大型噴桿懸架系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法研究

崔龍飛，薛新宇，樂飛翔，丁素明

大型噴桿懸架系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法研究

崔龍飛，薛新宇※，樂飛翔，丁素明

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

目前噴桿懸架系統(tǒng)的性能田間測(cè)試受到測(cè)試地形、土壤屬性、駕駛熟練度等隨機(jī)因素的影響，需要有一種定量評(píng)估噴桿懸架性能的試驗(yàn)裝置與方法。該文開發(fā)了一套噴桿懸架性能室內(nèi)測(cè)試平臺(tái)，包括一個(gè)多自由度底盤運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)、地形起伏模擬平臺(tái)及基于NI PXI的同步觸發(fā)測(cè)控系統(tǒng)。為準(zhǔn)確模擬實(shí)際的工作環(huán)境，在噴霧機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集了底盤的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信號(hào)和噴桿兩側(cè)地形高程數(shù)據(jù)，并在室內(nèi)進(jìn)行精確復(fù)現(xiàn)?？紤]測(cè)試時(shí)傳感器安裝位置和不同噴桿理想作業(yè)高度的差異，對(duì)傳統(tǒng)的Hockley指數(shù)進(jìn)行了修正，并使用標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、修正的Hockley指數(shù)等3種指標(biāo)一起來(lái)描述噴桿懸架系統(tǒng)的性能，彌補(bǔ)了各自的局限性。通過噴桿懸架測(cè)試平臺(tái)先后對(duì)28 m噴桿在無(wú)懸架、被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架等不同工況下進(jìn)行了測(cè)試，多組重復(fù)測(cè)試結(jié)果的變異系數(shù)小于5.91%，無(wú)懸架時(shí)噴桿的Hockley指數(shù)為21.60，使用被動(dòng)懸架時(shí)噴桿的Hockley指數(shù)為68.37，使用主動(dòng)傾角控制系統(tǒng)時(shí)噴桿的Hockley指數(shù)為89.18，使用主動(dòng)噴臂控制系統(tǒng)時(shí)的Hockley指數(shù)為92.83，表明測(cè)試平臺(tái)與評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同懸架系統(tǒng)有較好的區(qū)分度和適用性。該文設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)可為噴桿懸架性能參數(shù)的限定和評(píng)價(jià)方法的完善提供參考。

機(jī)械化；噴霧；設(shè)計(jì)；噴桿噴霧機(jī)；被動(dòng)懸架；主動(dòng)懸架；測(cè)試平臺(tái)；評(píng)價(jià)方法

0 引 言

世界人口不斷增長(zhǎng)，用于耕作的土地不斷減少，但全球?qū)Z食的需求還在不斷增加[1]。使用噴桿噴霧機(jī)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行病蟲草害的防治，是增加作物的產(chǎn)量的重要途徑之一[2]。隨著噴桿噴霧機(jī)向大型化發(fā)展，大量的研究指出噴桿滾轉(zhuǎn)、橫擺等有害運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致霧滴的沉積分布不均，致使重噴和漏噴現(xiàn)象發(fā)生[3-6]。近年來(lái)，噴桿懸架系統(tǒng)的理論研究和應(yīng)用研究越來(lái)越多[7-11]，幅寬12 m以上噴桿都開始配備減振懸架系統(tǒng)，使噴嘴與靶標(biāo)之間保持恒定的距離[12-13]。懸架系統(tǒng)的性能將會(huì)成為噴霧機(jī)整機(jī)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，因此需要可靠的測(cè)試平臺(tái)和評(píng)價(jià)方法，在規(guī)定的條件下獲得的可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果[14-16]。

目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14131: 2005和國(guó)標(biāo)GB/T 24680- 2009中噴霧機(jī)噴桿穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，都明確規(guī)定了噴桿穩(wěn)定性的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法[17-18]。該標(biāo)準(zhǔn)適用于噴桿穩(wěn)定性和噴桿被動(dòng)懸架性能的評(píng)價(jià)，但對(duì)于具有地形跟蹤能力的主動(dòng)懸架，無(wú)法單獨(dú)使用相對(duì)平衡位置的運(yùn)動(dòng)量來(lái)評(píng)價(jià)，這類主動(dòng)控制系統(tǒng)通常采用對(duì)目標(biāo)信號(hào)的跟蹤誤差及其統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在噴桿懸架性能的田間試驗(yàn)方面，德國(guó)農(nóng)業(yè)協(xié)會(huì)通過在場(chǎng)地上布置障礙物開展噴桿懸架性能演示，只能進(jìn)行可視化的評(píng)估[14]。崔龍飛等[19]通過在噴桿末梢安裝超聲波測(cè)距傳感器和加速度傳感器，測(cè)量在田間測(cè)量了噴桿的運(yùn)動(dòng)及霧滴沉積分布。Jeon等[20]設(shè)計(jì)了一套噴桿振動(dòng)測(cè)試裝置，在田間進(jìn)行了噴桿振動(dòng)測(cè)試，將噴桿動(dòng)態(tài)響應(yīng)與噴霧沉積分布進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)果可以用于指導(dǎo)噴桿懸架的設(shè)計(jì)。然而噴桿懸架性能的田間測(cè)試受到很多不確定因素的影響，如測(cè)試地形、駕駛員熟練程度等在測(cè)試過程中難以精確量化；跑道試驗(yàn)利用凹凸不平的跑道使噴霧機(jī)產(chǎn)生顛簸，以再現(xiàn)的方式模擬田間工況，但對(duì)主動(dòng)懸架還需在跑道兩側(cè)布置地形起伏等場(chǎng)景變化，以驗(yàn)證噴桿地形跟蹤能力。由于大型噴桿的幅寬較大，增加了試驗(yàn)場(chǎng)地的設(shè)計(jì)難度[21]。因此，本文根據(jù)國(guó)標(biāo)中室內(nèi)模擬試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了一種噴霧機(jī)作業(yè)工況室內(nèi)模擬與測(cè)試平臺(tái)，以再現(xiàn)的方式研究規(guī)定條件下噴桿的運(yùn)動(dòng)。

在噴桿室內(nèi)模擬試驗(yàn)方面，模擬試驗(yàn)按照統(tǒng)一的條件進(jìn)行重復(fù)與對(duì)比。Hostens等[22]研制了首個(gè)用于噴霧機(jī)底盤振動(dòng)研究的六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，負(fù)載質(zhì)量500 kg，可以實(shí)現(xiàn)幅值1 Hz（幅值100 mm）到10 Hz（幅值1 mm）的運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn)。德國(guó)聯(lián)邦農(nóng)業(yè)和林業(yè)生物研究中心建立了六自由度的液壓振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，用于研究田間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下噴桿的噴霧分布均勻性[23]。Deprez等[24]綜合了六自由度振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)掃頻測(cè)試和解析模型的優(yōu)勢(shì)，對(duì)噴桿纜繩懸架進(jìn)行了混合建模。Herbst等[25]設(shè)計(jì)了一種升降平臺(tái)模擬噴桿下方地形起伏變化，對(duì)噴桿高度控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試，但忽略底盤晃動(dòng)對(duì)噴桿穩(wěn)定性的影響。Tahmasebi等[26-28]設(shè)計(jì)了一種伺服電機(jī)直驅(qū)的噴桿平衡系統(tǒng)及測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，僅能提供噴霧機(jī)底盤的擾動(dòng)輸入。由于噴霧機(jī)底盤晃動(dòng)、地形起伏是影響懸架控制系統(tǒng)性能的2個(gè)重要因素，現(xiàn)有研究都未能同時(shí)予以考慮。

為了將噴桿受到的底盤晃動(dòng)和地形起伏變化2種擾動(dòng)同時(shí)在室內(nèi)復(fù)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)了一種噴桿懸架系統(tǒng)性室內(nèi)測(cè)試平臺(tái)，通過大型噴桿六自由度動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)、地形起伏模擬平臺(tái)及NI PXI測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了噴桿田間作業(yè)模擬、運(yùn)動(dòng)測(cè)試和性能評(píng)價(jià)等。借助該平臺(tái)對(duì)被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架和無(wú)懸架分別作用下噴桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試。考慮噴桿運(yùn)動(dòng)與施藥質(zhì)量的影響，根據(jù)噴桿的幅寬和作業(yè)高度，對(duì)傳統(tǒng)Hockley指數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了修正，使用修正的Hockley指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)一起定量的評(píng)價(jià)不同噴桿懸架系統(tǒng)的性能。

1 噴桿懸架常見類型和工作原理

根據(jù)是否有執(zhí)行器提供動(dòng)力，噴桿懸架總體可以分為：被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架2種。無(wú)懸架連接是指噴桿直接固定于底盤車架上，噴桿隨著底盤一起運(yùn)動(dòng)。被動(dòng)懸架通常由彈簧、阻尼和連桿機(jī)構(gòu)等組成，使噴桿隔離高頻激勵(lì)，但傳遞了低頻振動(dòng)。對(duì)于噴桿被動(dòng)懸架系統(tǒng)，主要擾動(dòng)輸入主要是車體晃動(dòng)。

主動(dòng)懸架系統(tǒng)通常又包括主動(dòng)傾角系統(tǒng)和主動(dòng)噴臂系統(tǒng)2類[29]，主動(dòng)傾角控制系統(tǒng)通過液壓缸實(shí)現(xiàn)噴桿整體傾斜角的調(diào)整，主動(dòng)噴臂系統(tǒng)則通過2個(gè)液壓缸單獨(dú)控制左、右噴臂實(shí)現(xiàn)傾角的調(diào)節(jié)，都是依靠外力使噴桿和地面保持平行。接近距離傳感器時(shí)刻監(jiān)視噴桿距離地面的高度。通過濾除噪聲及控制器計(jì)算處理，給執(zhí)行器提供適當(dāng)?shù)闹噶钚盘?hào)，控制油缸驅(qū)動(dòng)噴桿的運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)控制器的響應(yīng)主要是依據(jù)田間地形變化，超聲波傳感器（或傾角傳感器）測(cè)得噴臂離地高度（或噴桿角度）后反饋給控制器，控制器發(fā)送指令信號(hào)，液壓執(zhí)行器動(dòng)作驅(qū)動(dòng)噴桿角度（或噴臂的高度）調(diào)整。主動(dòng)懸架可以減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，尤其是高速作業(yè)時(shí)[29]。

噴桿作業(yè)過程中受到的田間隨機(jī)擾動(dòng)主要有2種，一種是噴霧機(jī)行駛過程中底盤的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即當(dāng)行駛過不平整的土壤地面、或胎壓不一致時(shí)，底盤的側(cè)傾角不斷變化，導(dǎo)致噴桿控制器的性能降低[30]。另一種是大范圍的地形起伏造成噴臂兩端的高度差變化，噴臂下方的地形發(fā)生了顯著的變化，這種情況主要出現(xiàn)在丘陵山地，需要主動(dòng)懸架調(diào)整噴桿的角度。

2 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了客觀的測(cè)量和評(píng)價(jià)噴桿主動(dòng)懸架系統(tǒng)的性能，噴桿受到的底盤晃動(dòng)和噴臂下方地形坡度變化都應(yīng)能夠準(zhǔn)確的在室內(nèi)復(fù)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的地形起伏模擬平臺(tái)用于模擬噴臂下方的地形起伏變化，開發(fā)了大型噴桿六自由度動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)用于模擬噴霧機(jī)田間行駛過程中底盤的運(yùn)動(dòng)，搭建了基于PXI總線的測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地形起伏模擬平臺(tái)、六自由度動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)的同步觸控以及數(shù)據(jù)采樣。為了準(zhǔn)確的模擬實(shí)際工作環(huán)境，在多個(gè)地區(qū)噴霧機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集底盤和噴桿的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了激勵(lì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.1 噴霧機(jī)底盤運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)

噴霧機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，底盤具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，而基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有剛度大、載荷自重比高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)。根據(jù)噴桿噴霧機(jī)田間運(yùn)動(dòng)工況實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜特征，與北京星光凱明動(dòng)感仿真模擬器中心合作開發(fā)了大型噴桿六自由度動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)（型號(hào)6-SDOF），具有噴桿動(dòng)態(tài)模擬專用的田間激勵(lì)譜復(fù)現(xiàn)功能和激勵(lì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)拓展功能。

六自由度動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)主要由6條驅(qū)動(dòng)腿、動(dòng)平臺(tái)、基座組成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)腿包含伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、滾轉(zhuǎn)絲杠等元件，其中交流伺服電機(jī)選用意大利PHASE公司U310F型永磁同步無(wú)刷伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定功率27 kW，轉(zhuǎn)矩86 N·m；伺服驅(qū)動(dòng)器選用PHASE AXMⅡ35型；位置傳感器選用海德漢ECN 413型絕對(duì)值編碼器，精度：1024線/轉(zhuǎn)；電動(dòng)缸選用THK公司HBN型的滾珠絲杠，絲杠直徑40 mm，缸筒外徑150 mm，缸內(nèi)桿直徑80 mm，絲杠導(dǎo)程10 mm，有效行程550 mm，傳動(dòng)效率90%。由電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和導(dǎo)程可計(jì)算出電動(dòng)缸額度速度0.5 m/s，額定推力43.74 kN，峰值推力56.86 kN（按照電機(jī)額定扭矩的1.3倍計(jì)算）。

控制系統(tǒng)采用分布式控制方式，控制系統(tǒng)主要硬件由主控計(jì)算機(jī)（SIMATIC IPC847E，西門子）、測(cè)試計(jì)算機(jī)（IPC610H，研華）、輸入輸出板卡（PCI1750U，研華）、伺服電機(jī)、傳感器、繼電器等組成。測(cè)試計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，主控計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)、運(yùn)動(dòng)解算、實(shí)時(shí)控制等功能。為了方便測(cè)試時(shí)噴桿的安裝，避免噴臂觸碰地面，上平臺(tái)的安裝平面半徑大于2 m，平臺(tái)的中位高度2.65 m，滿足大多數(shù)的噴桿性能測(cè)試要求。

動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)建成的主要性能指標(biāo)：試件的最大質(zhì)量2 000 kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量4.5×105kg·m2，工作頻寬0.01～35 Hz，縱向、側(cè)向、垂向3個(gè)方向平動(dòng)范圍±0.36 m，平動(dòng)加速度范圍±9.8 m/s2，滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±10°，角加速度范圍±180°/s2。

2.2 地形起伏模擬平臺(tái)設(shè)計(jì)

噴桿主動(dòng)懸架的控制系統(tǒng)多數(shù)使用超聲波傳感器作為距離探測(cè)元件，通常安裝在噴桿的左右噴臂上。為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的精度，設(shè)計(jì)了地形起伏模擬試驗(yàn)臺(tái)，其控制原理如圖1所示。實(shí)物如圖2所示，在豎直方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的反射面板模擬地形的起伏變化，地形起伏模擬試驗(yàn)臺(tái)的硬件由NI PXI控制計(jì)算機(jī)、DSP控制器、永磁同步電機(jī)（AKM33，Kollmorgen）、驅(qū)動(dòng)器（AKD-B00606，Kollmorgen）、超聲波反射板、絲杠滑塊及2個(gè)激光測(cè)距傳感器（LTF12UC2LDQ，Banner）等組成。為了實(shí)現(xiàn)地形起伏模擬平臺(tái)位置跟蹤功能，地形起伏模擬試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)控制技術(shù)，以NI PXI控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，由NI PXIe 1078機(jī)箱、PXIe 8840控制器、PXIe 6358多功能I/O板卡等硬件組成，選擇圖形化編程工具LabVIEW進(jìn)行人機(jī)界面軟件開發(fā)，用于讀取事先采集的地形高程數(shù)據(jù)文件，然后通過串口發(fā)送給下位機(jī)DSP控制器。

圖1 地形起伏模擬平臺(tái)控制原理

1.地形起伏模擬平臺(tái) 2.六自由度平臺(tái)控制臺(tái) 3.激光測(cè)距傳感器 4.超聲波傳感器 5.主動(dòng)懸架控制器 6.NI PXI測(cè)控平臺(tái) 7.六自由度平臺(tái) 8.噴桿鐘擺式主動(dòng)懸架

下位機(jī)采用DSP處理器（TMS320F 28335，Texas Instruments）作為主控芯片，主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的位置指令，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)反射板的軌跡跟蹤。硬件電路包括通信系統(tǒng)，數(shù)模變換及放大電路和位置檢測(cè)電路。交流伺服電機(jī)位置伺服系統(tǒng)采用采用基于id=0矢量控制[31]，電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖1中所示。激光測(cè)距傳感器檢測(cè)反射板的位置作為位置環(huán)的反饋信號(hào)；絕對(duì)值編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為速度環(huán)的反饋，電流傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的電流作為電流控制器的反饋，控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)響應(yīng)速度。反射板的行程為±500 mm，最大位置跟蹤誤差6.83 mm。

搭建的大型噴桿懸架性能測(cè)試平臺(tái)總體如圖2所示，測(cè)試時(shí)地形模擬平臺(tái)的超聲波反射板必須處于噴桿上超聲波傳感器的正下方，然后將其升至距離噴桿600 mm的位置，啟動(dòng)地形高度模擬平臺(tái)和六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，當(dāng)噴桿主動(dòng)控制系統(tǒng)中的超聲波傳感器檢測(cè)到反射板高度變化以后，控制執(zhí)行器調(diào)整噴桿的姿態(tài)。

試驗(yàn)過程中，為了記錄噴桿測(cè)點(diǎn)到反射板的距離，另外使用2個(gè)激光傳感器安裝在噴桿兩側(cè)，貼近噴桿上原有超聲波距離傳感器安裝，記錄試驗(yàn)過程中噴桿測(cè)點(diǎn)相對(duì)反射板的位置，使用動(dòng)態(tài)傾角傳感器（IG-500N，SBG）安裝在噴桿中心位置，用于監(jiān)測(cè)噴桿的水平傾角。激光傳感器和角度傳感器輸出均為模擬電壓信號(hào)，采用PXI測(cè)控計(jì)算機(jī)的 PXIe 6358卡進(jìn)行采集。通過對(duì)記錄數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，完成對(duì)噴桿懸架系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)。

另一個(gè)值得注意的問題是六自由度運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)、地形起伏模擬平臺(tái)、激光傳感器數(shù)據(jù)采集如何同時(shí)觸發(fā)。測(cè)試平臺(tái)控制流程如圖3所示，NI PXI測(cè)控平臺(tái)事先讀入地面高程數(shù)據(jù)，六自由度動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)讀入底盤運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)操作人員通過人機(jī)界面點(diǎn)擊啟動(dòng)，則PXI系統(tǒng)通過PXIe 6358卡中的數(shù)字量輸出通道觸發(fā)六自由度運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)、地形起伏模擬平臺(tái)、被測(cè)噴桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)采集程序同步啟動(dòng)或停止。

圖3 噴桿懸架性能測(cè)試平臺(tái)控制流程

3 測(cè)試信號(hào)采集

3.1 底盤運(yùn)動(dòng)測(cè)量

影響噴桿穩(wěn)定性的主要因素之一是噴霧機(jī)行走過程中底盤持續(xù)不斷的晃動(dòng)干擾，因此需要采集噴桿安裝位置附近的噴霧機(jī)車架運(yùn)動(dòng)信號(hào)，已經(jīng)在新疆建設(shè)兵團(tuán)、甘肅酒泉奧凱種子機(jī)械股份有限公司試驗(yàn)基地、江蘇省宿遷市泗洪農(nóng)場(chǎng)、江蘇省吳江現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)、江蘇建湖縣國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)以及南京周邊縣區(qū)等不同地域，采集了多種噴桿噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)譜數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號(hào)平滑和濾波等預(yù)處理，編入田間激勵(lì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)，用于噴桿性能的測(cè)試。值得注意的是，數(shù)據(jù)庫(kù)中的激勵(lì)譜都是在被測(cè)噴桿噴霧機(jī)經(jīng)常作業(yè)地區(qū)進(jìn)行采集，能夠真實(shí)代表此類噴霧機(jī)實(shí)際工作中的噴桿運(yùn)動(dòng)特性。對(duì)于不同的測(cè)試噴桿，首先根據(jù)作業(yè)地區(qū)和機(jī)型從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇激勵(lì)譜，如果數(shù)據(jù)庫(kù)中缺少，應(yīng)到被測(cè)噴桿噴霧機(jī)實(shí)際作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行室內(nèi)復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，以確保室內(nèi)測(cè)試的噴桿動(dòng)態(tài)特性與噴桿田間實(shí)際作業(yè)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性一致。

由于本文被測(cè)對(duì)象為28 m大型噴桿，該機(jī)型在中國(guó)東北地區(qū)和西北地區(qū)使用較為普遍，經(jīng)調(diào)研黑龍江省嫩江縣九三局榮軍農(nóng)場(chǎng)周邊山坡地形較多，便于進(jìn)行噴桿懸架仿形能力的測(cè)試，且對(duì)不同懸架系統(tǒng)具有較好的區(qū)分度，因此選擇在該地區(qū)對(duì)作業(yè)的大型自走式噴霧機(jī)（MAF5240，MAZZOTTI）開展底盤運(yùn)動(dòng)譜采集。試驗(yàn)條件：噴桿處于展開狀態(tài)，距離地面1.1 m；噴霧機(jī)行駛速度8 km/h；輪胎型號(hào)380/90R54，胎壓110 kPa；底盤輪距為2.27 m；試驗(yàn)時(shí)間2016年11月，試驗(yàn)田是免耕播種后的冬小麥田。噴霧機(jī)行駛過程中使用雙GPS輔助慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（Ellipse-D- G4A2B1，SBG System）進(jìn)行噴霧機(jī)底盤運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集。由于本次測(cè)試噴霧機(jī)激勵(lì)譜使用的噴桿與臺(tái)架測(cè)試用的28 m噴桿，它們的底盤結(jié)構(gòu)、懸架形式、藥箱容量均一致，因此測(cè)量的激勵(lì)譜可用于被測(cè)噴桿室內(nèi)復(fù)現(xiàn)研究。

通常直接采集到的噴霧機(jī)運(yùn)動(dòng)信號(hào)往往疊加有發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、地形粗糙紋理引起的高頻噪聲信號(hào)，為了削弱噪聲信號(hào)的影響，首先對(duì)實(shí)測(cè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)采用五點(diǎn)三次平滑法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，然后使用巴特沃斯濾波器進(jìn)行低通濾波處理，截止頻率10 Hz，處理后的底盤滾轉(zhuǎn)角信號(hào)如圖4a所示，數(shù)值積分法得到底盤垂向位移信號(hào)如圖4b所示，輸入六自由度平臺(tái)的控制計(jì)算機(jī)，使動(dòng)平臺(tái)按此軌跡復(fù)現(xiàn)底盤田間運(yùn)動(dòng)。

圖4 噴霧機(jī)底盤姿態(tài)變化時(shí)間歷程曲線

3.2 地形起伏輪廓信號(hào)

為了測(cè)得左右噴臂下方的地形輪廓信號(hào)，使用2個(gè)超聲波傳感器（Wms-340/RT，Microsonic）安裝在噴桿的兩側(cè)，測(cè)得噴桿對(duì)地高度時(shí)間歷程曲線，然后根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得的噴霧機(jī)行駛速度，換算為空間歷程曲線，為了去除地表雜草、粗糙紋理引起的噪聲信號(hào)，用巴特沃斯低通濾波器（截止頻率10 Hz）進(jìn)行濾波處理，減去噴桿初始位置高度，得到行駛方向地形縱斷面的高程曲線如圖5所示，將該信號(hào)作為地形起伏模擬平臺(tái)的目標(biāo)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)反射板按照目標(biāo)曲線進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖5 噴桿下方地面縱斷面高程變化量

4 噴桿運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

噴桿懸架性能可以通過測(cè)量噴霧機(jī)作業(yè)過程中噴桿末端運(yùn)動(dòng)位移的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)來(lái)衡量，然而這些統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)均沒有考慮噴桿運(yùn)動(dòng)與霧滴分布均勻性的關(guān)系。Griffith等[32]提出一種基于Hockley指數(shù)的度量指標(biāo)，它是以不同區(qū)間內(nèi)噴桿高度的時(shí)間百分比進(jìn)行加權(quán)平均得到的。不同類型的噴桿，幅寬不同、噴嘴間距也不同，對(duì)不同的作物施藥時(shí)的理想作業(yè)高度s不盡相同，Hockley指數(shù)并不能對(duì)所有噴桿進(jìn)行一致的評(píng)價(jià)。參考Herbst等[14]對(duì)噴桿運(yùn)動(dòng)與噴霧均勻性的評(píng)價(jià)方法，由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣間隔是一致，對(duì)原Hockley指數(shù)[32]進(jìn)行修正可得

式中10表示噴桿處于設(shè)定高度s的±10%范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)高度數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)占總采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的比例；30表示噴桿處于設(shè)定高度s的-30%～-10%和10%～30%范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)高度數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)所占的比例；50表示噴桿處于設(shè)定高度s的-50%～-30%和30%～50%范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)高度數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)所占的比例；100表示噴桿處于設(shè)定的理想作業(yè)高度s（m）的±50%范圍以外的實(shí)測(cè)高度數(shù)據(jù)所占的比例。

式中U為傳感器距離噴桿中心的水平距離，m；B為噴桿的總長(zhǎng)度，m；為測(cè)點(diǎn)距離反射板的實(shí)測(cè)距離，m。

為了定量分析不同懸架（無(wú)懸架、被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架）作用下噴桿的穩(wěn)定性，使用HIC和標(biāo)準(zhǔn)差SD、變異系數(shù)CV一起作為評(píng)價(jià)噴桿運(yùn)動(dòng)的度量。標(biāo)準(zhǔn)差SD、變異系數(shù)CV的計(jì)算公式為

5 測(cè)試與評(píng)價(jià)

5.1 被測(cè)懸架簡(jiǎn)介

為證明本文搭建的大型噴桿懸架性能測(cè)試平臺(tái)的適用性，以28 m大型噴桿鐘擺式主動(dòng)懸架及其控制器（NJS -ABC05，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制）為測(cè)試對(duì)象[33]。試驗(yàn)用的噴桿鐘擺式懸架結(jié)構(gòu)如圖6所示，支撐架1承擔(dān)噴桿系統(tǒng)的重力，鐘擺機(jī)構(gòu)通過吊環(huán)與支架在點(diǎn)鉸接，鐘擺式懸架機(jī)構(gòu)則由擺桿2、液壓缸3、浮動(dòng)中心架4、橫向減振器5、垂向減振器6、托架7等組成。圖中點(diǎn)為整個(gè)噴桿（左噴桿、中心架、右噴桿）的質(zhì)心。浮動(dòng)中心架4的作用是連接左右噴臂，可以沿?cái)[桿1滑動(dòng)。托架7與擺桿1的末端固連，2個(gè)彈簧減振器的一端與托架7固連，另一端浮動(dòng)中心架4。

1.支撐架 2.鐘擺機(jī)構(gòu) 3.液壓缸 4.浮動(dòng)中心架 5. 橫向穩(wěn)定減振器 6.垂向減振器 7.托架

液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖7所示，左側(cè)噴臂高度調(diào)節(jié)油缸3、噴桿傾角調(diào)節(jié)油缸4、右側(cè)噴臂高度調(diào)節(jié)油缸5的位置通過比例閥控制，液控單向閥起油路鎖止作用，當(dāng)液壓系統(tǒng)卸荷時(shí)，噴桿折疊油缸保持鎖止?fàn)顟B(tài)，以維持噴桿穩(wěn)定。

1.三位四通比例閥 2.液壓鎖 3.左側(cè)噴臂高度調(diào)節(jié)油缸 4.噴桿傾角調(diào)節(jié)油缸 5.右側(cè)噴臂高度調(diào)節(jié)油缸

1. Three-position four-way proportional valve 2.Hydraulic lock 3.Left side boom height adjustment cylinder 4.Spray boom tilt adjustment cylinder 5.Right side boom height adjustment cylinder

注：P代表與壓力源相連的接口，T代表與油箱相連的接口。

Note: P represents the interface to the pressure source, and T represents the interface to the tank.

圖7 液壓控制系統(tǒng)原理

Fig.7 Schematic diagram of hydraulic control system

主動(dòng)懸架的控制器（NJS-ABC05）具有6路模擬量輸入、4路模擬量輸出、12路功率PWM輸出等功能，針對(duì)噴桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大導(dǎo)致的響應(yīng)延遲的問題，該NJS-ABC05控制器采用了二階前饋式比例積分微分控制算法，控制參數(shù)易于整定，無(wú)需精確獲取懸架系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)地面起伏進(jìn)行提前預(yù)判，有效補(bǔ)償懸架系統(tǒng)慣性導(dǎo)致的延遲，實(shí)現(xiàn)噴桿運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償控制[33-34]。該系統(tǒng)具有主動(dòng)傾角控制和主動(dòng)噴臂控制2種獨(dú)立的工作模式。當(dāng)使用主動(dòng)傾角控制模式時(shí)，安裝在噴桿左、右兩端的2個(gè)超聲波測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴桿距離地面的高度，計(jì)算噴桿相對(duì)地面的傾角，通過濾波處理后反饋給控制器，控制器計(jì)算比例閥的控制電壓，并傳送至比例閥的驅(qū)動(dòng)器，由比例閥控制油缸4運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)噴桿傾角的實(shí)時(shí)跟蹤地形變化。當(dāng)使用主動(dòng)噴臂控制模式時(shí)，安裝在噴桿左、右兩端的2個(gè)超聲波測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴桿距離地面的高度，分別與設(shè)定的理想作業(yè)高度值進(jìn)行比較，各自的差值反饋給控制器，控制器發(fā)送2路指令電壓給左右噴臂高度調(diào)節(jié)油缸3和5對(duì)應(yīng)的比例閥，在油缸的取驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)左右側(cè)噴臂的舉升和降低。

若關(guān)閉控制系統(tǒng)，則懸架上的彈簧、阻尼元件發(fā)揮振動(dòng)衰減的作用，為被動(dòng)懸架系統(tǒng)，若通過截止閥鎖死被動(dòng)懸架的液壓阻尼器，則等效無(wú)懸架連接，噴桿等同固定在運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)上。本文先后對(duì)被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架、主動(dòng)噴臂等多種控制模式進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。

5.2 被動(dòng)懸架系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)價(jià)

在地形平坦的大田開展植保作業(yè)時(shí)，地面不平整導(dǎo)致噴霧機(jī)底盤晃動(dòng)，進(jìn)而影響噴桿穩(wěn)定性，被動(dòng)懸架可以有效的衰減底盤的這種高頻振動(dòng)，保持噴桿的穩(wěn)定。對(duì)被動(dòng)懸架進(jìn)行測(cè)試，只需開啟底盤運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)，復(fù)現(xiàn)噴霧機(jī)田間作業(yè)時(shí)底盤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，左右2個(gè)測(cè)距激光傳感器的安裝間距為18.40 m。

試驗(yàn)過程中六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模擬田間底盤晃動(dòng)干擾，采用2.2節(jié)所述的動(dòng)態(tài)傾角傳感器（IG-500N，SBG）測(cè)得動(dòng)平臺(tái)的擾動(dòng)角和噴桿的側(cè)傾角如圖8所示，擾動(dòng)角的均方根為0.94°，噴桿角度均方根為0.48°。同時(shí)，激光位移傳感器（LTF12UC2LDQ，Banner）測(cè)得噴桿上測(cè)點(diǎn)處的位移變化，根據(jù)式（2）換算出噴桿末梢處的位移數(shù)據(jù)，計(jì)算每次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）和變異系數(shù)（CV），如表1所示，通過5次試驗(yàn)得到該標(biāo)準(zhǔn)差的平均值為118.67 mm，變異系數(shù)的平均值為22.86%，根據(jù)式（1）計(jì)算出修正的Hockley指數(shù)HIC為68.37。

圖8 鐘擺式被動(dòng)懸架性能測(cè)試

在被動(dòng)懸架和無(wú)懸架2種工況下，分別開展5次噴桿運(yùn)動(dòng)測(cè)試重復(fù)試驗(yàn)，選擇標(biāo)準(zhǔn)差（SD）、變異系數(shù)（CV）和修正的Hockley指數(shù)（HIC）等3個(gè)參數(shù)來(lái)表征懸架的性能，分別將測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算出來(lái)，如表1所示，相同試驗(yàn)條件下，5次試驗(yàn)被動(dòng)懸架作用下噴桿的運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)都優(yōu)于無(wú)懸架噴桿。從表中可以看出3個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)5次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的變異系數(shù)都非常小。被動(dòng)懸架噴桿的HIC指數(shù)平均值為68.37，無(wú)懸架噴桿的HIC指數(shù)平均值為21.6，無(wú)懸架時(shí)噴桿運(yùn)動(dòng)位移標(biāo)準(zhǔn)差（SD）、變異系數(shù)（CV）均大于被動(dòng)懸架系統(tǒng)，HIC指數(shù)是無(wú)量綱系數(shù)，越大表示噴桿穩(wěn)定性越好，便于直觀對(duì)不同機(jī)型進(jìn)行對(duì)比。

表1 被動(dòng)懸架和無(wú)懸架對(duì)應(yīng)的噴桿運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

在無(wú)懸架和被動(dòng)懸架2種工況下，噴桿與理想位置偏離程度分布如圖9所示，2種工況下測(cè)試結(jié)果顯示，被動(dòng)懸架下噴桿運(yùn)動(dòng)偏差的頻率分布明顯比無(wú)懸架噴桿更集中于零點(diǎn)，說(shuō)明噴桿的運(yùn)動(dòng)越靠近理想的設(shè)定高度，噴桿出現(xiàn)在理想位置偏差±20%的頻率為60.33%，而無(wú)懸架時(shí)噴桿出現(xiàn)在理想位置偏差±20%的頻率僅為33.88%。

圖9 噴桿與理想位置偏離程度分布

5.3 主動(dòng)懸架系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)價(jià)

主動(dòng)懸架系統(tǒng)的輸入既有噴霧機(jī)底盤晃動(dòng)干擾，又有地形或作物高度的變化。測(cè)試時(shí)同時(shí)開啟底盤運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)和地形起伏模擬平臺(tái)，復(fù)現(xiàn)第3節(jié)中的測(cè)試信號(hào)。

首先對(duì)主動(dòng)傾角控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)過程中測(cè)得噴桿的側(cè)傾角和地形模擬平臺(tái)所模擬的地形角度（即兩反射板中心連線與水平面的夾角），如圖10所示，在有底盤晃動(dòng)干擾的情況下，噴桿最大跟蹤誤差0.86°，誤差值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.18°，通過5次試驗(yàn)計(jì)算出主動(dòng)傾角控制系統(tǒng)作用下噴桿運(yùn)動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示，噴桿末端位移標(biāo)準(zhǔn)差的平均值為60.77 mm，變異系數(shù)平均值為12.13%，修正的Hockley指數(shù)為89.18。

圖10 主動(dòng)懸架作用下噴桿運(yùn)動(dòng)時(shí)域曲線

然后，對(duì)主動(dòng)噴臂控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試過程中，由激光測(cè)距傳感器測(cè)得噴桿左側(cè)測(cè)點(diǎn)高度變化與模擬地形高度對(duì)比如圖11所示，測(cè)點(diǎn)跟蹤最大誤差為87.96 mm，通過5次重復(fù)測(cè)試，計(jì)算出主動(dòng)噴臂控制系統(tǒng)作用下噴桿運(yùn)動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示，噴桿末端位移標(biāo)準(zhǔn)差的平均值為46.22 mm，變異系數(shù)9.32%，修正的Hockley指數(shù)為92.83。

圖11 主動(dòng)噴臂系統(tǒng)作用下左側(cè)噴桿測(cè)點(diǎn)高度變化曲線

表2 主動(dòng)傾角和主動(dòng)噴臂對(duì)應(yīng)的噴桿運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)比主動(dòng)傾角控制系統(tǒng)和主動(dòng)噴臂控制系統(tǒng)分布對(duì)應(yīng)的噴桿運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，主動(dòng)傾角控制系統(tǒng)作用下噴桿的HIC指數(shù)平均值為89.18，主動(dòng)噴臂控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的HIC指數(shù)平均值為92.83，主動(dòng)傾角控制系統(tǒng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)均大于主動(dòng)噴臂系統(tǒng)，可見該28 m噴桿在主動(dòng)噴臂系統(tǒng)作用下的穩(wěn)定性要略微優(yōu)于主動(dòng)傾角控制系統(tǒng)。

在主動(dòng)噴臂控制系統(tǒng)作用下，噴桿與理想位置偏離程度分布圖如圖12所示，噴桿出現(xiàn)在理想位置偏差±20%的頻率為92.21%；而被動(dòng)懸架作用下，噴桿出現(xiàn)在理想位置偏差±20%的頻率僅為60.33%，主動(dòng)懸架下噴桿運(yùn)動(dòng)偏差的頻率分布明顯比被動(dòng)懸架噴桿更集中于零點(diǎn)，說(shuō)明噴桿的運(yùn)動(dòng)越靠近理想的設(shè)定高度，對(duì)應(yīng)的噴霧質(zhì)量和防治效果越好。

圖12 噴桿與理想位置偏離程度分布

通過在無(wú)懸架、被動(dòng)懸架、主動(dòng)傾角、主動(dòng)噴臂4種工況下，對(duì)28 m噴桿運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，主動(dòng)控制系統(tǒng)性能優(yōu)于被動(dòng)懸架系統(tǒng)，主動(dòng)控制系統(tǒng)中的主動(dòng)噴臂系統(tǒng)優(yōu)于主動(dòng)傾角系統(tǒng)。無(wú)懸架時(shí)噴桿的HIC指數(shù)為21.6，使用被動(dòng)懸架時(shí)噴桿的HIC指數(shù)為68.37，使用主動(dòng)傾角控制系統(tǒng)時(shí)噴桿的HIC指數(shù)為89.18，使用主動(dòng)噴臂控制系統(tǒng)時(shí)噴桿的HIC指數(shù)為92.83，表明設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)和選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠明確的區(qū)分不同類型懸架系統(tǒng)的性能，不同懸架多組重復(fù)測(cè)試結(jié)果的最大變異系數(shù)均小于5.91%，可見測(cè)試平臺(tái)和評(píng)價(jià)方法對(duì)被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架、無(wú)懸架等不同懸架具有較好的可重復(fù)性和適用性，可以為噴霧機(jī)制造商選配何種噴桿懸架系統(tǒng)提供定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，也可以為農(nóng)場(chǎng)或農(nóng)業(yè)合作社購(gòu)買大型噴桿噴霧提供參考。

綜上，文中評(píng)價(jià)噴桿懸架性能所采用的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、修正HIC指數(shù)都是通過測(cè)量噴臂相對(duì)目標(biāo)的位置偏差計(jì)算而來(lái)。標(biāo)準(zhǔn)差反映各被測(cè)數(shù)據(jù)離散程度的一個(gè)絕對(duì)指標(biāo)。但是，需要對(duì)同一噴桿懸架系統(tǒng)在不同地形運(yùn)動(dòng)工況下進(jìn)行對(duì)比時(shí)，算數(shù)平均值相差較大，這種情況下標(biāo)準(zhǔn)差作為單一評(píng)價(jià)指標(biāo)缺乏可比性。使用標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)相同試驗(yàn)工況、不同噴桿懸架系統(tǒng)對(duì)比時(shí)，可以直觀得到帶有物理單位的數(shù)值，有助有設(shè)計(jì)人員進(jìn)行懸架改進(jìn)設(shè)計(jì)。與標(biāo)準(zhǔn)差相比，噴桿運(yùn)動(dòng)的變異系數(shù)可消除平均數(shù)不同，對(duì)多個(gè)被測(cè)對(duì)象變異程度對(duì)比的影響。HIC指數(shù)也是無(wú)量綱的指標(biāo)，又與噴桿噴霧的均勻性相關(guān)，該指數(shù)越大噴桿噴霧均勻性性越好，對(duì)于農(nóng)民、機(jī)手等非專業(yè)人員在選擇機(jī)具時(shí)，通過HIC指數(shù)可以非常直觀的進(jìn)行噴桿穩(wěn)定性的對(duì)比，而標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等指標(biāo)可以為噴霧機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)人員、質(zhì)檢人員提供參考，但是HIC指數(shù)、變異系數(shù)CV的共同缺點(diǎn)在于沒有物理單位去量化不同系統(tǒng)之間的差異程度。因此，本文將標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、HIC指數(shù)一起作為噴桿懸架性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用了各自的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了各自的局限性，便于不同群體直觀理解和使用。

6 結(jié)論與討論

隨著噴桿噴霧機(jī)逐漸大型化，噴桿懸架性能田間測(cè)試受到地形、土壤屬性、駕駛熟練度等因素的影響，難以在統(tǒng)一的條件下進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)和對(duì)比，針對(duì)大型噴桿主動(dòng)懸架系統(tǒng)或主動(dòng)懸架的測(cè)試和評(píng)價(jià)方法仍不健全。本文利用已有的六自由度運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)、地形起伏模擬平臺(tái)及NI PXI測(cè)控系統(tǒng)等組成一套噴桿懸架田間工況模擬與測(cè)試裝置，為了準(zhǔn)確的模擬實(shí)際的工作環(huán)境，還在噴霧機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集底盤的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和噴臂下方的地面縱斷面高程數(shù)據(jù)，與田間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相比的主要優(yōu)點(diǎn)是室內(nèi)臺(tái)架測(cè)試提供了可明確定義的、可重復(fù)的試驗(yàn)條件。

考慮測(cè)試時(shí)傳感器安裝位置和不同噴桿理想作業(yè)高度的差異，對(duì)傳統(tǒng)的Hockley指數(shù)進(jìn)行了修正，并使用修正的Hockley指數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)一起來(lái)描述噴桿懸架系統(tǒng)的性能，利用了各自的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了各自的局限性，便于不同群體直觀理解和使用。通過噴桿懸架測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)先后對(duì)28 m噴桿在無(wú)懸架、被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架等不同工況下進(jìn)行了測(cè)試，通過5組重復(fù)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)都小于5.91%，驗(yàn)證了測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性，表明對(duì)于被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架、無(wú)懸架等多種懸架，設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)與測(cè)試方法具有較好的適用性。

無(wú)懸架時(shí)噴桿運(yùn)動(dòng)的HIC指數(shù)為21.60，使用被動(dòng)懸架時(shí)噴桿的HIC指數(shù)為68.37，使用主動(dòng)傾角控制系統(tǒng)時(shí)噴桿的HIC指數(shù)為89.18，使用主動(dòng)噴臂控制系統(tǒng)時(shí)噴桿的HIC指數(shù)為92.83，測(cè)試結(jié)果顯示使用的評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠明確的區(qū)分不同懸架系統(tǒng)的性能，表明設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)和采用的評(píng)價(jià)方法對(duì)不同懸架性能具有較好的區(qū)分度。

后續(xù)研究將進(jìn)一步豐富測(cè)試中使用的田間測(cè)試信號(hào)，使其包含更多種不同典型的地形或冠層表面等信息，同時(shí)測(cè)試信號(hào)還應(yīng)對(duì)機(jī)具的性能具有足夠的辨別力。

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Design and evaluation method of testing bench for spray boom suspension systems

Cui Longfei, Xue Xinyu※, Le Feixiang, Ding Suming

(210014,)

Boom suspension is an important device that affects the uniformity of droplet deposition distribution on the sprayers, but the field testing and evaluation of the stability of the suspension system are affected by a number of random factors, such as test topography, soil properties, driving proficiency, etc. Therefore, a set of boom stability indoor test platform was designed, including a 6 degrees of freedom chassis motion simulation platform, terrain relief simulation platform and NI PXI-based synchronous trigger measurement and control system, and a test method for quantitative evaluation of suspension stability was proposed. The 6 degrees of freedom platform was designed based on Stewart parallel mechanism, which had special field excitation spectrum reproducing function and excitation spectrum database for the dynamic simulation of the boom, and it could be used to simulate the motion of the chassis in the field of the sprayer. The control system of terrain undulation simulation test rig adopted an upper-lower structure, took NI PXI control computer as the upper computer. The DSP microcomputer was used as the lower computer to receive the position instructions sent by the upper computer, control the rotation of the servo motor, and realize the simulation of ground undulation through the ball screw. In order to accurately simulate the real field working environment, the motion posture signal of the chassis and the terrain elevation data on both sides of the boom were collected at the sprayer work site. During the sprayer working in the field, a dual GPS aided inertial attitude measurement system was used to collect the motion signal of the sprayer chassis, and 2 ultrasonic sensors were installed on both sides of the boom, then the height data of the ground were measured along the direction of the sprayer. Considering the difference between the installation position of the sensor and the ideal operating height of different spray rods, the original Hockley index had been revised to describe the performance of the spray boom suspension system together with standard deviation and coefficient of variation, which made up for their limitations. A 28 m boom was tested under different working conditions such as no suspension, passive suspension, active suspension (including active roll control system and active boom arm control system) by using the developed test system, the coefficient of variation of multiple sets of repeated test results was less than 5.91%. The HICindex of the boom was 21.60 when using a rigid connection, 68.37 when using passive suspension, and 89.18 of the boom when using active rolling control system, and the HICindex was 92.83 when using active boom arm control system. The results show that the test platform and evaluation index can clearly distinguish the performance of different suspension systems, and have universality for different spray boom. The test platform developed in this study can be considered a potential basis of a standardized protocol for active boom suspension as well as for the definition of performance limits. The research provides important testing and evaluation methods for large booms and balanced suspensions.

mechanization; spraying; design; boom sprayer; passive suspension; active suspension; test platform; evaluation method

2019-05-23

2019-07-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51605236）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃：水田自走式植保機(jī)械研究開發(fā)（2017YFD-0700905）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃：地面與航空高工效施藥技術(shù)及智能化裝備（2016YFD0200705）

崔龍飛，博士，助理研究員，主要從事機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制研究。Email：cuilong.fei@163.com

薛新宇，研究員，主要從事植保機(jī)械技術(shù)研究。Email：735178312@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.003

S491

A

1002-6819(2019)-16-0023-09

崔龍飛，薛新宇，樂飛翔，丁素明.大型噴桿懸架系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(16)：23－31. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.003 http://www.tcsae.org

Cui Longfei, Xue Xinyu, Le Feixiang, Ding Suming. Design and evaluation method of testing bench for spray boom suspensionsystems[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 23－31. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.003 http://www.tcsae.org