李 錕，王洪臣，鄭曉培，楊 利

(長(zhǎng)春工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，長(zhǎng)春 130012)

?

微型噴藥機(jī)構(gòu)型設(shè)計(jì)與仿真分析

李 錕，王洪臣，鄭曉培，楊 利

(長(zhǎng)春工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，長(zhǎng)春 130012)

針對(duì)三輪高地隙噴藥機(jī)田間運(yùn)行穩(wěn)定性差和后輪輪距調(diào)整不方便等問題，設(shè)計(jì)了萬向節(jié)動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、可伸縮車架及后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等部件組成的微型高地隙噴藥機(jī)。對(duì)機(jī)架進(jìn)行了仿真模型建立、有限元應(yīng)力-應(yīng)變分析和響應(yīng)曲面擬合優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后模型進(jìn)行了模態(tài)分析。結(jié)果表明：機(jī)架在滿足性能和強(qiáng)度要求前提下實(shí)現(xiàn)了輕量化，整機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)匹配性能均滿足設(shè)計(jì)要求，且車體運(yùn)行平穩(wěn)，后輪輪距調(diào)整方便，有利于三輪高地隙噴藥機(jī)的應(yīng)用與推廣。

噴藥機(jī)；機(jī)架；有限元分析；優(yōu)化；模態(tài)

0 引言

近年來，我國(guó)優(yōu)勢(shì)作物(如玉米、大豆、高粱等)中后期病蟲害防治一直是一個(gè)難題，主要是因?yàn)楝F(xiàn)有的拖拉機(jī)底盤較低，無法進(jìn)入目標(biāo)地域進(jìn)行施藥作業(yè)。大型高底盤的施藥機(jī)械成本投入巨大，且性價(jià)比相對(duì)較低，導(dǎo)致高稈經(jīng)濟(jì)作物的地隙問題成為影響我國(guó)優(yōu)勢(shì)經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)的主要“瓶頸”。因此，適用于農(nóng)民家庭使用的高地隙噴藥機(jī)械已成為我國(guó)植保技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。三輪高地隙噴藥機(jī)不僅可以替代傳統(tǒng)人工施藥的緊張勞動(dòng)、提高勞動(dòng)效率、降低植保成本，最大限度地減少因施藥不及時(shí)而造成的作物損失和經(jīng)濟(jì)損失，而且田間通過性能好、占地空間小、轉(zhuǎn)向靈活、操作可靠，具有廣闊的市場(chǎng)空間。

1 噴藥機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

參照市場(chǎng)熱銷機(jī)型，在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了微型三輪高地隙噴藥機(jī)，其主要由動(dòng)力系統(tǒng)、車架部分和噴藥系統(tǒng)等3部分組成，如圖1所示。其中，動(dòng)力系統(tǒng)是噴藥機(jī)動(dòng)力提供與傳遞的主要部分，由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、萬向節(jié)動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成；車架部分是整車質(zhì)量承載的關(guān)鍵部分，主要采用空心圓鋼與空心方鋼，在保證承載能力的前提下，盡可能減輕車體自重；噴藥系統(tǒng)是噴藥機(jī)重要的組成部分，主要由藥箱、隔膜泵、噴藥架、噴藥管路及專用噴嘴等組成。

1.發(fā)動(dòng)機(jī) 2.車架 3.噴藥架 4.后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 5.藥箱 6.動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 7.變速箱 8.隔膜泵

1.2 工作原理

當(dāng)噴藥機(jī)行駛至目標(biāo)區(qū)域后，向藥箱中加注規(guī)定劑量的藥液。同時(shí)，為了保證轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定性和擴(kuò)大作業(yè)面積，根據(jù)工作區(qū)域的壟溝距離調(diào)整好后輪輪距，展開噴藥架到指定位置后，將噴藥架調(diào)節(jié)到合適高度；啟動(dòng)噴藥機(jī)，待各個(gè)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定工作后，進(jìn)入工作區(qū)域，對(duì)目標(biāo)作物進(jìn)行施藥作業(yè)；工作完成后關(guān)閉噴藥系統(tǒng)，使噴藥架回到初始位置，并根據(jù)道路交通行駛的車輛寬度要求，使后輪輪距恢復(fù)至安全行駛距離，駛出目標(biāo)工作區(qū)域。

1.3 噴藥機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.3.1 萬向節(jié)動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，三輪高地隙噴藥機(jī)最主要問題是整車運(yùn)行不穩(wěn)定、車體易倒。出現(xiàn)這一現(xiàn)象最主要原因是：噴藥車轉(zhuǎn)向時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器等裝置隨其一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使重心偏移，導(dǎo)致車體傾倒。

針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了可伸縮萬向節(jié)動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，如圖2所示。其動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給減速器，由減速器鏈輪輸出動(dòng)力，減速器鏈輪與鏈輪1相連，經(jīng)萬向節(jié)傳遞給鏈輪2，鏈輪2與車輪鏈輪相連，完成動(dòng)力傳遞。

1.鏈輪1 2.軸承座1 3.鏈輪2 4.軸承座2 5.可伸縮球籠式萬向節(jié)

1.3.2 機(jī)架設(shè)計(jì)

高地隙噴藥機(jī)機(jī)架是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、座椅、藥箱和噴藥架體等總成的安裝基礎(chǔ)，是評(píng)價(jià)整車裝備及車架結(jié)構(gòu)合理性的關(guān)鍵。噴藥機(jī)機(jī)架主要由中間支撐梁和后支撐架體兩部分組成，如圖3所示。

1.中間支撐梁 2.后支撐架體

機(jī)架主體采用空心圓鋼和方鋼焊接，在保證機(jī)架強(qiáng)度、剛度要求前提下，盡可能減輕車架質(zhì)量；中間支撐梁以空心圓鋼為主體，可靠地保證整機(jī)中間部分的有效承載；后支撐架體為內(nèi)嵌式空心方鋼結(jié)構(gòu)，且外部方鋼內(nèi)配備有滑道，在有效范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)后輪輪距的單向或雙向調(diào)整。

1.3.3 后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有三輪噴藥機(jī)及大部分農(nóng)業(yè)機(jī)械手動(dòng)輪距調(diào)整不方便且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力這一現(xiàn)象，參照萬向輪的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

1.圓螺母 2.螺栓 3.車輪

行距調(diào)整時(shí)，松開圓螺母和螺栓，使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°后再鎖緊圓螺母和螺栓，然后調(diào)整后輪到指定的行距位置后，逆向使其恢復(fù)至初始位置并鎖緊，完成行距調(diào)整。

2 噴藥機(jī)機(jī)架強(qiáng)度分析

高地隙噴藥機(jī)機(jī)架是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、座椅、藥箱和噴藥架體等總成的安裝基礎(chǔ)，機(jī)架承受這些總成質(zhì)量及其傳給機(jī)架的各種力和力矩，是整機(jī)關(guān)鍵承載部件。其中，噴藥機(jī)模型及其機(jī)架模型分別如圖5、圖6所示。

圖5 噴藥機(jī)模型 圖6 機(jī)架模型

2.1 機(jī)架的有限元分析

噴藥機(jī)機(jī)架主要由空心鋼材焊接而成，在各個(gè)工況條件下，受力情況不同，但藥箱滿載及后支撐梁兩端同時(shí)伸出至最大工況最為惡劣，因此選取此工況為計(jì)算工況。

有限元模型從靜力平衡條件、變形諧調(diào)條件及物理?xiàng)l件3個(gè)方面來分析應(yīng)力和變形。機(jī)架在外力作用下，保持靜止或作等速直線運(yùn)動(dòng)，則機(jī)架處于平衡狀態(tài)。此時(shí)，其應(yīng)力分量與體力分量之間的關(guān)系滿足下式，即

(1)

其中，σx、σy、σz、τx、τy、τz和Tx、Ty、Tz分別是正應(yīng)力、切應(yīng)力和體力在x、y、z坐標(biāo)軸的分量。

應(yīng)變和位移均是闡述物體發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的物理量，亦是評(píng)價(jià)物體受力變形情況的重要指標(biāo)，兩者之間存在一定的關(guān)系。對(duì)發(fā)生微小位移或變形的單元體，應(yīng)變和位移應(yīng)滿足下式，即

(2)

單元體應(yīng)變{ε}變化關(guān)系滿足下式，即

{ε}=[B]{δe}

(3)

單元體位移{s}變化關(guān)系滿足下式，即

{s}=[N]{δe}

(4)

其中，[B]為單元體的幾何矩陣；[N]為單元體的函數(shù)矩陣；{δe}為單元體位移向量。

(5)

其中，εx、εy、εz、γxy、γyz、γzx和u、v、w分別是線應(yīng)變、角應(yīng)變和位移在x、y、z坐標(biāo)軸的分量。

在有限元法中常用的物理量方程是以應(yīng)變表示應(yīng)力的形式，對(duì)于各向同性的線彈性材料，物理方程的函數(shù)可以表示為

{σ}=[D]{ε}

(6)

其中，[D]為彈性矩陣，由材料的彈性模量和泊松比來確定。

利用ANASY Workbench中Mesh模塊對(duì)上述有限元模型的計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型選擇為四面體線性單元，整個(gè)機(jī)架劃分8 891個(gè)單元、36 219個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在藥箱滿載及后支撐內(nèi)梁兩端同時(shí)伸出至最大的工況時(shí)，車架前端圓鋼和后支撐兩側(cè)方鋼受到固定約束。除機(jī)架自重外，機(jī)架受到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、操作者、座椅、滿載藥箱、噴藥架體等質(zhì)量的載荷施加。對(duì)要求工況進(jìn)行有限元求解計(jì)算，得到機(jī)架的位移變形量和等效應(yīng)力，分別如圖7、圖8所示。

圖7 位移變形量

圖8 等效應(yīng)力

根據(jù)JB/T 8582.1-2001《農(nóng)用車》要求允許位移變形量為1.5mm，本設(shè)計(jì)的機(jī)架位移最大變形量0.589 62mm，在允許范圍內(nèi)；材料Q235許用屈服極限138.23MPa(取安全系數(shù)n=1.7)，最大等效應(yīng)力發(fā)生在后支撐右側(cè)內(nèi)橫梁與側(cè)方鋼橫梁連接處，應(yīng)力值達(dá)為60.759MPa，滿足強(qiáng)度要求。由總變形量云圖和應(yīng)力分析云圖可知：機(jī)架的設(shè)計(jì)過于保守，結(jié)構(gòu)不合理。因此，在保證機(jī)架功能和強(qiáng)度要求前提下，為了節(jié)省材料，有必要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過綜合分析，考慮后支撐橫梁加工工藝要求和鋼材尺寸要求，采用人工直接優(yōu)化，對(duì)機(jī)架中梁進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化。

2.2 機(jī)架模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合Workbench提供優(yōu)化功能，在強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)架模型，以機(jī)架中梁質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，則優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型可表示為

(7)

s.t.C≤σS

(8)

其中，X(t)為機(jī)架中梁的質(zhì)量；ρ為材料密度；Ai(i=1，2，…，n)為鋼材截面積；i為第i種情況下尺寸要求；L為鋼材長(zhǎng)度；C為強(qiáng)度約束；σ為材料的屈服強(qiáng)度。

Workbench優(yōu)化設(shè)計(jì)通過響應(yīng)面(線)實(shí)現(xiàn)。其中，響應(yīng)曲面(線)的擬合是通過設(shè)計(jì)點(diǎn)完成的。考慮空心圓鋼尺寸的要求，設(shè)定10個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，觀察到優(yōu)化參數(shù)如表1所示。通過對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比并結(jié)合實(shí)際情況可知：設(shè)計(jì)點(diǎn)8(外徑95 mm、壁厚5 mm)符合設(shè)計(jì)要求。

表1 尺寸優(yōu)化參數(shù)表

通過機(jī)架后支撐的有限元分析可知：后支撐內(nèi)橫梁與側(cè)方鋼橫梁連接處應(yīng)力最大，但最大等效應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用值。在考慮空心方鋼的加工工藝及尺寸要求的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行直接人工優(yōu)化：對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高區(qū)域考慮適當(dāng)減小其厚度。優(yōu)化后機(jī)架位移變形量和等效應(yīng)力分別如圖9和圖10所示。

圖9 優(yōu)化后位移變形量

圖10 優(yōu)化后等效應(yīng)力

2.3 機(jī)架優(yōu)化前后的對(duì)比分析

利用Workbench對(duì)機(jī)架進(jìn)行了有限元分析，通過對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助和人工直接優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)修正，可以得到優(yōu)化前后分析結(jié)果，如表2所示。

表2 機(jī)架優(yōu)化對(duì)比表

由表2可知：優(yōu)化方案使機(jī)架質(zhì)量減輕74.19kg，達(dá)到滿足強(qiáng)度要求同時(shí)減輕質(zhì)量的目的。機(jī)架的最大應(yīng)力為76.484MPa，仍然小于機(jī)架許用應(yīng)力值138.23MPa，故優(yōu)化合理。

3 機(jī)架模態(tài)分析

在機(jī)架強(qiáng)度分析基礎(chǔ)上，利用ANASY Workbench中Modal模塊對(duì)機(jī)架進(jìn)行了有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，求解前4階模態(tài)。其中，求解后的模態(tài)振型和固有頻率情況分別如圖11及表3所示。

圖11 1～4階模態(tài)振型

階數(shù)頻率f/Hz階數(shù)頻率f/Hz135．203299．473100．714117．29

由圖11可知：當(dāng)機(jī)架發(fā)生共振時(shí)，機(jī)架后橫梁中間部分發(fā)生較大位移變形，且在1階固有頻率時(shí)最大位移變形為3.5052mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機(jī)架的許用位移變形(許用值為1.5mm)133.68%。因此，需對(duì)路面不平整和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)固有頻率進(jìn)行校核驗(yàn)證，判斷其是否與機(jī)架固有頻率重合或接近而引發(fā)共振現(xiàn)象。

由于噴藥機(jī)屬于專用農(nóng)業(yè)機(jī)械，且工作條件惡劣，行駛路況有限，僅針對(duì)平坦公路、砂石公路和田間路面路況激勵(lì)情況進(jìn)行了研究。其中，不同路面波長(zhǎng)與激勵(lì)頻率情況如表4所示。

表4 路面凸凹度波長(zhǎng)與激勵(lì)頻率

發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率為

(9)

其中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；z為發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)；τ為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)。

本機(jī)選用ZR192型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，參考ZR192型柴油機(jī)(單缸-四沖程)技術(shù)說明可知：發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速(600±50)r/min；最大扭矩時(shí)，轉(zhuǎn)速1 820r/min，額定轉(zhuǎn)速(2 400±50)r/min。由此得到發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)激振頻率(5±1.7)Hz、最大扭矩時(shí)激振頻率(15.2±1.7)Hz及正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激振頻率(20±1.7)Hz。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知：機(jī)架1階固有頻率是235.203Hz，且均不在表3中3種路況的激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，故整機(jī)不會(huì)因此產(chǎn)生車體共振；發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，最大激振頻率小于機(jī)架最小固有頻率35.203Hz，可以證明機(jī)架滿足剛度要求，即設(shè)計(jì)合理。

4 樣機(jī)裝配與試驗(yàn)

通過對(duì)噴藥機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真分析，確定了設(shè)計(jì)方案的可行性與合理性，驗(yàn)證了噴藥機(jī)田間運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、可靠且各機(jī)構(gòu)之間無干涉現(xiàn)象。噴藥機(jī)物理樣機(jī)如圖12所示，通過田間試驗(yàn)得到的噴藥機(jī)性能指標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖12 噴藥機(jī)物理樣機(jī)

性能最高時(shí)速/km·h-1作業(yè)速度/km·h-1作業(yè)效率/hm2·h-1噴藥角度/(°)噴霧標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)8065～8110歐美

5 結(jié)論

在噴藥機(jī)機(jī)架有限元分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助和人工直接相結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的機(jī)架總質(zhì)量減少74.19kg，減重率31.65%，最大應(yīng)力提高25.88%，在滿足功能和強(qiáng)度要求的前提下，實(shí)現(xiàn)了機(jī)架的輕量化和提高了整機(jī)的應(yīng)力水平。對(duì)優(yōu)化后模型4階模態(tài)進(jìn)行分析，各階頻率均不在路況激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，驗(yàn)證了機(jī)架設(shè)計(jì)合理性。通過樣機(jī)田間試驗(yàn)可知：樣機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)匹配性能符合要求，滿足高地隙條件施藥作業(yè)要求，有利于三輪高地隙噴藥機(jī)的應(yīng)用與推廣。

[1] 薛飛，盧景忠，趙佳,等．3WFZ-12型自走式高稈作物施肥噴藥機(jī)的研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(11)：36-38．

[2] 李錕. 高地隙噴藥機(jī)設(shè)計(jì)及其變量施藥系統(tǒng)研究[D]．哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2015．

[3] 黃聰會(huì)，馬洪亮，江光華．高地隙自走式植保機(jī)械噴桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2016，38(2)：49-53．

[4] 竇靜華．高地隙自走式噴霧機(jī)輪距可調(diào)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，2012.

[5] 王子佳．4YZ-2自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件的研究[D]．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013．

[6] 劉平義，王振杰，李海濤,等．輪距可調(diào)式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(4)：63-67．

[7] 李燕平，呂新民．農(nóng)用風(fēng)機(jī)葉輪的有限元分析[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(4)：207-209．

[8] 張艷，張永軍．冷擠壓組合模具的ANSYS應(yīng)力分析[J]．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20(1)：73-74．

[9] 楊方飛，韓小進(jìn)，段垚奇,等．高地隙噴桿噴霧機(jī)底盤可靠性試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(10)：73-77．

[10] 王瀟楠，何雄奎．噴桿式噴霧機(jī)霧滴飄移測(cè)試系統(tǒng)研制及性能試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(18)：56-60．

Configuration Design and Simulation Analysis of the Small Sprayer

Li Kun， Wang Hongchen， Zheng Xiaopei， Yang Li

(Engineering Training Cenfer, Changchun Institute of Technology, Changchun 130012, China)

According to the problem that the field operation instability and the rear wheel base adjustment inconvenient of the three wheeled high clearance sprayer, the research design a new-type high clearance sprayer, with the power steering of scalable universal joint, retractable frame, the rear wheel steering mechanism and other components. Meanwhile, the simulation model, the finite element analysis for the stress and strain, response surface fitting optimization design on the sprayer frame have been finished, and the optimized model for modal analysis. Therefore, the results showed that, the frame realized the lightweight on the premise of the demand of performance and stiffness, each mechanism’s matching performance of sprayer meet the design requirements, and the research will be good for the popularization and application of the three wheeled high clearance sprayer.

sprayer；frame；finite element analysis；optimization；modal

2016-07-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50977037)；吉林省科技廳項(xiàng)目(20120352)

李 錕(1989-)，男，黑龍江牡丹江人，講師，碩士，(E-mail)likun588@163.com。

S491

A

1003-188X(2017)08-0072-05