最高極限位置；C2D2為平行四桿機(jī)構(gòu)到達(dá)最低極限位置；α1為上升旋轉(zhuǎn)角(°)；α2為下降旋轉(zhuǎn)角(°)；h1為平行四桿機(jī)構(gòu)上升高度(mm)；h2為平行四桿機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)下降高度(mm)。

上升旋轉(zhuǎn)角

α1=arcsin(h1/1500)

(1)

下降旋轉(zhuǎn)角

α2=arcsin(h2/1500)

(2)

圖3 升降裝置運(yùn)動(dòng)簡圖

2.1.3 升降油缸安裝位置設(shè)計(jì)

根據(jù)所求上升、下降旋轉(zhuǎn)角，通過中央噴架的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)出升降油缸安裝位置。根據(jù)連桿運(yùn)動(dòng)角度(見圖4)，當(dāng)升降機(jī)構(gòu)到達(dá)上極限位置M時(shí)，活塞桿鉸接于A點(diǎn)，下降到極限位置T點(diǎn)時(shí)，活塞桿鉸接于B點(diǎn)。以A、B為圓心油缸伸長量為半徑畫弧得到a1a2、a3a4、b1b2、b3b4。圓弧分別相較于C1、C2點(diǎn)，C1點(diǎn)符合設(shè)計(jì)要求，取C1點(diǎn)為升降油缸安裝點(diǎn)。

圖4 升降裝置設(shè)計(jì)簡圖

2.2 噴架折疊展開機(jī)構(gòu)

2.2.1 大臂噴桿折疊展開機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)包括大展臂噴架、中央噴架、調(diào)平油缸、連桿、連接板、90°折疊油缸及安裝座，如圖5 所示。其中，90°折疊油缸一端通過安裝座鉸接于中央噴架，另一端伸縮臂鉸接于連接板，連接板焊接于大展臂噴架上。大臂噴桿的展開、折疊運(yùn)動(dòng)通過90°折疊油缸驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)通過90°折疊油缸伸縮帶動(dòng)連接板、大展臂噴架轉(zhuǎn)動(dòng)展開，完成展開動(dòng)作。連接板通過銷軸固定在中央噴架的末端，用以防止噴桿展開過位。為了保證噴桿在折疊展開時(shí)噴桿架相對地面平衡，將調(diào)平油缸通過連桿鉸接在大展臂噴架、中央噴架末端。

1.大展臂噴架 2.連桿 3.調(diào)平油缸 4.90°折疊油缸 5.中央噴架

2.2.2 小臂噴桿折疊展開機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)包括小展臂噴桿、拉桿、連桿、耳板、180°折疊油缸、小臂安裝座及銷軸，如圖6所示。

1.小展臂噴桿 2.拉桿 3.耳板 4.連桿 5.180°折疊油缸 6.銷軸 7.安裝座 8.大臂噴桿圖6 小臂噴桿折疊機(jī)構(gòu)

其中，180°折疊油缸缸筒與大臂安裝座鉸接，大臂安裝座焊接在大臂噴架頂端。180°折疊油缸活塞桿與連桿、拉桿頂端鉸接，連桿底端與大臂噴桿末端安裝座鉸接，拉桿底端與小臂噴架安裝座鉸接，大展臂噴桿耳板與小展臂噴桿銷接。工作時(shí)，180°折疊油缸伸縮帶動(dòng)連桿、拉桿，連桿拉桿與大展臂噴架、小展臂噴架相鉸接，從而使小展臂做180°圓周運(yùn)動(dòng)，完成小展臂展開折疊運(yùn)動(dòng)。

2.2.3 小臂噴桿折疊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為了便于分析，將小臂折疊機(jī)構(gòu)展開狀態(tài)進(jìn)行簡化，如圖7所示。

圖7 小臂折疊機(jī)構(gòu)簡化模型

其中，BE為180°折疊油缸，連桿簡化為BD，長度L3為293mm；拉桿簡化為BC，長度L2為231mm；連桿、拉桿安裝座鉸接點(diǎn)間簡化為AD，長度L4為341mm；拉桿鉸接安裝座鉸接點(diǎn)與耳板鉸接點(diǎn)間簡化為AC，長度L1為248mm。α為95°，θ3為42°。用矩陣法對連桿、拉桿鉸接點(diǎn)B進(jìn)行分析，得到位置方程。根據(jù)位置方程得：β=71°，θ2=109°，θ1=126°。

(3)

對時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)，得到B點(diǎn)速度方程，油缸運(yùn)動(dòng)速度ω3=0.03m/s。根據(jù)速度矩陣得到ω1=0.03m/s，ω2=0.24m/s。

(4)

(5)

再次對時(shí)間求導(dǎo)得到桿L2、L3桿加速度矩陣，求得α2=0.01m/s2，α1=0.05m/s2。

(6)

3 噴桿有限元建模及應(yīng)力分析

3.1 噴桿有限元模型建立

采用有限元方法對噴桿工作狀態(tài)進(jìn)行分析。噴桿為左右對稱結(jié)構(gòu)，因此只對右側(cè)噴桿進(jìn)行分析。右側(cè)噴桿由大臂、小臂組成，總長9.5m，大臂長5.5m。噴桿機(jī)構(gòu)的幾何模型在SoildWorks三維設(shè)計(jì)軟件中建立。

3.2 有限元模型材料參數(shù)設(shè)定及網(wǎng)絡(luò)劃分

將噴桿三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench中，并定義材料屬性。噴桿材料采用Q235鋼，質(zhì)量密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服極限為235MPa。在Workbench模塊對噴桿進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。有限元?jiǎng)澐衷貫?6 426，節(jié)點(diǎn)數(shù)為34 434。

3.3 施加約束與載荷

噴霧機(jī)工作時(shí)，大臂噴桿一端與中央噴架連接，一端與小臂噴桿連接。將大臂左端固定，小臂噴桿質(zhì)量為149kg，在大臂噴桿施加1 490N的力，并考慮噴桿自身重力。

通過圖8應(yīng)力云圖得到大臂噴桿應(yīng)力最大值為152.7MPa，噴桿與中央噴架連接端所受應(yīng)力最大，距離噴桿固定端越遠(yuǎn)應(yīng)力越小。材料屈服強(qiáng)度為235MPa，最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖9位移云圖可以看出：噴桿最大位移發(fā)生在噴桿的末端。由于大臂噴桿末端要承受小臂噴桿的重力，所以末端形變量最大，最大變形量為4.6mm。由圖10可知：最小安全系數(shù)為1.63。由Ansys軟件運(yùn)行計(jì)算結(jié)果可以看出：大臂噴桿應(yīng)力和變形均小于最大許可值，安全系數(shù)大于1.0，穩(wěn)定性良好，噴桿力學(xué)性能滿足要求。

圖8 應(yīng)力云圖

圖9 位移云圖

圖10 安全系數(shù)

4 場地試驗(yàn)

在酒泉市肅州區(qū)南郊工業(yè)園區(qū)種子育種產(chǎn)業(yè)農(nóng)藝技術(shù)和種業(yè)裝備科技研發(fā)試驗(yàn)基地進(jìn)行了樣機(jī)制作，并對樣機(jī)噴桿展開折疊及噴架升降情況進(jìn)行了檢測。試驗(yàn)位于試驗(yàn)基地10m×800m的場地試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)時(shí)，打開液壓控制閥開關(guān)，將噴桿高度調(diào)節(jié)離地0.5m處，控制開關(guān)將噴桿提升距地面2.5m處，記錄時(shí)間；調(diào)節(jié)開關(guān)將噴桿降低到0.5m處，記錄時(shí)間；打開噴桿折疊控制開關(guān)及升降開關(guān)，將噴桿提升至2.5m，并將噴桿架兩側(cè)的展臂展開，并記錄時(shí)間；將噴桿降至離地面0.5m處，并將展臂折疊收回，通過米尺測噴桿每段離地距離，并記錄時(shí)間。在試驗(yàn)過程中觀察展臂折疊與展開是否平穩(wěn)。表1為樣機(jī)測試技術(shù)參數(shù)。將噴桿展開調(diào)至離地面2.5m處，噴霧機(jī)以29km/h速度行駛500m，到終點(diǎn)檢查噴桿的情況。

表1 樣機(jī)測試技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)表明：噴桿高度由0.5m提升至2.5m處需要12.4s；噴桿由2.5m下降至0.5m處需要12.2s；噴桿從0.5m到2.5m處展開需要23s，測得噴桿完全展開總長為23m；噴桿由2.5m到0.5m處折疊收回需要16s，且5段噴桿離地距離一致。

測驗(yàn)表明：噴桿高度調(diào)節(jié)范圍為0.5～2.5m，噴桿架升降過程連貫平穩(wěn)且始終與地面平行；展臂展開和折疊過程平滑同步，展開折疊效率高；噴霧機(jī)在行駛中噴桿未發(fā)生變形失效，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對噴桿進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。對噴桿大臂展開機(jī)構(gòu)、噴桿小臂展開機(jī)構(gòu)、噴桿升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論計(jì)算，并在Soild-Work軟件環(huán)境中建立三維模型，通過Ansys軟件對大臂噴桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到噴桿作業(yè)時(shí)最大應(yīng)力為152.7MPa，最大形變?yōu)?.6mm，最小安全系數(shù)為1.63，表明噴桿強(qiáng)度滿足工作要求。

2)場地試驗(yàn)表明，噴架滿足設(shè)計(jì)要求。