發(fā)布時間：2019-05-18所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:針對目前噴桿噴霧機噴幅
摘要:針對目前噴桿噴霧機噴幅小、噴桿升降折疊穩(wěn)定性差等問題，設(shè)計了一種高地隙寬幅噴架。對噴架的升降機構(gòu)、折疊機構(gòu)進(jìn)行了理論分析及機構(gòu)設(shè)計，建立了三維模型，包括中央噴架、平行四邊形升降機構(gòu)、安裝座及噴桿折疊機構(gòu)。為驗證設(shè)計合理性及可靠性，利用Ansys有限元分析軟件對噴桿在工作狀態(tài)下進(jìn)行了靜力學(xué)分析。結(jié)果表明:最大應(yīng)力為152.7MPa，噴桿末端形變量最大，最大變形量為4.6mm，最小安全系數(shù)為1.63，符合設(shè)計要求。場地試驗表明:設(shè)計滿足工作要求。
關(guān)鍵詞:高地隙噴桿噴架;升降機構(gòu);折疊機構(gòu);有限元分析
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)效率較低且勞動強度大，難以滿足大田種植的要求。高地隙噴桿式噴霧機以玉米、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)前噴霧機噴桿折疊、升降穩(wěn)定性差的問題，設(shè)計了五段式可折疊大幅寬噴桿桁架，并對高地隙噴桿噴霧機噴桿升降機構(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。噴桿高度通過平行四邊形升降機構(gòu)調(diào)節(jié)，噴桿折疊展開采用機械傳動機構(gòu)和液壓油缸的方式，從而實現(xiàn)噴桿機構(gòu)整體上升下降及噴桿展開折疊。為驗證噴桿設(shè)計合理性，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)計合理性，并通過試驗測試樣機噴桿展開升降功能。
1噴桿噴架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
本設(shè)計幅寬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、平行四邊形升降機構(gòu)、大展臂噴架及小展臂噴架。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
噴霧機工作時，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，折疊運動由液壓缸驅(qū)動。大臂噴桿展開通過折疊油缸的伸縮帶動連接板、大展臂噴架轉(zhuǎn)動90°展開，完成大臂展開動作;小臂噴桿展開通過折疊油缸伸縮帶動連桿、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°圓周運動，完成小展臂展開折疊運動。
2噴桿關(guān)鍵零部件設(shè)計及分析
2.1噴桿升降機構(gòu)
2.1.1噴桿升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理
為了使噴霧機適應(yīng)不同高度的作物、提高施藥效率，設(shè)計了噴桿升降機構(gòu)。該裝置采用平行四邊形升降機構(gòu)，由上連桿、下連桿、升降液壓缸、安裝座及中央噴架組成。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，中央噴架的鉸接點與安裝座的鉸接位置相對相同，從而構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)。通過驅(qū)動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。
2.1.2平行四邊形升降機構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計
平行四邊形升降機構(gòu)連桿旋轉(zhuǎn)角影響噴桿升降性能，因此對升降機構(gòu)連桿旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行計算。為了便于分析，將平行四邊形升降機構(gòu)進(jìn)行簡化。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500～2500mm，中央噴架高度為756mm;平行四桿機構(gòu)與地面平行時的高度為1200mm，上升高度h1為700mm，下降高度h2為1300mm;連桿長度1500mm。計算得: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°。
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。噴桿機構(gòu)的幾何模型在SoildWorks三維設(shè)計軟件中建立。
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AnsysWorkbench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。有限元劃分元素為16426，節(jié)點數(shù)為34434。
3.3施加約束與載荷
噴霧機工作時，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1490N的力，并考慮噴桿自身重力。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。材料屈服強度為235MPa，最大應(yīng)力小于材料屈服強度，滿足設(shè)計要求。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。最小安全系數(shù)為1.63。由Ansys軟件運行計算結(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。
4場地試驗
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)試驗基地進(jìn)行了樣機制作，并對樣機噴桿展開折疊及噴架升降情況進(jìn)行了檢測。試驗位于試驗基地10m×800m的場地試驗區(qū)。試驗時，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，記錄時間;調(diào)節(jié)開關(guān)將噴桿降低到0.5m處，記錄時間;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，并記錄時間。在試驗過程中觀察展臂折疊與展開是否平穩(wěn)。
將噴桿展開調(diào)至離地面2.5m處，噴霧機以29km/h速度行駛500m，到終點檢查噴桿的情況。測驗表明: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;噴霧機在行駛中噴桿未發(fā)生變形失效，滿足設(shè)計要求。
5結(jié)論
1)根據(jù)設(shè)計要求，對噴桿進(jìn)行了整體設(shè)計。對噴桿大臂展開機構(gòu)、噴桿小臂展開機構(gòu)、噴桿升降機構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計及理論計算，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，表明噴桿強度滿足工作要求。
2)場地試驗表明，噴架滿足設(shè)計要求。
參考文獻(xiàn):
[1]賈衛(wèi)東，張磊江，燕明德，等.噴桿噴霧機研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國農(nóng)機化，2013，34(4):19-22.
[2]邱白晶，何耀杰，盛云輝，等.噴霧機噴桿有限元模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45(8):112-116.
[3]殷夢杰，宋帥帥，楊欣，等.高地隙噴霧機雙平行四桿噴霧支架平穩(wěn)性結(jié)構(gòu)分析[J].農(nóng)機化研究，2018，40(5):41-45.
[4]宋云，李永奎，張麗君，等.大幅寬噴桿式噴霧機結(jié)構(gòu)形式分析[J].農(nóng)機化研究，2018，40(3):254-259.
[5]陳晨，薛新宇，顧偉，等.噴霧機噴桿結(jié)構(gòu)形狀及截面尺寸優(yōu)化與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(9):50-56.
[6]王科杰，胡斌，羅昕，等.殘膜回收機單組仿形摟膜機構(gòu)的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(8):12-20.
[7]王佳文，楊自棟.自動調(diào)平噴桿式噴藥機設(shè)計與試驗研究[J].農(nóng)機化研究，2016，38(7):162-166.
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