基于路譜的車載噴霧器噴桿振動(dòng)聯(lián)合仿真系統(tǒng)

吳偉斌 ，馮運(yùn)琳 ，許棚搏，張建莉 ，洪添勝，游展輝 ，朱高偉

( 1.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州　510642；2.國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣州　510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州　510642 )

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基于路譜的車載噴霧器噴桿振動(dòng)聯(lián)合仿真系統(tǒng)

吳偉斌1,2,3，馮運(yùn)琳3，許棚搏3，張建莉3，洪添勝1,2,3，游展輝3，朱高偉3

( 1.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510642；2.國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣州510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州510642 )

摘要：在農(nóng)業(yè)藥物噴霧過(guò)程中，由于噴霧器在水平和垂直方向不必要的頻繁運(yùn)動(dòng)，造成噴霧的不足或過(guò)量，產(chǎn)生農(nóng)藥的浪費(fèi)、殘留和環(huán)境污染等問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)一種按照不同地形、不同振動(dòng)程度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的噴霧系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真測(cè)試。首先通過(guò)ADAMS和MatLab建模，然后使用五輪儀進(jìn)行路譜數(shù)據(jù)采集并結(jié)合LabVIEW進(jìn)行聯(lián)合仿真，與此同時(shí)進(jìn)行1Hz0.5g、2Hz0.5g、1Hz1g這3種正弦激勵(lì)的試驗(yàn)。數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)振幅由0.5g增至1g時(shí)，加速度的增幅將近50%；當(dāng)頻率從1Hz增至2Hz時(shí)，加速度的增幅則超過(guò)了50%。在速度為5km/h和8km/h的兩種情況下進(jìn)行實(shí)地與仿真測(cè)試,仿真的結(jié)果與路面激勵(lì)下噴霧器噴桿的實(shí)際振動(dòng)情況基本相符。

關(guān)鍵詞：車載噴霧器；虛擬樣機(jī)；聯(lián)合仿真；路譜

0引言

隨著可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)農(nóng)業(yè)觀念的廣泛普及，我國(guó)在農(nóng)藥噴施和霧化機(jī)械的研究逐漸深入[1]。經(jīng)過(guò)多年的研究，國(guó)內(nèi)外專家認(rèn)為噴霧的霧滴大小直接影響農(nóng)藥的使用劑量和防治效果[2-5]，應(yīng)采用先進(jìn)技術(shù)使霧粒徑針對(duì)不同的生物靶標(biāo)保持在適宜范圍內(nèi)，減少飄移。噴霧技術(shù)向小霧滴方向發(fā)展，是當(dāng)前改善傳統(tǒng)噴霧器械的趨勢(shì)[6-11]。因此，對(duì)微噴頭噴霧分布質(zhì)量的研究成為噴霧器械研究的一個(gè)新的方向。

使用先進(jìn)的農(nóng)藥噴施技術(shù)是解決農(nóng)藥殘留量問(wèn)題的有效措施之一。目前主要存在的問(wèn)題：噴桿振動(dòng)大、不平衡；影響霧滴質(zhì)量(顆粒大小、穿透性、飄移性)；影響噴施均勻性，當(dāng)流量小時(shí)造成噴灑不夠均勻，當(dāng)流量大時(shí)造成藥液流失污染環(huán)境；影響噴施效果，不能滿足植物對(duì)藥液的實(shí)際需求[12-14]。

起伏不平的路譜會(huì)引起機(jī)械的振動(dòng)[15]，特別是噴桿系統(tǒng)的振動(dòng)，成為影響噴霧質(zhì)量不容忽略的一個(gè)因素。因此，本文進(jìn)行基于路譜的車載噴霧器噴桿系統(tǒng)研究并進(jìn)行仿真測(cè)試。

1振動(dòng)原因分析

以農(nóng)用噴桿式噴霧機(jī)為例，當(dāng)輪胎與土壤接觸時(shí)，由于沒(méi)有限制噴桿式噴霧機(jī)機(jī)構(gòu)的自由度，所以它有6個(gè)自由度：3個(gè)平移和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示。圍繞X、Y、Z旋轉(zhuǎn)的分別是俯仰、滾動(dòng)和偏轉(zhuǎn)。噴桿式噴霧機(jī)及輪胎的特點(diǎn)決定了地面的起伏作用于噴桿式噴霧機(jī)上，引起噴桿的振動(dòng)。

圖1　噴桿式噴霧機(jī)自由度示意

噴桿式噴霧機(jī)的車輪和地面接觸由兩個(gè)力組成：徑向的接觸力和切向的摩擦力，而徑向的接觸力就是引起垂直振動(dòng)的激勵(lì)源。

2系統(tǒng)構(gòu)建

2.1　建立仿真模型

由于汽車動(dòng)力學(xué)模型的應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)模型的精度要求也不一樣，一方面要求模擬部分汽車動(dòng)力學(xué)特性，另一方面要求有控制系統(tǒng)。所以，采用ADAMS和MatLab分別對(duì)農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)建模，并實(shí)現(xiàn)ADAMS環(huán)境下建立的虛擬樣機(jī)模型與SIMULINK環(huán)境下建立的模型之間的通訊，進(jìn)行在環(huán)仿真研究。

ADAMS和MATLA通過(guò)狀態(tài)變量進(jìn)行通訊，如圖2所示。因此，必須基于一組狀態(tài)變量進(jìn)行輸入、輸出定義。

在ADAMS/Controls中，輸出是指從ADAMS到控制軟件的數(shù)據(jù)，輸入是指從控制軟件傳回ADAMS的數(shù)據(jù)，通過(guò)輸入輸出實(shí)現(xiàn)ADAMS和控制軟件之間的信息閉合循環(huán)，即軟件在環(huán)仿真。

圖2　ADAMS/View虛擬樣機(jī)與MATLAB接口圖

2.2　基于LabVIEW/Simulink的仿真系統(tǒng)

將MatLab的Simulink開(kāi)發(fā)工具和LabVIEW的仿真接口工具包(Simulation Interface Toolkit，簡(jiǎn)稱SIT)相結(jié)合，對(duì)控制器的控制邏輯、控制對(duì)象環(huán)境進(jìn)行建模仿真[11-12]，以在前期就對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)、誤差等進(jìn)行快速評(píng)估，如圖3所示。

圖3　基于LabVIEW/Simulink的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3　路面譜分析原理

道路是車輛振動(dòng)最主要的輸入源, 研究路面不平度的統(tǒng)計(jì)規(guī)律是研究汽車振動(dòng)與平順性的重要基礎(chǔ)工作[13-16]。車輛近似作為線性系統(tǒng)處理, 掌握了輸入的路面不平度功率譜及車輛系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，就可求出噴桿式噴霧機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的輸出。

時(shí)間頻率、空間頻率路面譜密度公式為

(1)

(2)

其中，Sq(f)為時(shí)間頻率路面自功率譜密度；Sq(n)為空間頻率路面自功率譜密度；Sz(f)為五輪軸頭道路實(shí)測(cè)時(shí)間頻率加速度自功率譜密度；Hy-x(f)為輪邊(激振臺(tái)臺(tái)面)至五輪軸頭的頻率響應(yīng)函數(shù)(傳遞函數(shù))。

目前，我國(guó)在路面譜采集方面較為完善，最為簡(jiǎn)單有效的方法是采用五輪儀法，把五輪儀根據(jù)實(shí)際安裝角度安裝在振動(dòng)臺(tái)上，如圖4所示。

圖4　五輪儀在振動(dòng)臺(tái)上安裝示意圖

2.4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。五輪儀用剛性材料與車輛連接，在行駛的過(guò)程中，地面的起伏引起五輪儀的垂直振動(dòng)。DAQ采集卡將加速度傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，最后在ADAMS/View中實(shí)時(shí)仿真，并將仿真的結(jié)果輸出到LabVIEW進(jìn)行保存。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3試驗(yàn)過(guò)程

3.1　激振試驗(yàn)

完成3組標(biāo)準(zhǔn)激振試驗(yàn)：①1Hz0.5g正弦激勵(lì)下激勵(lì)與響應(yīng)；②2Hz0.5g正弦激勵(lì)下激勵(lì)與響應(yīng)；③1Hz1g正弦激勵(lì)下激勵(lì)與響應(yīng)。激振試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6　激振試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.2　測(cè)量信號(hào)采集

采用LabVIEW進(jìn)行激振試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集，程序框圖如圖7、圖8所示。

圖7　激振試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集前面板

圖8　LabVIEW程序框圖

3.3　結(jié)果數(shù)據(jù)

3組激振試驗(yàn)測(cè)量信號(hào)結(jié)果如表1～表3所示。

表1　1Hz0.5g正弦激勵(lì)下激勵(lì)與響應(yīng)

續(xù)表1

表2　2Hz0.5g正弦激勵(lì)下激勵(lì)與響應(yīng)

表3　1Hz1g正弦激勵(lì)下激勵(lì)與響應(yīng)

4數(shù)據(jù)分析

4.1　離散系統(tǒng)的模型辨識(shí)

通過(guò)3組標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)得到不同振幅和頻率激勵(lì)下的數(shù)據(jù)，將結(jié)果轉(zhuǎn)換成離散傳遞函數(shù)模型，則

試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分別如圖8～圖10所示。

圖9　1Hz0.5g正弦激勵(lì)下激勵(lì)與響應(yīng)

圖10　2Hz0.5g正弦激勵(lì)下激勵(lì)與響應(yīng)

圖11　1Hz1g正弦激勵(lì)下激勵(lì)與響應(yīng)

振幅的大小代表路面不平度，而頻率變化則代表著行駛車速。

對(duì)比3組試驗(yàn)，隨著激勵(lì)振幅和頻率的增大，加速度也隨之增大。比較圖8和圖9可知：當(dāng)振幅由0.5g增至1g時(shí)，簧載質(zhì)量加速度的增幅將近50%左右；而當(dāng)頻率從1Hz增至2Hz時(shí)，簧載質(zhì)量加速度的增幅則超過(guò)了50%。

4.2　激勵(lì)信號(hào)還原與仿真

加速度傳感器采集信號(hào)為

Y=H·X

其中，Y為加速度傳感器采集到的信號(hào)；H為傳遞函數(shù)(從地面激勵(lì)到加速度傳感器軸頭)；X為地面激勵(lì)信號(hào)。

由X=H-1·Y得到還原地面激勵(lì)信號(hào)X,結(jié)果如圖12和圖13所示。其分別為不同車速的加速度傳感器上采集到的加速度信號(hào)還原得到的路面加速度激勵(lì)信號(hào)和通過(guò)虛擬樣機(jī)仿真得到的噴桿振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。

圖12　激勵(lì)與響應(yīng)(速度5km/h)

圖13　激勵(lì)與響應(yīng)(速度8km/h)

由圖12和圖13可知：在速度為5km/h和8km/h兩種情況下，仿真的結(jié)果與路面激勵(lì)下噴霧器噴桿的實(shí)際振動(dòng)情況基本相符。這說(shuō)明，系統(tǒng)較準(zhǔn)確可靠。

5結(jié)論

1)建立接口實(shí)現(xiàn)3種軟件的聯(lián)合仿真。在ADAMS/View中確定輸入輸出變量，然后導(dǎo)出控制MatLab參數(shù)控制參數(shù)，再應(yīng)用SIT實(shí)現(xiàn)LabVIEW與MatLab的連接，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)仿真，為研究創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單方便的平臺(tái)。

2)針對(duì)目前噴霧過(guò)程中不能根據(jù)地面特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)噴桿噴霧的情況，設(shè)計(jì)一種依據(jù)不同地形、不同振動(dòng)程度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的噴霧系統(tǒng)并進(jìn)行仿真測(cè)試，并進(jìn)行1Hz0.5g、2Hz0.5g、1Hz1g這3種正弦激勵(lì)的試驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)振幅由0.5g增至1g時(shí)，加速度的增幅將近50%；當(dāng)頻率從1Hz增至2Hz時(shí)，加速度的增幅則超過(guò)了50%。

3)在速度為5km/h和8km/h的兩種情況下，通過(guò)傳感器采集實(shí)地路面信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行仿真測(cè)試，將實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果顯示：仿真的結(jié)果與路面激勵(lì)下噴霧器噴桿的實(shí)際振動(dòng)情況基本相符，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

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Joint Simulation System of Vehicle Sprayer Vibration Based on Road Spectrum

Wu Weibin1,2,3, Feng Yunlin3, Xu Pengbo3, Zhang Jiangli3, Hong Tiansheng1,2,3,You Zhanghui3, Zhu Gaowei3

( 1.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, Guangzhou 510642, China;2.Division of Citrus Machinery, China Agriculture Research System，Guangzhou 510642,China；3.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China )

Abstract：In the process of drug spraying in agriculture currently, due to the nebulizer frequent and unnecessary movement in the horizontal and vertical directions, it resulted in spraying insufficiently or excessively, caused many issues such as waste, residue, environmental pollution and so on. Therefore we designed a spray system that carried out real-time adjustment and made simulation tests which according to different topography and vary degrees of vibration. ADAMS and MATLAB were applied to model firstly, and then the data of road spectral were collected through the fifth wheel method and made the co-simulation with LabVIEW, meanwhile we conducted three kinds of sinusoidal excitation experiments which were 1Hz0.5g, 2Hz0.5g,1Hz1g.With data displayed that, when the amplitude increased from 0.5g to 1g,the growth in acceleration was nearly 50%,when the frequency was increased from 1Hz to 2Hz, the growth in acceleration was more than 50%. The test of reality and simulation were both carried out under the conditions of 5km / h and 8km / h, the simulation results conformed to the actual situation nearly.

Key words：car sprayer; virtual prototyping ; joint simulation; real-time simulation; road spectrum

中圖分類號(hào)：S491；S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)08-0227-05

作者簡(jiǎn)介：吳偉斌(1978-)，男，廣東中山人，教授，博士，(E-mail)wuweibin@scau.edu.cn。通訊作者：洪添勝(1955-)，男，廣東梅縣人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)tshong@scau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203016,201403036)；廣東省惠州市產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2013B050013015)；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD16B0103)

收稿日期：2015-07-20