高射程噴霧機優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)

施明宏 蔣雪松 許林云 周宏平

摘要：作為林業(yè)高校林業(yè)機械專業(yè)的必修實驗課，高射程噴霧機優(yōu)化設(shè)計實驗存在諸多實驗教學(xué)難點。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用為解決這些教學(xué)難點提供了新的思路。文章闡述的高射程噴霧機優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)將分成三大模塊，通過虛實結(jié)合的方式進行高射程噴霧機的設(shè)計、加工、組裝和測試過程，幫助學(xué)生提升專業(yè)知識及專業(yè)技能。

關(guān)鍵詞：高射程噴霧機;優(yōu)化設(shè)計;虛擬仿真;實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0271-02

高大林木病蟲害防治亟待解決的兩大難題是射程和覆蓋率。高射程噴霧機優(yōu)化設(shè)計實體實驗針對這兩大難題對噴霧機風(fēng)筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，以改善風(fēng)筒內(nèi)部氣流特性，減少風(fēng)能損失，提高出口風(fēng)速，將經(jīng)過供藥系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)霧化后的農(nóng)藥霧滴輸送至防治目標;同時通過風(fēng)筒的上下擺動，可實現(xiàn)高大林木樹冠噴霧全覆蓋，從而達到防治目的和防治效果。本文基于虛擬仿真技術(shù)對高射程噴霧機進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計模塊包括實驗簡介模塊、各組件優(yōu)化設(shè)計模塊、整機虛擬組裝模塊和性能測試模塊等幾大功能模塊。

一、高射程噴霧機實體實驗現(xiàn)狀

高射程噴霧機優(yōu)化設(shè)計實驗在培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力、創(chuàng)新開發(fā)能力和綜合運用能力方面發(fā)揮了積極作用。但林產(chǎn)過程裝備實驗耗時長，存在能耗大、高危險等問題，不適宜常規(guī)實驗教學(xué)[1]。本實體實驗無法有效開展的原因在于：（1）噴霧機設(shè)計、加工、組裝歷程長：每個學(xué)生都要經(jīng)歷設(shè)計、優(yōu)化、加工、組裝、林間驗證過程，時間長達4—6個月。（2）空間受限，測試難度大：根據(jù)國家標準，噴霧高度應(yīng)在靜風(fēng)條件下測試。本項目對應(yīng)的實體實驗需建設(shè)高度為50米以上的室內(nèi)實驗場地，目前國內(nèi)外均無相應(yīng)的實驗條件。（3）病蟲害發(fā)生季節(jié)性強，農(nóng)藥噴霧中毒風(fēng)險高：實體實驗無法隨時隨地檢驗施藥防治病蟲害的效果，環(huán)境和學(xué)生安全防護壓力大。

因此，單純依賴現(xiàn)有實體實驗無法完成教學(xué)內(nèi)容，更無法達到實驗?zāi)康?，可采用信息化手段和虛擬仿真技術(shù)，通過虛實結(jié)合的實驗手段，針對不同的防治對象，實時、精準、直觀地體現(xiàn)每一步驟的設(shè)計效果，從而縮短了實驗周期，降低實驗成本。虛擬仿真實驗為學(xué)生獨立自主地進行學(xué)習(xí)與實踐創(chuàng)造了良好的條件，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實際應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)[2]。

二、實驗設(shè)計思路及內(nèi)容

本實驗應(yīng)用信息化技術(shù)，模擬實際的高射程噴霧機設(shè)計、加工、組裝、操作全過程，帶給學(xué)生身臨其境般的實訓(xùn)體驗，可有效提高實驗教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生掌握林業(yè)機械設(shè)計及其加工技術(shù)的能力。高射程噴霧機實體實驗為虛擬仿真實驗提供后臺數(shù)據(jù)庫，該虛擬實驗采用分模塊化設(shè)計，各組件優(yōu)化設(shè)計模塊、整機虛擬組裝模塊和性能測試模塊。

（一）各組件優(yōu)化設(shè)計模塊

高射程噴霧機由發(fā)電機組、噴霧系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)、供藥系統(tǒng)、風(fēng)筒擺動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，具體包括風(fēng)機、整流體、收縮筒、導(dǎo)流葉片、藥泵、噴頭組件、藥箱、底盤、支架、風(fēng)筒擺動機構(gòu)、發(fā)電機組、控制器與操作面板、操作器、工具箱等部件。實驗主要圍繞“噴霧射程”和“噴霧覆蓋率”兩個終極目標對機器進行優(yōu)化設(shè)計。

1.樹木形態(tài)參數(shù)測量。以行道樹實驗場景為例，場景中出現(xiàn)大量蟲害，亟待進行有效防治，在界面中，學(xué)生可任意選取一棵樹，個性化隨機顯示標尺測量出樹高和冠高的具體數(shù)值。例：測得樹高為20m，冠高為10m。學(xué)生隨機點擊測量樹高，顯示標尺測量出具體數(shù)值為15米到40米之間，明確防治裝備設(shè)計要求：大型車載、移動速度可調(diào)、效率高、射程高、穿透性好，從而確定高射程噴霧機為適應(yīng)的防治裝備。

2.風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計——確定風(fēng)機型號。風(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓影響霧滴的大小和噴霧機的噴幅、射程，對改進風(fēng)機結(jié)構(gòu)、改善高射程噴霧機性能具有重要的意義[3]。

第一步是風(fēng)筒直徑的確定，風(fēng)筒直徑是確定風(fēng)送系統(tǒng)最關(guān)鍵的參數(shù)，學(xué)生根據(jù)《林業(yè)機械》教材中的紊流自由射流理論相關(guān)計算公式計算出風(fēng)筒直徑，并進行圓整，根據(jù)直徑系列進行選型。

學(xué)生通過風(fēng)筒直徑和風(fēng)量的計算值，按風(fēng)機第一優(yōu)先系列進行選型。根據(jù)垂直射程和水平射程之間的關(guān)系：垂直射程一般為水平射程的2/3，判定初步選定的風(fēng)機對應(yīng)的射程能否滿足樹高噴霧要求，然后進行水平射程測試，測試過程中若“無法滿足”，則需進行優(yōu)化設(shè)計。

3.風(fēng)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及效果測試——收縮筒角度確定。實驗界面中設(shè)置“相關(guān)設(shè)計說明”欄，學(xué)生在設(shè)計之前“參看相關(guān)設(shè)計說明”可幫助學(xué)生獲取不同收縮筒角度下的流場仿真，輔助學(xué)生進行收縮筒角度的優(yōu)化，由氣流場仿真圖可知收縮筒角度的優(yōu)化可有效提高風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速。研究收縮筒角度和風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速增量之間的關(guān)系，針對不同的收縮筒角度進行5次單因子實驗，記錄并填寫實驗數(shù)據(jù)。

將收縮筒角度值和風(fēng)速增量值進行曲線擬合，學(xué)生通過擬合曲線研究風(fēng)速增量和收縮筒角度之間的規(guī)律，從而判斷收縮筒角度的優(yōu)化范圍，并確定優(yōu)化值。

4.構(gòu)優(yōu)化及效果測試——整流體設(shè)計?；贑FD（Computational Fluid Dynamics）仿真考查整流體形狀對流場的影響，整流體設(shè)計分為不加整流體、加圓柱形整流體、加錐形整流體三種情況。

針對不同形狀的整流體，系統(tǒng)進行水平射程的實時測試，提示學(xué)生當前的水平射程具體數(shù)值。

5.構(gòu)優(yōu)化及效果測試——確定導(dǎo)流葉片數(shù)量。導(dǎo)流葉片的設(shè)置可有效地將由風(fēng)機產(chǎn)生的高速旋轉(zhuǎn)氣流的周向運動轉(zhuǎn)化為軸向運動，從而降低能耗，提高風(fēng)筒出口風(fēng)速。學(xué)生在設(shè)計過程中，點擊“參看相關(guān)設(shè)計說明”按鈕可幫助學(xué)生獲取不同導(dǎo)流片數(shù)量下的流場仿真情況。權(quán)衡整流效果及邊界層效應(yīng)的導(dǎo)流葉片數(shù)量設(shè)計，不僅要考慮風(fēng)筒內(nèi)部的流場變化，還應(yīng)考慮實際生產(chǎn)成本，導(dǎo)流葉片數(shù)量越多，氣流場越均勻可靠，但同時也增加了耗材，因此導(dǎo)流葉片的選取滿足射程即可。

風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計完成后進行總體優(yōu)化效果檢測實驗。系統(tǒng)進行水平射程的實時測試，提示學(xué)生當前的水平射程具體數(shù)值，如射程達不到要求，可以重新進行相關(guān)裝置的優(yōu)化設(shè)計。

6.風(fēng)筒擺動系統(tǒng)設(shè)計——搖桿機構(gòu)設(shè)計。為滿足高大林木噴霧覆蓋面要求，必須對風(fēng)筒擺動系統(tǒng)進行設(shè)計。根據(jù)樹高、樹冠等實驗初始階段獲得的重要指標，計算風(fēng)筒擺動機構(gòu)的仰角上限、下限等關(guān)鍵參數(shù)，并根據(jù)《機械原理》中的平面連桿機構(gòu)知識點和樹木高度、樹冠特征對擺動系統(tǒng)進行設(shè)計，實現(xiàn)風(fēng)筒的上下擺動，達到樹冠噴霧全覆蓋的目的。

7.供藥系統(tǒng)設(shè)計。供藥系統(tǒng)分為噴頭、藥泵和藥箱。學(xué)生根據(jù)噴頭類型對應(yīng)的噴霧特性，進行噴頭選型設(shè)計;根據(jù)風(fēng)筒直徑計算最大噴藥量，確定藥泵型號，進行藥泵選型;根據(jù)風(fēng)筒直徑計算最小噴藥量，確定藥箱容積。

8.整機動力設(shè)計——發(fā)電機組功率確定。綜合考慮風(fēng)機藥泵、搖擺機構(gòu)的動力，確定發(fā)電機組的功率。

（二）噴霧機整機組裝

在完成各組件優(yōu)化設(shè)計模塊后，學(xué)生將對風(fēng)送系統(tǒng)、供藥系統(tǒng)、風(fēng)筒擺動系統(tǒng)等各組件進行組裝。

（三）達成度判別

達成度判別主要考查兩個核心指標：一是噴霧射程（風(fēng)送系統(tǒng)）是否達到要求，即風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計得是否合理;二是噴霧覆蓋面是否達到要求，即風(fēng)筒擺動角度設(shè)計得是否合理，通過病蟲害的防治效果檢驗噴霧對樹冠的覆蓋程度，從而考查曲柄搖桿機構(gòu)（噴筒的擺動角度）的設(shè)計效果。

學(xué)生確認完成實驗后，系統(tǒng)自動生成實驗報告，包括各實驗流程及設(shè)計參數(shù)值;同時生成學(xué)生課后習(xí)題界面，供學(xué)生對知識點的鞏固及專業(yè)技能的提高。

三、結(jié)語

高射程噴霧機優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真實驗涉及環(huán)節(jié)綜合性強，關(guān)聯(lián)度高，通過虛擬及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)直觀地展現(xiàn)了高射程噴霧機的系統(tǒng)構(gòu)成、整機及各部件的工作原理，能讓學(xué)生實時體驗優(yōu)化設(shè)計效果，并通過整機的達成度檢驗驗證學(xué)生對機器優(yōu)化設(shè)計的成效，最后通過實驗報告、實驗習(xí)題等各種人性化服務(wù)環(huán)節(jié)使學(xué)生的專業(yè)知識和專業(yè)技能得到有效鞏固和顯著提升，更激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，可大大提高專業(yè)的實際教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻：

[1]陳青，蔣雪松，許林云，等.虛擬仿真技術(shù)在林業(yè)機械課程教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].當代教育實踐與教學(xué)研究，2018，（3）.

[2]程思寧，耿強，姜文波，等.虛擬仿真技術(shù)在電類實驗教學(xué)中的應(yīng)用與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2013，（07）：94-97.

[3]劉秀娟，茹煜，鄭加強，等.高射程噴霧機射流規(guī)律和射程的研究[J].農(nóng)機化研究，2011，33（3）：143-145.