水田噴霧機噴霧裝置設(shè)計與動態(tài)分析

王金武 白海超 孫小博 王金龍 唐 漢 周文琪

(東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

水稻是中國主要的糧食作物，保證其生長和生產(chǎn)安全對我國糧食安全具有重要意義[1-3]。植保作業(yè)作為水稻生產(chǎn)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，是保證水稻生產(chǎn)安全的重要手段。噴桿噴霧機是應用最廣泛的植保機具，其向大功率、高地隙、寬噴幅方向的發(fā)展，對提高施藥效率、減少作業(yè)過程中對農(nóng)作物的損害具有積極作用[4-6]。

水田作業(yè)環(huán)境復雜多樣，隨著水稻種植規(guī)模的不斷發(fā)展，國內(nèi)主產(chǎn)區(qū)對其田間管理作業(yè)機具尤其是噴桿噴霧機具的需求日漸迫切[7]。傳統(tǒng)噴桿噴霧機其機械式噴桿折疊展開時需用多個液壓油缸來完成動作，致使其存在機構(gòu)同步協(xié)調(diào)操作性差、制造成本高、機具使用可靠性低等問題[8]。在田間噴霧及路面轉(zhuǎn)移過程中，由路面起伏產(chǎn)生的外部激勵會導致噴桿產(chǎn)生振動，尤其是在接近于噴桿固有頻率的地面條件下，噴桿與外部激振頻率發(fā)生耦合，嚴重影響噴霧質(zhì)量[9]。學者們通過對噴桿噴霧機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計或加裝減振裝置來抑制噴桿在噴霧過程中產(chǎn)生的振動以改善噴霧質(zhì)量[10-11]。雖然通過上述方法可以取得一定的減振效果，但未從噴桿的原始結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行優(yōu)化，且設(shè)計的噴桿多為高度固定式，無法保證對水稻不同生長時期和不同位置病蟲害的防治需要。

針對上述問題，結(jié)合水田種植模式和植保農(nóng)藝要求，綜合考慮作業(yè)效率、施藥均勻性及普遍適用性等因素，本文重點開展水田噴霧機噴霧裝置的優(yōu)化設(shè)計，并進行有限元仿真分析與驗證性試驗，以期解決水田植保作業(yè)存在的實際問題，提高水稻全程機械化生產(chǎn)水平。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，水田噴霧機主要由發(fā)動機、車架、車架平衡裝置、組合式變速箱、車橋、折腰轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(液壓油箱、轉(zhuǎn)向油缸、液壓油泵、全液壓轉(zhuǎn)向助力器)、前后行走輪、輕簡化背負式折疊噴桿總成(噴桿、升降油缸、藥箱、折疊展開油缸、組合式靜電噴頭、噴藥泵)及相關(guān)配件等組成。

圖1 水田噴霧機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of paddy field sprayer1.噴桿 2.升降油缸 3.藥箱 4.車斗 5.發(fā)動機 6.座椅 7.換擋桿 8.方向盤 9.折疊展開油缸 10.組合式靜電噴頭 11.噴藥泵 12.車橋 13.登車安全架 14.全液壓轉(zhuǎn)向助力器 15.車架 16.車架平衡裝置 17.前行走輪 18.轉(zhuǎn)向油缸 19.液壓油泵 20.液壓油箱 21.組合式變速箱 22.后行走輪

為適應田間植保作業(yè)的頻繁越埂，高地隙折腰式水田多功能動力底盤通過配置車架平衡裝置行走系統(tǒng)并以四輪驅(qū)動的方式使其具有良好的抗翻傾性和行駛穩(wěn)定性。應用鉸接方式將前后兩段車架連接，實現(xiàn)折腰轉(zhuǎn)向功能，使其轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活。采用液壓與機械結(jié)合的傳動方式，通過手動液壓閥調(diào)節(jié)升降液壓油缸的伸縮進而改變輕簡化背負式折疊噴桿總成的離地高度，以滿足不同生長期的水稻植保作業(yè)。發(fā)動機通過帶傳動驅(qū)動噴藥泵，使藥液流經(jīng)分配閥，一部分回流到藥箱進行調(diào)壓和攪拌，另一部分由感應式靜電噴頭噴出，完成植保作業(yè)，其工作示意圖如圖2所示。

1.2 技術(shù)參數(shù)

圖2 工作示意圖Fig.2 Working diagram1.水稻秧苗 2.雜草

水田噴霧機以高地隙折腰式水田多功能動力底盤為載體，配置輕簡化背負式折疊噴桿總成完成水田植保作業(yè)，其折疊噴桿總成采用輕量化組合設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單，同步協(xié)調(diào)操作性好、可靠性高等優(yōu)點；配備感應式靜電噴頭，工作時感應式靜電噴頭利用高壓靜電通過靜電圈建立一個高壓靜電場，霧滴經(jīng)過靜電場形成群體荷電霧滴，然后在靜電場力和其他外力的作用下做定向運動而吸附在稻苗的各個部位，對稻苗不同部位均具有良好的附著效果，可高效均勻地完成水田植保作業(yè)。水田噴霧機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵工作部件設(shè)計與配置

2.1 高地隙折腰式水田多功能動力底盤

高地隙折腰式水田多功能動力底盤是可以掛接不同農(nóng)業(yè)機具完成運秧、施肥、除草及植保等多種作業(yè)的多功能綜合應用平臺，底盤的相關(guān)參數(shù)見文獻[12]。該底盤配置了車架平衡裝置并以四輪驅(qū)動的方式使其具有良好的抗翻傾性和行駛穩(wěn)定性；選用橡膠凸齒窄胎體輪胎，可順利通過最高為533 mm的田埂或坡地、最大爬坡越埂角度為56°，能夠在路面至水田或水田田間完成無阻礙行駛作業(yè)；前后車架采用鉸接連接方式，實現(xiàn)了折腰轉(zhuǎn)向功能，轉(zhuǎn)向靈活，最小轉(zhuǎn)彎半徑可達3 200 mm[13]。

表1 水田噴霧機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of plant protection sprayer of paddy field

2.2 輕簡化背負式折疊噴桿總成

輕簡化背負式折疊噴桿總成通過搭載在水田多功能動力底盤上來完成植保作業(yè)，其總體長度為8.4 m。鑒于國家標準中只規(guī)定噴桿寬幅12 m以上的噴霧機應設(shè)有懸架系統(tǒng)，因此所設(shè)計的噴桿通過平行四桿升降機構(gòu)與底盤直接連接，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

工作時，通過升降液壓油缸調(diào)節(jié)平行四桿升降機構(gòu)控制輕簡化背負式折疊噴桿總成的離地高度；兩側(cè)的一級噴桿架兩端分別與中間桿架和二級噴桿架連接，單側(cè)多折疊機構(gòu)的伸展由一個液壓油缸控制完成，通過調(diào)節(jié)折疊展開油缸在完成一級噴桿架折疊或展開的同時，連接支架帶動二級噴桿架折疊或展開。與傳統(tǒng)多油缸機械式噴桿相比，具有同步協(xié)調(diào)操作性好、機具使用可靠性高、折疊展開過程用時短且制造成本低等優(yōu)點。

圖3 輕簡化背負式折疊噴桿總成Fig.3 Light and simplify knapsack folding assembly1.二級噴桿架 2.連接支架 3.折疊展開油缸 4.中間桿架 5.一級噴桿架 6.連接架 7.升降油缸 8.平行四桿升降機構(gòu)

2.2.1噴桿多折疊機構(gòu)桿長的確定

多折疊機構(gòu)簡化模型如圖4所示，將多桿機構(gòu)分成ABiEiF和ACiDiF兩個四桿機構(gòu)，參照解析法設(shè)計四桿機構(gòu)的方法確定多折疊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。建立坐標系Oxy，分別再將兩個四桿機構(gòu)分為左、右兩個雙桿組加以討論。建立左側(cè)雙桿組的矢量封閉圖如圖5所示，可得

lOA+lABi+lBiMi-lOMi=0

其在x、y軸上投影，得

(1)

式中 (xA,yA)——A點坐標值

a——一級噴桿架桿長，mm

θ1i——一級噴桿架轉(zhuǎn)動角，(°)

θ2i——連接支架擺動角，(°)

k——基點Mi與鉸接點Bi的距離，mm

γ2——連接支架短桿與水平方向夾角，(°)

(xMi,yMi)——連接支架短桿上基點Mi點坐標值

圖4 多折疊機構(gòu)簡化模型Fig.4 Simplified model of multiple folding mechanism

圖5 左側(cè)雙桿組矢量封閉圖Fig.5 Vector block diagram of left double bar

整理式(1)得

(xMi-xA)2+(yMi-yA)2+k2-a2-
2[(xMi-xA)kcosγ2-(yMi-yA)ksinγ2]cosθ2i-
2[(xMi-xA)ksinγ2+(yMi-yA)kcosγ2]sinθ2i=0

(2)

由于式(2)為非線性方程，故選取連桿的3個預定位置，并預選xA、yA后，可將式(2)轉(zhuǎn)化為線性方程

X0+A1iX1+A2iX2+A3i=0

(3)

其中X0=k2-a2X1=kcosγ2X2=ksinγ2

A1i=2[(xA-xMi)cosθ2i-(yA-yMi)sinθ2i]
A2i=2[(yA-yMi)cosθ2i+(xA-xMi)sinθ2i]
A3i=(xMi-xA)2+(yMi-yA)2

X0、X1、X2為新變量，A1i、A2i、A3i為已知系數(shù)。

由式(3)解得X0、X1、X2后，可求得待定參數(shù)

(4)

同理，當預選F點坐標(xF，yF)后，建立右側(cè)雙桿組線性方程，可求解基點Mi與鉸接點Ei的距離e、連接支架長桿長d、連接支架短桿擺動角α2，進而求得連接支架短桿長b和連接架長f為

(5)

(6)

由于所預選的連桿位置不同，所得到的桿長也不相同，應用Matlab軟件計算出不同連桿位置所確定的多組桿長，考慮到實際工作要求，對所得數(shù)據(jù)進行圓整，得到設(shè)計的多折疊機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為一級噴桿架桿長a=1 500 mm，二級噴桿架桿長c=1 705 mm，連接支架長桿長d=1 620 mm，連接支架短桿長a1=b=d1=330 mm，連接架長f=498 mm。

2.2.2噴桿多折疊機構(gòu)截面尺寸的確定

2.2.2.1外部激勵分析

噴桿是弱阻尼的彈性體，當噴桿與動力底盤之間無懸掛裝置時，由路面起伏產(chǎn)生的外部激勵會直接傳遞給噴桿，使其產(chǎn)生振動而影響噴霧質(zhì)量，縮短噴桿使用壽命[14]。動力底盤在道路運輸和田間工作時，產(chǎn)生的振動激勵主要與路面不平度和動力底盤的工作速度密切相關(guān)，計算式為

(7)

式中f0——路面激勵頻率，Hz

v——車速，m/s

λ——路面不平度波長，mm

取動力底盤的最高車速4.17 m/s，路面不平度波長為320 mm[15]，得到路面最高激勵頻率為13.03 Hz，為避免共振的產(chǎn)生，所設(shè)計噴桿多折疊機構(gòu)的第1階固有頻率至少為14 Hz，以避開路面起伏產(chǎn)生的激勵頻率。

2.2.2.2虛擬仿真試驗設(shè)計

針對上述情況，為保證噴桿多折疊機構(gòu)動力學特性，在設(shè)計時應在其外形結(jié)構(gòu)不發(fā)生重大改變并滿足一定強度和剛度的基礎(chǔ)上，使其第1階固有頻率避開路面激勵頻率且質(zhì)量達到最小。

噴桿由不同規(guī)格的鋼管焊接而成，呈對稱結(jié)構(gòu)，長度為8 400 mm。在建模過程中為了提高模態(tài)分析的運算速度，對模型進行了必要簡化[16-18]：忽略了較小工藝孔和倒角等對整體力學性能影響較小的幾何特征[19]，不考慮焊接對模型振動特征的影響。簡化的有限元模型如圖6所示，主要由6根截面尺寸為Φ22的圓鋼管、4根截面尺寸為40 mm×6 mm的折疊拉桿、6根截面尺寸為40 mm×40 mm的方鋼管及2根截面尺寸為60 mm×40 mm的矩型鋼管組成。

圖6 多折疊機構(gòu)有限元模型Fig.6 Finite element model of multi rod folding mechanism1.圓鋼管 2.折疊拉桿 3.方鋼管1 4.矩形鋼管 5.方鋼管2 6.方鋼管3

為探究不同壁厚下的圓鋼管、矩形鋼管和方鋼管對噴桿多折疊機構(gòu)動力學特性和模型質(zhì)量的影響，采用正交試驗方法設(shè)計優(yōu)化虛擬試驗方案，選取L9(34)正交表安排試驗，考慮強度及加工成本，確定因素的3個水平，試驗因素水平表如表2所示。

2.2.2.3仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

虛擬試驗操作值與參數(shù)設(shè)計值無誤差，可根據(jù)數(shù)據(jù)進行結(jié)果分析，并對影響試驗指標的主要因素進行顯著性分析，尋求噴桿多折疊機構(gòu)理想結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，在ANSYS-workbench中建立9組不同壁厚下鋼管所組成噴桿多折疊機構(gòu)的有限元模型，得到模型質(zhì)量m并進行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，提取出非0的第1階固有頻率f1，試驗方案與結(jié)果見表3，A、B、C為因素水平值。

表2 試驗因素水平Tab.2 Test factors and levels mm

在滿足強度和剛度的基礎(chǔ)上，其質(zhì)量越小，第1階固有頻率越高，表明噴桿多折疊機構(gòu)的動態(tài)特性越好。由表3極差分析可知，影響質(zhì)量指標的3個因素較優(yōu)參數(shù)水平組合為A1B1C1，即圓鋼管壁厚、矩形鋼管壁厚和方鋼管壁厚分別為2、2、2 mm；影響第1階固有頻率指標的3個因素較優(yōu)參數(shù)水平組合為A1B2C2，即圓鋼管壁厚、矩形鋼管壁厚和方鋼管壁厚分別為2、3、3 mm。

為準確判斷各因素水平對多折疊機構(gòu)噴桿質(zhì)量及第1階固有頻率影響的顯著性，運用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗指標進行方差分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，影響質(zhì)量指標的3個主次因素順序為：B、A、C，B對質(zhì)量影響極顯著(P<0.01)，A和C對質(zhì)量影響顯著(P<0.05)；影響第1階固有頻率指標的3個主次因素順序為：A、B、C，A、B和C對第1階固有頻率影響均極顯著(P<0.01)。

為得到不同壁厚下的圓鋼管、矩形鋼管和方鋼管所組成噴桿多折疊機構(gòu)的最理想結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，對不同鋼管的壁厚進行優(yōu)化設(shè)計，以質(zhì)量和第1階模態(tài)頻率為優(yōu)化指標，結(jié)合虛擬仿真的邊界條件，得到參數(shù)化數(shù)學模型為

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Test schemes and results

(8)

應用Design-Expert 8.0.6軟件中的多目標參數(shù)優(yōu)化(Optimization)模塊對數(shù)學模型進行優(yōu)化求解，得到當圓鋼管壁厚、矩形鋼管壁厚和方鋼管壁厚分別為2、2、2 mm時，其第1階固有頻率為14.84 Hz，避開了路面激勵頻率13.03 Hz，此時質(zhì)量最小，為62.85 kg。

2.3 噴霧系統(tǒng)選型與配置

2.3.1噴頭選型配置

噴頭是噴霧總成的關(guān)鍵部件，其型號、數(shù)量及布置方式直接影響植保作業(yè)質(zhì)量。結(jié)合實際選型試驗及應用效果，選取感應式靜電噴頭作為執(zhí)行部件[20-21]，該噴頭工作時由噴嘴噴出群體荷電霧滴，對稻苗不同部位均具有良好的附著效果，可高效均勻地完成水田植保作業(yè)，減少藥劑浪費?？紤]單個噴頭噴施流量要求及相鄰噴施范圍間重復率，設(shè)計配置噴頭個數(shù)為

表4 試驗方差分析Tab.4 Variance analysis of tests

注：** 表示極顯著(P<0.01)；*表示顯著(P<0.05)。

(9)

式中n——噴頭總數(shù)，個

D——單個噴頭噴施直徑，mm

b0——相鄰噴頭間噴施重復率，%

L0——整體噴施幅寬，mm

綜合考慮沿噴桿噴霧量均勻性和節(jié)約藥液用量，本文選取相鄰噴頭間噴施重復率為b0=37%[22]，單個噴頭噴施直徑為D=500 mm，噴頭噴施角為θ=80°，整體噴施幅寬為L0=8 400 mm。將上述參數(shù)代入式(9)中，可得工況條件下均勻配置噴頭數(shù)n=26，噴頭間距c0=320 mm。

2.3.2噴藥泵選型

噴藥泵作為噴霧系統(tǒng)的動力源，將藥箱中的藥液以一定壓力輸出，噴藥泵的選取應綜合考慮機具前進速度、噴施工作幅寬、噴施流量及作業(yè)面積等因素[23]，結(jié)合上述因素進行選型，以滿足工況條件下噴施要求。當噴藥泵在工況壓力下進行作業(yè)時，其噴施工作幅寬及藥液流量均為定值，此時機具前進速度對單位時間內(nèi)平均噴施量具有直接影響，即

Q=qn

(10)

式中Q——單位時間內(nèi)藥液總噴施量，L/h

q——單位時間內(nèi)單個噴頭噴施量，L/h

此時，機具在單位時間內(nèi)噴施面積為

W=3.6L0v1

(11)

式中W——單位時間噴施總面積，m2/s

v1——機具前進速度，m/s

結(jié)合實際作業(yè)過程中水稻秧苗對液體農(nóng)藥用量要求，其單位面積藥劑使用量為

(12)

式中m0——單位面積內(nèi)藥劑使用量，L/m2

M——消毒劑總需求量，L

Wz——作業(yè)總面積，m2

藥液的總施用量為

Q≥m0W

(13)

將式(10)～(13)合并整理，可得噴藥泵流量要求為

(14)

參考東北地區(qū)水田植保農(nóng)藝要求，設(shè)定水田噴霧機在田間作業(yè)時行駛速度為0.83～1.67 m/s，每平方米農(nóng)藥(水溶后)總需求量M=0.18 L，作業(yè)總面積Wz=667 m2，將上述參數(shù)代入式(14)中，可得單位時間內(nèi)噴藥泵流量Q至少為4 516 L/h。因此在液泵配置過程中，選取DA-80B型壓力可調(diào)式柱塞泵，同時可根據(jù)田間實際植保作業(yè)要求調(diào)節(jié)液泵壓力閥，控制單位時間內(nèi)噴施流量，提高機具適應范圍。

3 模態(tài)試驗

3.1 噴桿有限元模態(tài)分析

設(shè)定噴桿材料為45號鋼，定義模型參數(shù)：密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.10×105MPa，泊松比μ=0.3。噴桿主要由矩形鋼管材料制造而成，所以從Creo中導入的實體模型類型為殼。按優(yōu)化結(jié)果對噴桿模型各部件的厚度進行定義，而后對噴桿模型進行自由網(wǎng)格劃分，最終所得有限元模型單元數(shù)為51 532，節(jié)點數(shù)為21 682。應用ANSYS-workbench軟件對噴桿進行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，由于低階振型決定結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，故提取其非零的前4階模態(tài)結(jié)果及振型云圖，如圖7所示。

圖7 噴桿前4階模態(tài)振型云圖Fig.7 Cloud patterns of the first four order modal shapes of sprayer

3.2 噴桿模態(tài)試驗

3.2.1噴桿的模態(tài)測試及測點分布

數(shù)值模型的可靠性通常無法得到保證，為驗證有限元模態(tài)仿真分析的合理性，對噴桿進行模態(tài)試驗。模態(tài)試驗是通過輸入裝置對結(jié)構(gòu)進行激勵，在激勵的同時測量結(jié)構(gòu)響應的一種試驗方法，由于該方法能獲得結(jié)構(gòu)的固有振動特性，故可以成為判斷有限元模型仿真是否合理的重要指標[24-25]。最佳的試驗邊界條件應是與有限元模型一樣的自由邊界狀態(tài)，但在實際的試驗中難以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與環(huán)境不存在連接的自由狀態(tài)[26-28]，因此試驗時利用彈性橡膠支撐的方式以使噴桿近似為自由狀態(tài)。模態(tài)信號測試系統(tǒng)基本原理如圖8所示。激勵信號由LC-2D型力錘敲擊自由狀態(tài)下的噴桿給出，并由AY-YD350型力傳感器采集；響應信號由AY100I型加速度傳感器采集，采集的激勵及響應信號在INV3018C型24位智能信號采集處理分析儀中進行分析和保存，并最終將采集的所有測點振動信號頻響函數(shù)導入到DASP-10模態(tài)分析軟件中進行參數(shù)識別，即可得到噴桿模態(tài)試驗的模態(tài)參數(shù)。采樣過程中對每個頻響函數(shù)進行3次平均，以消除信號中的隨機噪聲。

圖8 模態(tài)信號測試系統(tǒng)基本原理圖Fig.8 Principle diagram of modal signal testing system

使用錘擊法做模態(tài)試驗時，為避免重要模態(tài)的丟失，參考點的選擇應當避開重要模態(tài)的節(jié)點。采用多輸入多輸出的試驗方法，可以有效地避免模態(tài)的丟失。測點布置原則為外力作用點、重要響應點、部件或結(jié)構(gòu)的交聯(lián)點等位置，且必須保證所布測點連線應能反映出噴桿的整體形狀[29-31]，在模態(tài)試驗中所建立的模型結(jié)構(gòu)如圖9所示，共46個待測點，可較好地反映出噴桿的輪廓形狀。試驗現(xiàn)場情況如圖10所示。

圖9 模態(tài)試驗中模型結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure model of modal test

圖10 模態(tài)試驗Fig.10 Modal test1.AY100I型加速度傳感器 2.LC-2D型力錘 3.INV3018C型24位智能信號采集處理分析儀 4.計算機 5.多折疊機構(gòu)噴桿

3.2.2噴桿模態(tài)測試曲線分析

試驗時，自由狀態(tài)下的噴桿受到力錘的作用力使其產(chǎn)生強迫振動，通過力傳感器和加速度傳感器將信號實時傳至上位機，運用DASP-MAS動態(tài)信號分析系統(tǒng)顯示相應的時域波形，獲得激勵信號和響應信號隨激勵時間的變化曲線。

對測試得到的力信號和加速度信號進行自譜分析，圖11所示為對7點進行激勵得到的力譜及在1、15、18、35處4個參考點的加速度單峰值譜，由圖可知，力錘對0～500 Hz以內(nèi)的信號進行了有效激勵，加速度頻域譜峰集中在0～300 Hz之間。圖12為響應信號和激勵信號的頻響函數(shù)圖，由圖可知，噴桿模態(tài)頻率分布在低頻區(qū)間內(nèi)，在模態(tài)頻率的峰值點處，相位的變化符合共振時振動相位變化的特點，相干系數(shù)在模態(tài)頻率峰值點處的值也接近于1?？傻贸鲈囼灢杉瘮?shù)據(jù)正確地反映了噴桿的振動特性，但峰值不夠明顯，分析其原因為各級噴桿架之間安裝條件的改變使成分變得復雜。故在模態(tài)擬合時，采用特征系統(tǒng)實現(xiàn)算法(ERA)進行數(shù)據(jù)擬合，該算法通過穩(wěn)定圖的方式進行計算，對復雜密集模態(tài)具有更好的識別能力，通過穩(wěn)定圖也可以對由信噪比偏低造成的譜峰不清晰的模態(tài)參數(shù)進行更有效識別，可快速準確地得到噴桿模態(tài)試驗的模態(tài)參數(shù)。

圖11 自譜分析Fig.11 Analysis of spectra

圖12 傳遞函數(shù)圖Fig.12 Transfer function diagram

3.2.3試驗結(jié)果與分析

圖13 噴桿模態(tài)試驗振型云圖Fig.13 Cloud patterns of vibration mode of spray rod in modal test

將DASP-MAS動態(tài)信號分析系統(tǒng)采集的頻響信號導入DASP-10模態(tài)分析軟件中進行模態(tài)參數(shù)識別，分析出噴桿前4階試驗模態(tài)頻率和振型，如圖13所示。最后用模態(tài)置信準則(MAC)對分析出的模態(tài)頻率進行檢驗，如圖14所示，主對角線MAC均為1，非對角線上各階MAC都較小，證明試驗與分析的振型向量具有一定的相關(guān)性，所得的模態(tài)參數(shù)比較可靠。

圖14 模態(tài)置信準則(MAC)Fig.14 Modal assurance criteria

通過ANSYS計算多折疊機構(gòu)噴桿的前4階固有頻率和模態(tài)試驗得到的前4階模態(tài)的固有頻率如表5所示。對比表明，二者較為接近，最大誤差為7.14%，各階陣型也基本一致，說明所建數(shù)值模型較為準確。

表5 模態(tài)分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比Tab.5 Comparison of modal analysis results and test results

4 田間性能試驗

為檢驗所設(shè)計的輕簡化背負式折疊噴桿總成的作業(yè)性能，研究裝置各項技術(shù)參數(shù)可靠性，結(jié)合理論分析與仿真模擬進行噴桿總成的試制，以高地隙折腰式水田多功能動力底盤為載體進行田間試驗。于2018年7月22日在黑龍江省哈爾濱市新鄉(xiāng)試驗基地進行田間性能試驗，如圖15所示。

圖15 田間噴霧試驗Fig.15 Field experiment

水田環(huán)境為黑壤土，泥腳深度150～180 mm，水層深度30 mm，環(huán)境溫度25～33℃，風速1.6～3.0 m/s，水稻秧苗的平均高度為650 mm，行距為300 mm，株距為12 mm，藥液為碧護溶解液。

按照NY/T 1925—2010《在用噴桿噴霧機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》對水田噴霧機噴霧性能進行測試。試驗時，將噴霧壓力調(diào)節(jié)至0.3 MPa，噴桿距地面高度為500 mm，采用量杯和霧滴收集臺分別對噴頭噴霧量均勻性和沿桿噴霧量均勻性進行測試，在此工況下進行5次重復試驗，數(shù)據(jù)取平均值；選取作業(yè)速度為1.25 m/s，噴霧壓力為0.3 MPa，噴桿距作物高度為500 mm，對沉積量均勻性進行測試，試驗重復5次，數(shù)據(jù)取平均值，試驗結(jié)果表明：水田噴霧機作業(yè)時，藥液噴施均勻，覆蓋性較好；噴桿無明顯振動，對作物的機械損傷較?。粐婎^噴霧量變異系數(shù)、沿桿噴霧量變異系數(shù)和沉積量變異系數(shù)分別為2.55%、13.61%和31.24%，均小于國家標準，該水田噴霧機的噴霧性能滿足水田植保農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種輕簡化背負式折疊噴桿總成，對其多折疊機構(gòu)噴桿、感應式靜電噴頭等關(guān)鍵部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計與合理配置，保證了噴霧的均勻性及穩(wěn)定性，通過田間試驗證明噴霧質(zhì)量達到了各項農(nóng)藝技術(shù)指標的要求。

(2)通過解析法確定了噴桿多折疊機構(gòu)各部分桿長，在此基礎(chǔ)上，以鋼管厚度為影響因素，質(zhì)量和第1階固有頻率為試驗指標，采用虛擬正交試驗方法建立了因素與指標間的數(shù)學模型，運用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行處理。采用多目標變量優(yōu)化的方法建立了優(yōu)化模型。結(jié)果表明，當圓鋼管壁厚、矩形鋼管壁厚和方鋼管壁厚分別為2、2、2 mm時，質(zhì)量最輕且動態(tài)特性最優(yōu)，其質(zhì)量為62.85 kg，第1階固有頻率為14.84 Hz。

(3)建立了噴桿的有限元模型，運用ANSYS-workbench求解出噴桿的前4階模態(tài)頻率和振型，并采用多輸入多輸出的方法進行了力錘激勵模態(tài)試驗。通過模態(tài)試驗與仿真分析結(jié)果的對比表明，二者較為接近，最大誤差為7.14%，各階陣型也基本一致，驗證了數(shù)值模型的準確性。