高地隙噴霧機雙平行四桿噴霧支架平穩(wěn)性結構分析

殷夢杰，宋帥帥，楊 欣，左厚澤

(河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071000)

0 引言

近幾年，國內(nèi)外相關機構針對高地隙噴霧機的平穩(wěn)性問題進行了大量研究，石河子大學許超、陳永成等人及江蘇大學陳樹人、韓紅陽、陳剛等人針對行走平穩(wěn)性問題對高地隙噴霧機的底盤、機架等部分進行了相關研究，但對噴霧支架部分的研究涉獵較少[1-2]。而作為高地隙噴霧機，噴霧支架的穩(wěn)定性是十分重要的，其性能決定了施藥效果的好壞。雙平行四桿機構是構成舉升機構噴霧支架的重要組成部分，在作業(yè)過程中能夠根據(jù)作物情況進行高度調(diào)節(jié)，其性能決定了施藥效果的好壞。為了解決高地隙噴霧機械行走平穩(wěn)性的實際問題，通過對初始樣機進行分析，找到桿件薄弱的位置并對桿件進行加強。通過數(shù)次優(yōu)化，使樣機整體的平穩(wěn)性得到更好的改善。

1 噴霧吊桿的設計

1.1 雙平行四連桿機構的設計

雙平行四連桿機構主要包括噴桿連接件、下擺動桿、升降油缸、底盤連接件、上擺動桿、結構加強板及加強橫桿，如圖1所示。噴桿連接件、擺動桿、噴桿連接件組成一個平行四邊形。底盤連接件與高地隙底盤前橫梁相連接，升降油缸兩端分別與平行四邊形結構的擺動桿相連接，通過升降油缸的伸縮推動擺動桿較小的行程即可完成很大的擺動角，從而使噴桿支撐架得到足夠大的位移行程。由于該四連桿機構為平行四邊形結構，底盤連接件固定在底盤橫梁上，當升降油缸通過伸縮驅(qū)動擺動桿進行升降，另一端的噴桿連接件可以與地面始終保持垂直狀態(tài)；當噴桿支撐架懸掛在連接桿上時，噴頭可以一直與地面保持垂直狀態(tài)，從而保證了噴頭可以在不同地面情況下始終保持高效的噴灑作業(yè)，從而提高噴霧效率。

1.噴桿連接件 2.下擺動桿 3.升降油缸 4.底盤連接件 5.加強橫桿 6.結構加強板 7.上擺動桿圖1 平行四連桿機構Fig.1 Double parallel four-bar mechanism

1.2 雙四連桿機構的有限元建模、應力分析和優(yōu)化

1.2.1 雙四連桿機構幾何模型的建立

本文采用有限元的方法研究雙四連桿機構的受力情況。雙四連桿機構的幾何模型是采用AIP三維設計軟件建立的[4]，并將構成雙四連桿機構的主要鋼管厚度定義為變量，初始值為雙四連桿機構實際結構的鋼管厚度(見表1)，其余非主要部件厚度按實際結構定義為定量，最終在其workbench模塊進行應力分析。

表1 雙四連桿機構模型主要變量的初始參數(shù)

1.2.2 有限元模型參數(shù)定義與網(wǎng)格劃分

雙四連桿機構材料為Q235鋼，則定義模型的參數(shù):密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.25。把AIP三維設計軟件導入其Workbench模塊并對其進行自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格設置參數(shù)如圖2所示。最終所得有限元模型元素為63 766，節(jié)點數(shù)為120 208。

圖2 網(wǎng)格設置參數(shù)Fig.2 The grid settings

1.2.3 雙四連桿機構應力分析

雙平行四連桿結構是連接高地隙底盤和噴桿的重要結構，起到支撐和調(diào)節(jié)高度的作用。施加載荷和約束：雙四連桿機構通過底盤連接件與高地隙地盤相連，故將底盤連接件設置為固定，考慮到噴桿質(zhì)量約為300kg，故分別在噴桿連接件上施加2 000N的力。

表2列出了初始雙四連桿機構應力分析結果，相應云圖如圖3所示。

當安全系數(shù)大于1才能滿足要求[3]。 由表2知:雙四連桿機構的安全系數(shù)為 0.8，即雙四連桿機構穩(wěn)定性較差。

表2 初始雙四連桿機構應力分析結果

(a) 等效應力

(b) 位移

(c) 安全系數(shù)圖3 初始雙四連桿機構應力分析圖Fig.3 The initial stress analysis diagram double four-barmechanism

1.2.4 雙四連桿機構優(yōu)化

考慮到雙四連桿機構的外形結構不應有重大的改變，故將擺動桿、連接桿及加強板所用鋼管或鋼板的厚度定義為設計變量，部件優(yōu)化結果如表3所示。參數(shù)優(yōu)化結構如表4所示。由表3可知：在雙四連桿機構總質(zhì)量增加2.4%的情況下，其安全系數(shù)從0.8增加到了1.16，滿足設計要求。

表3 雙四連桿部件優(yōu)化結果

表4 雙四連桿參數(shù)優(yōu)化結果

2 帶有雙平行四桿結構的吊桿結構模態(tài)分析

2.1 有限元模型的建立

采用AIP三維設計軟件建立帶有雙平行四桿結構的噴霧吊桿結構有限元模型，并對模型進行了以下優(yōu)化：

1)對噴霧吊桿結構靜動態(tài)特性影響很小的構件予以忽略。

2)把噴霧吊桿結構的彎曲桿件簡化成直梁桿件。

3)將噴霧吊桿結構上的圓弧過度簡化為直角過度。

4)對于噴霧吊桿結構上的孔結構，如果孔的尺寸相對于其所在部件相對較小，則可忽略；如果孔的尺寸相對于其所在部件比較大，則看是否對會對局部結構的剛度和強度產(chǎn)生影響，如果產(chǎn)生影響則要予以保留。

5)對于噴霧吊桿結構上有一些主要起到連接或固定作用的附件，針對這些不承受力或承受力較小以至于可以忽略的零件，在不影響分析的精度的情況下，對其進行簡化以減小占用計算空間和縮短分析時間。

2.2 有限元模型參數(shù)定義與網(wǎng)格劃分

噴霧吊桿結構材料為Q235鋼，則定義模型的參數(shù):密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.25。把AIP三維設計軟件導入其Workbench模塊并對其進行自由網(wǎng)格劃分。最終所得有限元模型元素為518 784，節(jié)點數(shù)為959 962。

2.3 有限元模態(tài)分析

模態(tài)分析主要確定部件的固有頻率與振型，從而確保一定頻率范圍內(nèi)不會發(fā)生共振[9]。為了對噴桿的動態(tài)特性進行研究，將底盤連接件設置為固定并采用分塊蘭索斯法(Block Lanczos)提取噴桿模型前8階模態(tài)，圖4所示為前2階模態(tài)振型。

Clijmans指出，由于輪胎具有低通濾波性，行走底盤在田間作業(yè)時受到的激勵一般小于10Hz[5-6]。由于桿與高地隙底盤之間無懸掛裝置，不平路面對高地隙底盤的激勵會直接傳遞給噴霧吊桿，由于該噴霧吊桿的一階模態(tài)頻率為12.49Hz，大于10Hz(見表5)，故本噴霧吊桿結構在田間作業(yè)時相對穩(wěn)定,不易產(chǎn)生變形。

(a) 1階振型

(b) 2階振型圖4 噴霧吊桿數(shù)值模態(tài)分析的前2階振型Fig.4 First two mode shapes of spray boom by modal calculation表5 噴霧吊桿前8階模態(tài)頻率Table 5 The spray boom before 8 order modal frequency

模態(tài)階數(shù)頻率值/Hz模態(tài)階數(shù)頻率值/Hz112.49212.53313.42415.72515.80623.88727.63833.80

3 試驗

經(jīng)過上述計算和分析，雙平行四桿改進結構參數(shù)最終確定，主要參數(shù)如表6所示。根據(jù)表6參數(shù)，生產(chǎn)廠家對樣機進行了生產(chǎn)制造，并根據(jù)載荷與作業(yè)情況進行了性能試驗，如圖5所示。

表6 噴霧吊桿最終結構參數(shù)

圖5 田間噴霧試驗Fig.5 Field experiment

從噴霧吊桿展開到施藥噴霧的整個試驗過程中可知，噴霧吊桿施藥過程可靠穩(wěn)定，雙平行四桿結構設計合理，并達到了設計要求。

4 結論與展望

4.1 有限元模態(tài)分析

帶有雙平行四桿結構的噴霧吊桿作為主要研究對象，應用AIP軟件對其進行了三維建模設計，對雙平行四連桿機構進行了應力分析，對噴霧吊桿整體進行了模態(tài)分析。結果表明：初始雙平行四連桿機構安全系數(shù)不滿足要求，優(yōu)化后雙四連桿機構總質(zhì)量增加了2.4%，安全系數(shù)從0.8增加到了1.16滿足了要求；噴霧吊桿的1階模態(tài)頻率為12.49 Hz，大于10Hz，滿足田間作業(yè)激勵要求，驗證了其結構設計合理性。由于采用三維參數(shù)化設計方法，對于加工制造過程中提出的問題能夠及時快速修改，縮短了設計時間，提高了樣機開發(fā)效率。

4.2 展望

本文對高地隙噴霧機的重要部件進行了理論研究、結構設計與仿真分析，通過改善雙平行四桿結構，改善了噴霧吊桿的平穩(wěn)性，提高了噴霧機械的噴灑作業(yè)效率，對今后高地隙噴霧機的發(fā)展起到了一定的促進作用。

參考文獻：

[1] 韓紅陽, 陳樹人,邵景世，等.機動式噴桿噴霧機機架的輕量化設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2013(3):47-53，293.

[2] 許超,陳永成,李瑞敏，等.高地隙自走式噴桿噴霧機的設計與研究[J].中國農(nóng)機化學報,2016(1):51-54.

[3] 唐湘民.Autodesk inventor 有限元分析和運動仿真詳解[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2009.

[4] 陳伯雄.Autodesk Inventor Professional 2008機械設計實戰(zhàn)教程 [M].北京:化學工業(yè)出版社,2008.

[5] Clijmans L, Ramon H, de Baerdemaeker J. Structural modification effects on the dynamic behavior of an agricultural tractor[J].Transactions of the ASAE,1998, 41(1) :5-10.

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