顏廷瑞,印祥,王亞林,陳年斌,舒邦秦
(1. 山東衛(wèi)士植保機(jī)械有限公司,山東臨沂,276017; 2. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東淄博,255000; 3. 山東華盛農(nóng)業(yè)藥械有限責(zé)任公司,山東臨沂,276017)
高地隙施藥機(jī)以其作業(yè)噴幅寬、噴灑精量化、噴藥量均勻化等高效施藥作業(yè)優(yōu)勢,越來越廣泛地應(yīng)用在田間植保作業(yè)中[1-5]。大豆玉米帶狀復(fù)合種植有利于提高土地利用率,實現(xiàn)大豆玉米和諧發(fā)展。但是由于玉米大豆高度差別較大,在對其進(jìn)行化學(xué)除草時,需要采用不同的噴藥高度進(jìn)行噴灑,現(xiàn)有的高地隙施藥機(jī)的噴桿各段高度相同,不能做到分帶噴灑[6-12]。
國內(nèi)外學(xué)者對高地隙施藥機(jī)的噴桿開展了多方面的研究。張波等針對目前噴頭對行精準(zhǔn)度低的問題,基于機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計出噴桿式施藥機(jī)對行噴霧控制系統(tǒng),但機(jī)具不能滿足密植窄行田間作業(yè)。程上上[13]研制的自走式高地隙噴桿分帶施藥機(jī),加裝了兩套噴霧系統(tǒng)可以實現(xiàn)對玉米、大豆分帶同步噴施,但噴桿高度相同,在較高的噴霧高度下會導(dǎo)致藥液漂移。尚增強(qiáng)[14]針對玉米大豆2∶2∶4的帶狀種植模式復(fù)合種植田的農(nóng)藝要求和地形特點,設(shè)計了一款特制的小型電動自走式分帶噴桿噴霧機(jī)。張文卿等針對噴桿噴幅相對固定、不能根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)的問題,設(shè)計了一種可伸縮式噴桿。Herbst等[15]基于激光測距傳感器設(shè)計了一種高度自動控制噴桿,能夠根據(jù)作物高度自動調(diào)節(jié)噴桿高度。上述研究從噴桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化、噴桿自動控制等方面提高了噴施質(zhì)量,但未考慮噴桿高度分段調(diào)節(jié)的問題。
本文以高地隙施藥機(jī)為平臺,結(jié)合大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式的實際農(nóng)藝要求,在現(xiàn)有施藥機(jī)噴桿的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種用于高地隙施藥機(jī)的每段高度可調(diào)的分段式噴桿。以3WP-1000GS高地隙施藥機(jī)為試驗平臺,對噴桿高度調(diào)節(jié)范圍、高度調(diào)節(jié)一致性等進(jìn)行對比分析,以驗證噴桿在田間作業(yè)時的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
我國西北、西南以及黃淮海等地區(qū)是大豆玉米帶狀復(fù)合種植的主要推廣區(qū)。根據(jù)各地區(qū)氣候環(huán)境的不同,種植農(nóng)藝略有不同,但技術(shù)要點基本相同。大豆玉米帶狀復(fù)合種植大多實行2行玉米帶與3~6行大豆帶復(fù)合種植,玉米行距30~50 cm,大豆行距20~40 cm;玉米帶與大豆帶間距60~70 cm。大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式下植保作業(yè)時,玉米、大豆防治病蟲草害所施用藥劑不同,玉米、大豆帶寬不同,株高也不一致,藥液互相干涉會對彼此造成藥害。本文根據(jù)山東省的實際農(nóng)藝要求,采用2行玉米帶與4行大豆帶復(fù)合種植,大豆行距40 cm,玉米行距40 cm,大豆玉米行間距65 cm。
山東省大豆玉米帶狀復(fù)合種植多采用如圖1所示的4+2種植模式。在植株生長過程中,玉米植株高度達(dá)2 m,大豆植株高度達(dá)1 m,但一般玉米高于1.5 m后基本上就不再需要對玉米植株進(jìn)行施藥,為保證玉米植株的施藥需求,要求噴桿離地高度要達(dá)到1.5 m,本文設(shè)計為1.6 m。玉米植株和大豆植株的高度差別較大,為保證噴頭離植株的高度相同,大豆帶與玉米帶的噴桿高度需要獨立調(diào)節(jié),要求各段噴桿的高度可以獨立調(diào)節(jié),設(shè)計分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)噴桿高度獨立調(diào)節(jié)。
(a) 俯視圖
根據(jù)大豆和玉米的行距、帶寬以及種植,選擇分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)寬度為50 cm;根據(jù)大豆植株與玉米植株的高度差,選擇獨立高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的垂直行程為68 cm,兩組機(jī)構(gòu)配合使用高度差最大值達(dá)136 cm。為保證高地隙噴桿施藥機(jī)的作業(yè)效率,根據(jù)目前高地隙噴桿施藥機(jī)的作業(yè)幅寬和玉米大豆帶狀復(fù)合種植的農(nóng)藝要求,噴桿上安裝五組分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),噴桿噴幅為8.5 m。
噴桿根據(jù)高地隙噴桿施藥機(jī)平臺需求進(jìn)行設(shè)計,由四桿升降機(jī)構(gòu)、三段式支架、分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、升降油缸、伸展油缸、電動推桿組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 大豆玉米帶狀復(fù)合種植噴桿
四桿升降機(jī)構(gòu)由平行四桿機(jī)構(gòu)和橫梁組成,噴桿升降是經(jīng)過電磁換向閥控制液壓油缸伸縮,當(dāng)油缸伸長時,帶動平行四桿機(jī)構(gòu)繞著鉸接點向上轉(zhuǎn)動;當(dāng)油缸縮短時,帶動平行四桿機(jī)構(gòu)繞著固定鉸接點向下轉(zhuǎn)動,來實現(xiàn)噴桿支架的上下調(diào)節(jié)。三段式支架采用折疊式結(jié)構(gòu),兩側(cè)伸展油缸伸長時帶動支架展開;伸展油缸縮短時帶動支架折疊,以便施藥機(jī)田間轉(zhuǎn)彎。分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由電動推桿、剪叉機(jī)構(gòu)和噴桿支架組成,通過U型螺栓掛接到三段式支架上,通過控制電動推桿伸縮帶動剪叉臂繞著各鉸接點轉(zhuǎn)動,帶動噴桿上下調(diào)節(jié),實現(xiàn)每段噴桿獨立調(diào)節(jié)高度。噴桿主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 噴桿主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of spray boom
噴桿工作時,通過控制兩側(cè)伸展油缸協(xié)調(diào)平穩(wěn)的展開兩側(cè)支架,支架完全展開后,四桿升降機(jī)構(gòu)控制整體支架調(diào)節(jié)到一個合適高度,然后根據(jù)作物的高度分別調(diào)節(jié)分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),每段噴桿都達(dá)到合適高度后,噴頭開始工作。
四桿升降機(jī)構(gòu)由升降桿、安裝座、中間橫梁、前橫梁和升降油缸組成,其主要功能是將噴桿支架整體調(diào)整到合適的高度,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 四桿升降機(jī)構(gòu)
上下兩根升降桿與前后安裝座鉸接形成平行四桿機(jī)構(gòu),通過中間橫梁和前橫梁將兩組平行四桿機(jī)構(gòu)連接起來,升降油缸前后兩個安裝孔分別與中間橫梁和前橫梁上的鉸接點鉸接。噴桿升降是經(jīng)過電磁換向閥控制液壓油缸伸縮,當(dāng)油缸伸長時帶動平行四桿機(jī)構(gòu)繞著鉸接點向上轉(zhuǎn)動,當(dāng)油缸縮短時,帶動平行四桿機(jī)構(gòu)繞著鉸接點向下轉(zhuǎn)動,來實現(xiàn)噴桿支架的上下調(diào)節(jié)。其原理圖如圖4所示。
圖4 四桿升降機(jī)構(gòu)原理圖
圖4中WV、QT為平行四桿機(jī)構(gòu)上升到最高位置,WV1、QT1為平行四桿機(jī)構(gòu)下降到最低位置,其中Q、W為固定鉸接點。在最高極限位置油缸的鉸接點為G、S,在最低極限位置油缸的鉸接點為G1、S1。γ1為上升角,γ2為下降角,λ是油缸與升降桿QT的夾角,c1為上升高度,c2為下降高度。
根據(jù)玉米植株和大豆植株的高度、噴霧高度以及高地隙施藥機(jī)的離地高度,選擇四桿升降機(jī)構(gòu)的高度調(diào)節(jié)范圍為420~1 620 mm,四桿升降機(jī)構(gòu)與地面平行時的高度為1 000 mm,則上升高度c1為580 mm,下降高度c2為620 mm,升降桿長度ls為850 mm。則上升角和下降角為
(1)
根據(jù)四桿升降機(jī)構(gòu)的上升高度、下降高度和升降桿長度,得出上升角和下降角分別為43°和46°。油缸鉸接點G與升降桿鉸接點T的距離為s,根據(jù)正弦定理,得出油缸長度
(2)
已知油缸鉸接點G與升降桿鉸接點T的距離為480 mm,上升角為43°,下降角為46°,得出升降油缸最短長度為420 mm,最長長度為590 mm,行程為170 mm。
本文所設(shè)計的三段式支架展開機(jī)構(gòu),如圖5所示,主要包括中央支架、兩側(cè)支架、銷軸套筒、限位元件、伸展油缸。兩側(cè)支架通過鉸接與中央支架連接,通過兩側(cè)伸展油缸的伸縮,帶動兩側(cè)支架繞著鉸接點轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)支架的展開與折疊,當(dāng)支架完全展開時通過限位板進(jìn)行限位,此時伸展油缸長度為350 mm,當(dāng)支架折疊起來時油缸長度為270 mm。
(a) 展開圖
支架展開機(jī)構(gòu)的核心部分是計算支架展開所需要的力矩,伸展油缸對支架展開機(jī)構(gòu)施加力矩等于支架展開所需要的力矩,可以求出伸展油缸的推力。根據(jù)旋轉(zhuǎn)物體的力矩計算公式得
Mz=Jp·ρ
(3)
式中:Mz——展開支架需要的力矩,N·m;
Jp——支架的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;
ρ——支架轉(zhuǎn)動的角加速度,rad/s2。
在支架展開機(jī)構(gòu)折疊圖5(b)中,Cz為油缸活塞桿鉸接點,Oz為左側(cè)支架與中央支架的鉸接點,lz為OzCz距離,f為油缸推力,fx為f在OzCz平行方向的分力,fy為f在OzCz垂直方向的分力,根據(jù)力矩公式可以求出油缸對支架展開機(jī)構(gòu)的力矩
Mf=fy·lz
(4)
在支架初始展開時所需要的力矩最大,已知支架重量為90 kg,初始角加速度為0.18 rad/s2,則展開支架所需要的力矩為86.4 N·m。令Mf=Mz,得出伸展油缸在OzCz垂直方向的分力為2 009 N,此時OzCz平行方向的分力與油缸推力的夾角為26°,得出伸展油缸推力為2 237 N。
分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由電動推桿、剪叉機(jī)構(gòu)、底部噴桿支架、掛接支架組成,如圖6所示。剪叉機(jī)構(gòu)主要由兩組叉臂和眾多銷軸等部件組成,每組叉臂通過中間鉸接點鉸接,同時兩端分別與另一組叉臂和支架上的鉸接點鉸接,電動推桿伸出推動剪叉機(jī)構(gòu)拉伸,噴桿支架下降,液壓缸縮回帶動剪叉機(jī)構(gòu)壓縮,噴桿支架上升。底部噴桿支架由槽鋼、方管等組成,通過管架與噴桿連接;掛接支架由方管、板件等焊接制成,通過U型螺栓與三段式支架掛接。
圖6 分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
根據(jù)機(jī)構(gòu)學(xué)中的原理:兩根等長的桿在中心點鉸接時,隨著兩個桿件夾角的變化,對應(yīng)桿端的連線始終不變并保持平行,并與相鄰桿端的連線垂直。根據(jù)這一原理設(shè)計制作的剪叉機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、便于制作等優(yōu)點[16-17]。
剪叉機(jī)構(gòu)的垂直行程與其寬度和層數(shù)有關(guān),根據(jù)大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式的農(nóng)藝要求,剪叉機(jī)構(gòu)的寬度已經(jīng)確定,所以通過增加剪叉機(jī)構(gòu)的層數(shù)來增加垂直行程。根據(jù)式(5),可以求出剪叉機(jī)構(gòu)的行程與叉數(shù)的關(guān)系。
(5)
式中:n——叉數(shù);
LX——剪叉機(jī)構(gòu)垂直行程,mm;
LD——剪叉機(jī)構(gòu)最低高度,mm;
R——剪叉臂長度的一半,mm;
ξ——剪叉機(jī)構(gòu)最大剪叉角度,(°)。
已知剪叉機(jī)構(gòu)寬500 mm,剪叉臂在5°時達(dá)到最大寬度,選擇剪叉臂長475 mm。根據(jù)玉米大豆的高度差,本文選擇雙層剪叉機(jī)構(gòu)。雙層剪叉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析如圖7所示,實線表示剪叉臂,A、E為剪叉機(jī)構(gòu)的固定鉸點,B、F為可滑動的鉸點,G、H為耳板與剪叉臂的連接點,I、J為耳板與電動推桿的鉸點。剪叉臂與水平方向夾角為α,耳板與剪叉臂的安裝角分別為β1、β2,HJ距離為l1,GI距離為l2,O1H的距離為a,O2G的距離為b,剪叉臂長2R。剪叉臂兩端通過鉸點相連,每節(jié)剪叉臂分為內(nèi)叉外叉,內(nèi)叉外叉形成剪刀叉,通過中間鉸點相連,中間鉸點位于剪叉臂中心。
圖7 雙層剪叉機(jī)構(gòu)簡化模型
電動推桿的拉力計算是剪叉機(jī)構(gòu)設(shè)計的核心部分,由于剪叉機(jī)構(gòu)是由多個桿組成的桁架系統(tǒng),一般利用虛位移原理對剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析。由于A點和E點是相對的,以點A為坐標(biāo)原點,AB為X軸,AC為Y軸建立直角坐標(biāo)系,求各關(guān)鍵點的坐標(biāo)和虛位移。
(6)
(7)
式中: Δyw——框架自重作用點虛位移;
ΔyP——各層剪叉臂自重作用點虛位移;
ΔxI——I點在X方向上的虛位移;
ΔyI——I點在Y方向上的虛位移;
ΔxJ——J點在X方向上的虛位移;
ΔyJ——J點在Y方向上的虛位移。
設(shè)在I點處,X方向的微位移與X、Y方向微位移的合位移的夾角為δ,Y方向的微位移與X、Y方向微位移的合位移的夾角為θ,則可以得出
(8)
由虛位移原理得
-PΔyw-P1ΔyP+FcosδΔxI+FsinδΔyI-FcosθΔxJ-FsinθΔyJ=0
(9)
式中:P——底部噴桿支架自重,N;
P1——剪叉臂自重,N;
F——電動推桿拉力,N。
已知底部噴桿支架自重為15 kg,剪叉臂自重為8 kg,高度調(diào)節(jié)行程為68 mm,剪叉臂長度為475 mm,剪叉機(jī)構(gòu)的起升角度為5°,代入式(9)得電動推桿拉力為300.64 N。
油缸是噴桿組成的重要部分,統(tǒng)一升降機(jī)構(gòu)和展開機(jī)構(gòu)都依靠油缸提供動力,實現(xiàn)噴桿的上下移動和左右展開。油缸的基本參數(shù)由有缸徑、桿徑、行程、安裝尺寸、工作壓力等。其中最重要的是缸徑、行程和使用壓力。確定好負(fù)載后,使用壓力可以根據(jù)表2進(jìn)行選擇。
表2 油缸工作壓力選型Tab. 2 Selection of working pressure of oil cylinder
負(fù)載和工作壓力確定后,根據(jù)式(10)求出受力面積St,再根據(jù)受力面積計算出油缸缸徑Dt。
Ft=PySt
(10)
式中:Ft——油缸負(fù)載,kg;
Py——油缸工作壓力,kg/cm2。
然后求油缸的桿徑,一般油缸工作壓力小于10 MPa,桿徑取缸徑的一半。根據(jù)上文所計算的油缸參數(shù),因此選擇伸展油缸的參數(shù)為:行程100 mm,缸徑40 mm,桿徑20 mm,負(fù)載為1 t;選擇升降油缸的參數(shù)為:行程200 mm,缸徑50 mm,桿徑25 mm,負(fù)載為1 t。
為驗證所設(shè)計的分段式噴桿的運(yùn)行情況和性能,于2022年10月在臨沂市某公司對大豆玉米復(fù)合種植噴桿的實際作業(yè)效果進(jìn)行試驗。選用3WP-1000GS高地隙施藥機(jī)為試驗平臺,將施藥機(jī)停放在無遮擋物的平坦水泥地面上進(jìn)行試驗,如圖8所示。
圖8 3WP-1000GS高地隙施藥機(jī)
噴桿高度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度、調(diào)節(jié)范圍是反映分段式噴桿性能的重要指標(biāo)之一。為測試噴桿的高度調(diào)節(jié)范圍和各分段式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的一致性,本文首先測量四桿升降機(jī)構(gòu)的高度調(diào)節(jié)范圍以及高度調(diào)節(jié)時間,為保證數(shù)據(jù)的精確度共測量3次;然后依次測量五個分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的高度調(diào)節(jié)范圍和高度調(diào)節(jié)時間,每個分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)測量3次。
首先將激光雷達(dá)安裝在四桿升降機(jī)構(gòu)的前橫梁下方,如圖9所示,將四桿升降機(jī)構(gòu)下降到最低高度開始測量噴桿離地高度,手動操作升起四桿升降機(jī)構(gòu)直至四桿升降機(jī)構(gòu)達(dá)到最高處,通過串口讀取激光測距傳感器的數(shù)據(jù),保存測量數(shù)據(jù)重復(fù)上述步驟3次。然后激光雷達(dá)安裝到分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的底部噴桿支架上,將分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)下降到最低高度,緩慢提升到最高高度,通過激光雷達(dá)測量分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)最低和最高離地高度,重復(fù)上述步驟3次。采用上述方法依次測量其余分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的高度調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)時間。本文采用的激光雷達(dá)為TF02-Pro,其測距范圍為0.1~40 m,重復(fù)精度小于2 cm。
圖9 激光雷達(dá)安裝
試驗結(jié)果如表3、表4所示,四桿升降機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍為120 cm,最高離地高度可以達(dá)到162 cm,最低離地高度為42 cm,符合設(shè)計要求,并且3次高度調(diào)節(jié)范圍基本相同,表明四桿升降機(jī)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性,能夠滿足玉米和大豆田間施藥的要求。分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的高度調(diào)節(jié)范圍為68 cm,五組分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的高度調(diào)節(jié)絕對偏差最大值為-0.73 cm,相對偏差最大值為-1.08%。各分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)高度范圍大,偏差小,表明各分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有良好的一致性,能夠滿足大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式下田間噴霧噴頭與作物距離一致的需求。
表3 四桿升降機(jī)構(gòu)高度調(diào)節(jié)試驗結(jié)果Tab. 3 Height adjustment test results of four bar lifting mechanism
表4 分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)高度調(diào)節(jié)試驗結(jié)果Tab. 4 Height adjustment test results of segmented height adjustment mechanism
圖10(a)為四桿升降機(jī)構(gòu)高度調(diào)節(jié)過程,圖10(b)為分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)高度調(diào)節(jié)過程。由圖10(a)可知四桿升降機(jī)構(gòu)可以在7 s內(nèi)完成從最低高度升到最高高度,并且上升曲線光滑,表明可以很快地完成高度調(diào)節(jié),且高度調(diào)節(jié)過程流暢無卡滯。由圖10(b)可知分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在15 s內(nèi)完成高度調(diào)節(jié),并且上升曲線光滑,表明分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有良好的一致性并且高度調(diào)節(jié)過程流暢無卡滯,高度調(diào)節(jié)效果穩(wěn)定可靠,能夠滿足工作需求。
(a) 四桿升降機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)過程
1) 針對大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式下大豆與玉米植株在生長過程中高度差較大,為保證相同的噴霧高度,為此采用機(jī)電液一體化控制方法,設(shè)計了用于高地隙噴桿噴藥機(jī)的每段高度可調(diào)的分段式噴桿高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。
2) 根據(jù)噴桿整體升降高度要求,對四桿升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與計算,確定升降桿長度為850 mm,升降油缸行程為200 mm,缸徑為50 mm,桿徑為25 mm,負(fù)載為1 t。根據(jù)大豆玉米帶狀復(fù)合種植噴霧需求,設(shè)計了分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),對分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與計算,確定剪叉臂長度為475 mm,電動推桿的行程為100 mm,最大推力為1 000 N,速度為10 mm/s。
3) 試驗結(jié)果表明:四桿升降機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍為120 cm,最高離地高度可以達(dá)到162 cm,最低離地高度為42 cm,高度調(diào)節(jié)過程流暢無卡滯,符合設(shè)計要求,能夠滿足玉米和大豆田間噴藥的要求。分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的高度調(diào)節(jié)范圍為68 cm,五組分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的高度調(diào)節(jié)范圍絕對偏差最大值為-0.73 cm,相對偏差最大值為-1.08%。各分段式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)高度范圍大,具有良好的一致性,高度調(diào)節(jié)過程流暢無卡滯,能夠滿足大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式下田間噴霧噴頭與作物距離一致的需求。