基于三獨(dú)立平臺(tái)模擬噴桿裝置研究

王浩宇，馬永偉

（1.江蘇大學(xué)基礎(chǔ)工程訓(xùn)練中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.鎮(zhèn)江三鑫金屬工業(yè)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212011）

基于三獨(dú)立平臺(tái)模擬噴桿裝置研究

王浩宇1，馬永偉2

（1.江蘇大學(xué)基礎(chǔ)工程訓(xùn)練中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.鎮(zhèn)江三鑫金屬工業(yè)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212011）

大型噴桿式植保機(jī)械在田間作業(yè)時(shí)，噴桿運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重影響了噴霧分布。懸架系統(tǒng)是控制噴桿動(dòng)力學(xué)行為的關(guān)鍵裝置，既要隔離來自車體的高頻擾動(dòng)，又要使噴桿跟蹤低頻的地面坡度變化，時(shí)刻保持與植株冠面層平行。為了研究懸架減振系統(tǒng)對(duì)噴桿動(dòng)力學(xué)行為影響機(jī)理，綜合考慮車體運(yùn)動(dòng)耦合作用、地形坡度變化、摩擦等因素，構(gòu)建了三獨(dú)立運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)的疊加，真實(shí)的仿真模擬大型噴霧機(jī)噴桿動(dòng)力學(xué)行為，從而為建立科學(xué)的數(shù)學(xué)模型提供了理論基礎(chǔ)，為研究大型噴桿懸架參數(shù)優(yōu)化配置提供理論依據(jù)與試驗(yàn)平臺(tái)，有利于大型噴桿動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)方法、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的完善。

模擬噴桿；噴桿運(yùn)動(dòng)；擺動(dòng)；傳動(dòng)裝置；試驗(yàn)

我國(guó)是農(nóng)藥使用大國(guó)，由于植保機(jī)械中的施藥器械和技術(shù)落后,農(nóng)藥的利用率很低,只有10%～30%,與發(fā)達(dá)國(guó)家50%的利用率差距大。改進(jìn)施藥機(jī)械或施藥技術(shù),提高農(nóng)藥利用率，對(duì)于節(jié)約成本、保護(hù)環(huán)境意義重大。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境生態(tài)安全和人類健康將更加重視，對(duì)能夠提高農(nóng)藥利用率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度的要求更為強(qiáng)烈。

目前，鑒于我國(guó)植保機(jī)械發(fā)展的現(xiàn)狀，提高施藥器械的綜合性能顯得尤為迫切。而作為施藥器械的核心部件，噴桿的高效精準(zhǔn)動(dòng)作又是改進(jìn)其性能和提高技術(shù)水平的關(guān)鍵因素。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，現(xiàn)有施藥器械的噴桿尺寸小，噴桿動(dòng)作不精準(zhǔn)，尤其復(fù)合運(yùn)動(dòng)的疊加效應(yīng)無法顯現(xiàn)，從而造成了藥物噴灑過程的浪費(fèi)和機(jī)械化水平偏低。

基于三獨(dú)立平臺(tái)模擬噴桿試驗(yàn)裝置，能夠復(fù)合各種運(yùn)動(dòng)形式，真實(shí)的模擬植保機(jī)械噴桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)噴桿的懸掛系統(tǒng)以及高精度、高穩(wěn)定性的噴桿式噴霧機(jī)的研究具有重要意義。

1 三獨(dú)立平臺(tái)模擬噴桿裝置與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

模擬噴桿運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)裝置如圖1 所示，包括機(jī)架4，所述機(jī)架的頂部安裝有噴桿部裝1，噴桿部裝1包括加長(zhǎng)桿、固定裝置、斜撐和主桿，所述主桿的兩端均通過固定裝置與加長(zhǎng)桿固定連接，加長(zhǎng)桿與主桿保持同軸，主桿的中部固定有與主桿垂直的撐管，撐管的頂部和主桿的兩端通過斜撐固定連接，主桿的底部偏心處還設(shè)有旋轉(zhuǎn)吊耳，所述機(jī)架4上還安裝有用于驅(qū)動(dòng)噴桿部裝1進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)的上下擺動(dòng)裝置2、左右擺動(dòng)裝置3、抬升裝置6和傳動(dòng)裝置5。通過設(shè)置的上下擺動(dòng)裝置、左右擺動(dòng)裝置、抬升裝置和傳動(dòng)裝置，能實(shí)現(xiàn)噴桿部裝的上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)和抬升動(dòng)作，能模擬出噴桿部件的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。模擬噴桿通過三個(gè)獨(dú)立平臺(tái)的動(dòng)作，形成繞J軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿J軸的上下移動(dòng)及在繞鉸接點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 三獨(dú)立平臺(tái)模擬噴桿裝置

1.2 工作原理

當(dāng)噴桿部裝1需要進(jìn)行抬升時(shí)，啟動(dòng)抬升裝置6第一伺服電機(jī)601，通過同步帶604的傳遞作用，大同步帶輪6帶動(dòng)傳動(dòng)主軸606轉(zhuǎn)動(dòng)，連接座609同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由于小軸612置于連接座609的偏心位置處，且與連桿611鉸接，在連接座609轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能實(shí)現(xiàn)連桿611的升降運(yùn)動(dòng)，所述連桿611的頂端通過銷軸502與下支座501鉸接由于下支座501是固定安裝在傳動(dòng)裝置安裝板408上的，傳動(dòng)裝置安裝板408與第一光軸403滑動(dòng)連接，在連桿611上升時(shí)，主軸515和軸承座508同步上升，使得安裝在主軸515上的噴桿部裝1進(jìn)行上升運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)噴桿部裝1需要進(jìn)行上下擺動(dòng)時(shí)，在第二伺服電機(jī)201轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上下擺動(dòng)裝置主軸205同步轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪盤207即可與連桿固定軸209進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。由于連桿固定軸209的端部置于上下擺動(dòng)裝置連桿208內(nèi)且與上下擺動(dòng)裝置連桿208轉(zhuǎn)動(dòng)連接，即可實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)裝置連桿208上下運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)主桿105的上下擺動(dòng)。

當(dāng)噴桿部裝1需要進(jìn)行左右擺動(dòng)時(shí)，第三伺服電機(jī)301帶動(dòng)左右擺動(dòng)裝置主軸305轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)圓柱凸輪308同步轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿凸輪滾子部裝307能在凹槽限定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)左右的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述連桿凸輪滾子部裝307的頂部固定安裝在左右擺動(dòng)座512的偏心處，能帶動(dòng)左右擺動(dòng)座512進(jìn)行左右的擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴桿部裝1的左右擺動(dòng)。

圖2 噴桿部裝

圖3 上下擺動(dòng)裝置

圖4 左右擺動(dòng)裝置

圖5 機(jī)架

圖6 傳動(dòng)裝置

圖7 抬升裝置

2 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證可靠性，以圖1所示的三獨(dú)立平臺(tái)模擬噴桿裝置為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，利用三維模型，測(cè)得噴桿繞質(zhì)心Y軸方向慣量Iy＝28700kg·m2。通過六自由度運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)進(jìn)行噴桿運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，六自由度平臺(tái)側(cè)傾角運(yùn)動(dòng)范圍±5°，頻率0.1～10Hz，垂直瞬時(shí)速度1m/s，上下及前后擺動(dòng)角速度10°/s；垂直最大線加速度1g，擺動(dòng)角加速度5rad/s2。通過三個(gè)獨(dú)立平臺(tái)復(fù)合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生繞J軸的瞬態(tài)激勵(lì)，噴桿傾角響應(yīng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)比模型預(yù)測(cè)稍有滯后，主要是由于轉(zhuǎn)動(dòng)副存在摩擦造成。利用三個(gè)獨(dú)立平臺(tái)復(fù)合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行頻率分析，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)輸出繞J軸轉(zhuǎn)角正弦激勵(lì)（幅值01rad），激勵(lì)頻率在0.1～10Hz范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

通過該模擬噴桿運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)裝置，噴桿可以分別實(shí)現(xiàn)三種獨(dú)立運(yùn)動(dòng)形式：垂直升降、前后擺動(dòng)、上下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及三種運(yùn)動(dòng)形式的疊加運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了噴桿運(yùn)動(dòng)軌跡的多樣性。滿足了為實(shí)現(xiàn)噴霧效果而對(duì)噴桿運(yùn)動(dòng)形式的各種要求，從而到達(dá)了噴霧效率的最大化。

通過該模擬噴桿運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)裝置，大尺寸噴桿真實(shí)模擬出噴桿部件的運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)噴桿的懸掛系統(tǒng)以及高精度、高穩(wěn)定性的噴桿式噴霧機(jī)的研究具有重要意義。

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