噴桿式噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)三向力的測量與分析

張安東,邱白晶,童　翔，蔡彥倫

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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噴桿式噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)三向力的測量與分析

張安東,邱白晶,童翔，蔡彥倫

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：針對3WPJ-500D噴桿式噴霧機(jī)在生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的操控穩(wěn)定性差問題，從噴霧桿式噴霧機(jī)在田間作業(yè)時(shí)藥箱內(nèi)藥液晃動(dòng)產(chǎn)生的附加作用力入手探索，研制了專用的三向力傳感器。通過田間試驗(yàn)測量3WPJ-500D噴桿式噴霧機(jī)在3種行駛速度和6種加液量情況下的藥箱藥液晃動(dòng)三向力。藥箱藥液晃動(dòng)三向力是一種交變載荷，總體上隨加液量和行駛速度的增加而增大。其中， x方向力的峰值為2 025N，出現(xiàn)在400L加液量、4.78km/h速度工況下；y方向力和z方向力的峰值分別為1 817N和596N，均出現(xiàn)在500L加液量、4.78km/h速度工況下。經(jīng)計(jì)算，噴霧機(jī)500L加液量、4.78km/h速度行駛時(shí)的藥箱藥液晃三向力的合力最大值達(dá)到2 155N。試驗(yàn)結(jié)果表明：相同工況下同時(shí)獲得的藥箱藥液晃動(dòng)三向力數(shù)據(jù)的峰值出現(xiàn)的時(shí)刻并不一致，但主要的波峰和波谷在相位上接近。該研究可為進(jìn)一步研究藥箱藥液晃動(dòng)力對噴霧機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響以及新型噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：噴桿式噴霧機(jī)；藥箱藥液晃動(dòng)三向力；三向力傳感器；峰值；合力

0引言

液體晃動(dòng)產(chǎn)生的附加作用力會影響整個(gè)載液系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為。P.K.Panigrahy[1]設(shè)計(jì)了一套帶有曲柄連桿機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)裝置激勵(lì)平放矩形液箱，測量分析了不同深度液體晃動(dòng)對箱壁施壓的情況。Zhou L[2]分析指出部分充液的阻尼衛(wèi)星在外界干擾下液體晃動(dòng)會導(dǎo)致衛(wèi)星運(yùn)行軌跡的明顯不平衡，并仿真驗(yàn)證了阻尼衛(wèi)星的混沌運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。液體晃動(dòng)問題在液罐車運(yùn)輸領(lǐng)域有廣泛的研究。劉奎等[3-4]采用VOF模型對罐車液體的晃動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算了制動(dòng)和轉(zhuǎn)向時(shí)罐車的受力與軸荷分布，提出應(yīng)加設(shè)防波板遏制罐內(nèi)液體的晃動(dòng)。王云鵬[5]分析了液罐車側(cè)傾時(shí)的受力情況，在ADAMS平臺上仿真分析了不同載液量和行駛速度下液罐車的轉(zhuǎn)向和移線工況，結(jié)果表明：載液量和行駛速度的增加都會加大液罐車側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。而對于藥箱占比很大的小型噴桿式噴霧機(jī)未見相關(guān)研究。噴桿式噴霧機(jī)高重心、窄輪距、寬噴桿、載液重的特點(diǎn)使其作業(yè)姿態(tài)更易受到自身藥箱內(nèi)液體晃動(dòng)力的影響，降低其行駛穩(wěn)定性，增加駕駛員的操作難度和危險(xiǎn)。而噴霧機(jī)的機(jī)組運(yùn)動(dòng)又直接影響噴霧沉積均勻性[6-7]。因此，噴桿式噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)問題不可忽略，對其研究具有重要實(shí)際意義。

本文提出一種基于應(yīng)變測量原理[8-9]的噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)力測量方法，設(shè)計(jì)了三向力傳感器，通過田間試驗(yàn)采集了各工況下的藥液晃動(dòng)三向力信息，以期為今后噴桿式噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供依據(jù)。

1三向力傳感器的設(shè)計(jì)

1.1　試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)樣機(jī)選擇3WPJ-500D噴桿式靜電噴霧機(jī)，主要參數(shù)如表1所示。液體晃動(dòng)的動(dòng)壓力難以直接監(jiān)測，本傳感器的設(shè)計(jì)思路是通過測量藥箱的受力來間接獲取藥液晃動(dòng)的附加作用力。對噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)進(jìn)行力學(xué)分析，如圖1所示。

表1　噴桿式噴霧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

由于噴霧機(jī)在田間行駛時(shí)藥箱內(nèi)藥液呈三維運(yùn)動(dòng)[10]，藥箱在各個(gè)方向上都會受到藥液的沖擊?？紤]到液體質(zhì)心在三維坐標(biāo)系下的變化，這里重點(diǎn)關(guān)注藥箱所受的3個(gè)軸向力Fx、Fy和Fz。因此，首先要求所設(shè)計(jì)傳感器要在承載藥箱的基礎(chǔ)上接受藥液晃動(dòng)傳遞給底盤的作用力，其次對噴霧機(jī)原有結(jié)構(gòu)改動(dòng)小以免使測量結(jié)果失真，即滿足強(qiáng)度和安裝兩個(gè)要求。

1.藥箱　2.藥箱支架　3.噴桿機(jī)架　4.傳感器　5.底盤機(jī)架

1.2　三向力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布片

根據(jù)噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)力學(xué)模型，此傳感器的結(jié)構(gòu)和布片不僅要滿足3個(gè)軸向測量方向靈敏度，還應(yīng)盡量減少非測量力矩的干擾并減小各測量力之間的耦合。傳感器結(jié)構(gòu)與橋路組合如圖2、圖3所示。

圖2　傳感器結(jié)構(gòu)及應(yīng)變片布片示意圖

(a)x方向測量橋路(b)y方向測量橋路(c)z方向測量橋路

Ux、Uy、Uz.x、y、z方向橋路的輸出電壓E.直流電源

圖3傳感器測量橋路

Fig.3Bridge circuit of sensor

傳感器是由上板、側(cè)板和下板組成的整體對稱結(jié)構(gòu)。上板作為加載端與藥箱支架相連，下板作為固定端與底盤機(jī)架相連，連接方式為螺栓連接，4塊側(cè)板作為應(yīng)變梁接受晃動(dòng)力并產(chǎn)生應(yīng)變，4塊側(cè)板兩兩垂直保證對不同方向力不同的敏感程度。其中，4塊側(cè)板的厚度為3mm，上板的厚度為10mm，下板厚度為8mm，以減小受力時(shí)加載端和固定端的變形，保證應(yīng)變主要發(fā)生在4塊側(cè)板上。傳感器彈性體材料選擇Q235，此鋼材的強(qiáng)度、塑性和焊接等綜合性能較佳。傳感器的主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。

圖4　傳感器主要尺寸

2三向力傳感器的標(biāo)定解耦

2. 1　三向力傳感器的耦合分析

盡管在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布片方式等方面已經(jīng)考慮了力與力之間的干擾問題，但實(shí)際上，力的相互作用不可能完全靠結(jié)構(gòu)或布片消除。因此，在實(shí)際測量之前必須通過標(biāo)定找到所測力與傳感器電壓輸出之間的關(guān)系，以便在對測量量進(jìn)行換算時(shí)修正或消除干擾[12-13]。傳感器的輸出電壓和三向力的實(shí)際關(guān)系為

(1)

其中，Ux、Uy、Uz為各橋路電壓輸出，令式(1)中的3階矩陣為解耦矩陣C，Cxx、Cxy、…、Czz為C中元素。其中，Cxx表示x方向施加的載荷與x方向輸出電壓間的系數(shù)；Cxy表示x方向施加的載荷與y方向輸出電壓間的系數(shù)，其他系數(shù)以此類推。因此，解耦矩陣C中的9個(gè)元素可以通過靜態(tài)標(biāo)定獲得。

2.2　三向力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定

本標(biāo)定試驗(yàn)在江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行，方法是依次在傳感器的x、y、z3個(gè)方向上加載和卸載定值砝碼[14]，記錄每次加載(卸載)時(shí)3個(gè)橋路上的電壓輸出，正負(fù)方向各重復(fù)標(biāo)定3次；采樣頻率為100Hz，放大倍數(shù)10。

傳感器x方向標(biāo)定結(jié)果如圖5所示。x方向橋路輸出電壓的絕對值Ux(mV)與縱向載荷Fx(N)的線性關(guān)系為

y=0.169x-0.563

(2)

相關(guān)系數(shù)R2=0.998。此時(shí)， y方向橋路輸出電壓及z方向橋路輸出電壓與縱向載荷的關(guān)系分別為y=0.012x+0.108，y=0.045x+1.492。

圖5　傳感器x方向標(biāo)定曲線

傳感器y方向標(biāo)定結(jié)果如圖6所示。y方向橋路輸出電壓的絕對值Uy(mV)與橫向載荷Fy(N)的線性關(guān)系為

y=0.046x+1.910

(3)

相關(guān)系數(shù)R2=0.991。此時(shí)，x方向橋路輸出電壓及z方向橋路輸出電壓與縱向載荷的關(guān)系分別為y=0.012x+0.107，y=0.045x+1.492。

傳感器z方向標(biāo)定結(jié)果如圖7所示。y方向橋路輸出電壓的絕對值Uz(mV)與橫向載荷Fz(N)的線性關(guān)系為

y=0.225x+3.272

(4)

相關(guān)系數(shù)R2=0.992。此時(shí)，x方向橋路輸出電壓及y方向橋路輸出電壓與縱向載荷的關(guān)系分別為y=0.043x-2.720，y=0.024x-2.276。

圖6　傳感器y方向標(biāo)定曲線

圖7　傳感器y方向標(biāo)定曲線

故根據(jù)各方向標(biāo)定數(shù)據(jù)的擬合曲線，得到傳感器的輸出電壓和三向力間的關(guān)系為

(5)

3噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)三向力測量試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)測量噴桿式噴霧機(jī)0~500L(步長100L)，6種加液量，I擋(2.59km/h)、II擋(3.40km/h)、III擋(4.78km/h)，3種速度直線行駛工況下的藥液晃動(dòng)三向力，行駛速度在試驗(yàn)前進(jìn)行標(biāo)定[15]。

試驗(yàn)場地為江蘇省鎮(zhèn)江市一塊100m×200m的閑置田塊。用米尺量出100m長度作為數(shù)據(jù)采樣區(qū)，前后各留出20m的范圍供噴霧機(jī)加減速和轉(zhuǎn)彎。試驗(yàn)場地設(shè)計(jì)如圖8所示。

與三向力傳感器配套使用的數(shù)據(jù)采集儀和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀通過纖維繩固定在噴霧機(jī)上，并在其與噴霧機(jī)之間加墊隔震材料。三向力傳感器通過螺栓安裝在藥箱支撐架正下方的噴霧機(jī)底盤機(jī)架上，安裝時(shí)各螺栓給予一定的預(yù)應(yīng)力。測量裝置的布置如圖9所示。

圖8　試驗(yàn)場地設(shè)計(jì)

1.三向力傳感器　2.噴霧機(jī)底盤機(jī)架　3.藥箱支架

3.2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)50Hz低通濾波處理并按式(5)換算后，得到的結(jié)果顯示噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)三向力是一種呈隨機(jī)變化的交變載荷。當(dāng)藥箱加液量為0L時(shí)傳感器也有一定的輸出，這是水箱支架和藥箱自身造成的，此時(shí)的輸出量最小?？傮w上藥箱藥液晃動(dòng)三向力有隨加液量和速度的增加而增大的趨勢，但其峰值是隨機(jī)出現(xiàn)的。x方向力的峰值出現(xiàn)在噴霧機(jī)III擋(4.78km/h)速度行駛，加液量400L的工況下，值為2 025N；y方向力的峰值出現(xiàn)在噴霧機(jī)在III擋(4.78km/h)速度，加液量500L的工況下，其值為1 817N；z方向力的峰值出現(xiàn)在噴霧機(jī)在III擋(4.78km/h)速度，加液量500L的工況下，其值為-596N。因此，藥箱藥液晃動(dòng)三向力的最大值出現(xiàn)在x方向，其大小相當(dāng)于噴霧噴霧機(jī)滿載質(zhì)量的25.3%。圖10為滿載(500L)加液量，III擋(4.78km/h)速度工況的三向力時(shí)域數(shù)據(jù)。

可見，最大載液量和最高速度工況的x方向力最值為1 939N，y方向力最值為1 817N，z方向力最值為-596N。但是，三向力最值出現(xiàn)的時(shí)刻不完全一致。對該工況下的三向力數(shù)據(jù)求合力，有

(6)

其中，F(xiàn)i為某時(shí)刻藥液晃動(dòng)力(N)；F1、F2、F3分別對應(yīng)藥箱藥液晃動(dòng)的x方向力、y方向力和z方向力；F0為該時(shí)刻合力值(N)。500L加液量，III擋(4.78km/h)速度工況下合力的計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

(a)　x方向力

(b)　y方向力

(c)　z方向力

圖11　500L加液量、III擋(4.78km/h)速度下藥箱藥液晃動(dòng)合力

從藥箱藥液晃動(dòng)三向力的合力計(jì)算結(jié)果可知：500L加液量、4.78km/h行駛速度時(shí)合力的最大值為2 155N。雖然同一工況下同一次測得的藥箱藥液晃動(dòng)三向力最值的出現(xiàn)有時(shí)刻差別；但是，由于藥箱內(nèi)藥液的晃動(dòng)是一個(gè)整體連續(xù)的過程，藥液在各個(gè)方向上的晃動(dòng)同時(shí)發(fā)生，可見三向力時(shí)域數(shù)據(jù)中主要的波峰和波谷的出現(xiàn)在相位上是相近的。

4結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種用于測量噴桿式噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)力的應(yīng)變式三向力傳感器，并通過田間試驗(yàn)測得噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)三向力是一種交變載荷。噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)三向力有隨加液量和速度的增加而增大的趨勢，但峰值隨機(jī)出現(xiàn)。其最大值為III擋(4.78km/h)速度行駛、加液量400L的工況下的x方向力，幅值為2 025N，相當(dāng)于噴霧機(jī)滿載整機(jī)重量的20.3%。

2)500L加液量、III擋(4.78km/h)速度工況下，三向力合力的最大值為2 155N。相同工況下同時(shí)測量的藥箱藥液晃動(dòng)三向力數(shù)據(jù)最值的出現(xiàn)時(shí)刻不完全一致，但各方向力時(shí)域數(shù)據(jù)中主要的波峰和波谷相位接近。

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Measuring and Analyzing Liquid-sloshing Three-axis Force of Boom Sprayer

Zhang Andong, Qiu Baijing, Tong Xiang, Cai Yanlun

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education & Jiangsu Province, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：To explore the poor handling stability problems of 3WPJ - 500D boom sprayer that reflects in reproduction practice, this paper conduct the exploratory research about the additional force produced by liquid sloshing in a moving sprayer’s tank. In this paper a triaxial forces sensor for measuring liquid-sloshing three-axis force had been developed. Liquid-sloshing three-axis forces are measured in three gears of velocity, six levels of liquid volume of 3WPJ-500D boom sprayer, got the conclusion that the liquid-sloshing three-axis force is a kind of alternating load and it tend to increase with the rise of velocity and liquid volume. The peak value of x-axis force was 2025N which appeared in the condition of 400L liquid load and 4.78km/h running speed. The peak values of y-axis force and y-axis force were 1817N and -596N, respectively. They all happened in the condition of 500L liquid load and 4.78km/h running speed. The resultant force of liquid-sloshing three-axis forces in full load and 4.78km/h speed had been calculated. The maximum value of the resultant force can reach 2155N.The peak values of liquid-sloshing three-axis forces which measured in the same condition at the same time didn’t appear in same temporal points, but their main peaks and valleys had similar phase positions. This research provides basis for the further study of the kinematic and dynamic theories of boom sprayer and offers payload data for the development of innovative boom sprayer.

Key words：boom sprayer； liquid-sloshing three-axis force； triaxial forces sensor; peak value； resultant force

中圖分類號：S491

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0108-05

作者簡介：張安東(1990-),男，安徽蕪湖人，碩士研究生，(E-mail) 714054949@qq.com。通訊作者：邱白晶(1961-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，教授，博士，(E-mail)qbj@ujs.edu.cn。

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程項(xiàng)目(NJ2015-02)

收稿日期：2015-10-29