基于UG動畫仿真的噴霧機(jī)噴桿形變控制優(yōu)化

張 楠,劉 旭

(吉林動畫學(xué)院,長春 130000)

0 引言

噴桿噴霧機(jī)是大田農(nóng)作物常用的現(xiàn)代植保機(jī)械,優(yōu)勢在于可利用寬幅噴施完成高效優(yōu)質(zhì)作業(yè)。隨著噴桿噴霧機(jī)的技術(shù)升級,為適應(yīng)大面積農(nóng)田植保需求,大型噴桿噴霧機(jī)的生產(chǎn)量和應(yīng)用量均明顯提升,市場上主力大型噴桿噴霧機(jī)的幅寬超過22m,部分先進(jìn)機(jī)型作業(yè)幅寬可達(dá)28～32 m甚至更大。寬幅噴桿盡管作業(yè)效率更高,但在作業(yè)過程中也會因架體運(yùn)動而影響霧滴分布的均勻性,尤其在復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境中,噴桿的狀態(tài)呈現(xiàn)典型的差異性[1]。工作時,分布于噴桿不同位置的噴頭在噴桿運(yùn)動慣性、擺幅、擺動頻率等多重因素的影響下,導(dǎo)致農(nóng)藥霧滴噴出后偏離理想路徑,尤其在偏斜、崎嶇等不良地表狀態(tài)下表現(xiàn)出更明顯的噴施不均勻問題。為此,筆者對噴霧機(jī)噴藥架進(jìn)行三維動畫仿真模擬典型工況下噴霧沉積質(zhì)量的差異性,并分析影響噴施質(zhì)量的關(guān)鍵因素,旨在為大型寬幅噴桿噴霧機(jī)的噴藥架結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供新方法。

1 噴藥架運(yùn)動特性

隨著噴桿噴霧機(jī)噴藥架幅寬的增加,受到懸臂結(jié)構(gòu)的影響,以兩側(cè)噴藥架的對稱點(diǎn)為中心,越是遠(yuǎn)離中心位置的噴藥架結(jié)構(gòu),其物理穩(wěn)定性越低,越容易受到地面環(huán)境的變化而產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動?，F(xiàn)階段應(yīng)用的大部分噴桿噴霧機(jī)是基于平整地表的理想狀態(tài)而設(shè)計的噴藥架結(jié)構(gòu),其利用扇形噴頭間隔組合,對地表或農(nóng)作物能實(shí)現(xiàn)均勻噴施,可有效保證植保作業(yè)的質(zhì)量。Nuyttens D.等[2]針對大型背負(fù)式和自走式噴桿噴霧機(jī)噴霧質(zhì)量展開研究,論證了噴桿運(yùn)動是影響霧滴分布均勻性及噴霧飄移量的重要因素。崔龍飛[3]等針對噴藥架的動力學(xué)研究證實(shí),噴桿的異常運(yùn)動會引起噴嘴離地高度隨機(jī)變化,嚴(yán)重影響噴霧分布形態(tài),導(dǎo)致局部區(qū)域漏噴或藥力下降。

對于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言,盡管主要的糧食產(chǎn)區(qū)位于平原地區(qū),但噴桿噴霧機(jī)在田間行駛時地表仍存在傾斜、坑洼、局部不平、溝壑等不良狀態(tài)[4]。地表的不良狀態(tài)易引起底盤傾斜及振動、藥箱內(nèi)藥液晃動等,從而影響噴藥架懸臂結(jié)構(gòu)的物理性能,使其脫離理想的噴施狀態(tài)[5]。研究中,對噴霧質(zhì)量產(chǎn)生不利影響的噴藥架運(yùn)動稱為有害運(yùn)動。噴藥架常見的典型有害運(yùn)動包括:①縱向擺動。指噴桿以中心為基點(diǎn),沿與地面垂直的方向上下擺動,遠(yuǎn)離基點(diǎn)的噴藥架擺動幅度相應(yīng)增加。②傾斜。包含兩種情況:一是受地形坡度影響,噴藥架與水平方向出現(xiàn)一定夾角,但噴藥架主體仍與坡度地表平行;二是受到溝壑或坑洼影響,噴藥架與地表產(chǎn)生一定夾角[6]。③低頻振動。當(dāng)?shù)乇頎顟B(tài)頻繁變化時,底盤的頻繁調(diào)整激勵噴藥架的物理狀態(tài)呈不規(guī)則變化,這種變化引起噴藥架產(chǎn)生不規(guī)則的低頻振動。

2 噴藥架運(yùn)動產(chǎn)生的形變

受田間復(fù)雜地況的影響,噴藥架在偏斜、振動等作用力的影響下可能產(chǎn)生多種類型的形變,這些形變會造成噴桿上噴頭位置和角度產(chǎn)生偏移,可能影響實(shí)際噴施質(zhì)量。

2.1 倒U型形變

倒U型形變是噴藥架應(yīng)用中最常見的形變情況,受到懸臂結(jié)構(gòu)的影響,噴藥架整體會受到重力作用而產(chǎn)生形變,越是遠(yuǎn)離中心固定結(jié)構(gòu)的噴藥架越受到重力作用向下偏離水平位置,形成中間高、兩側(cè)低的形變;而在有振動存在的條件下,這種形變的程度將加劇。

2.2 S型形變

S型形變是特殊受力下形成的形變,但在噴桿噴霧機(jī)作業(yè)過程中十分常見。噴桿噴霧機(jī)在田間行駛時,受到地面崎嶇不平影響會左右擺動,擺動過程造成左右兩側(cè)噴藥架受力方向不一致,一側(cè)向上擺動而另一側(cè)向下擺動,產(chǎn)生一側(cè)上彎、另一側(cè)下彎的S形形變。

2.3 U型形變

U形形變是在縱向顛簸中產(chǎn)生的瞬時形變,當(dāng)田間出現(xiàn)過大的深坑、凹地時,噴桿噴霧機(jī)整體快速向下掉落,或頻繁顛簸產(chǎn)生噴藥架左右兩側(cè)同方向上下擺動時會瞬時出現(xiàn)噴藥架兩側(cè)同時由水平方向向上偏移,形成U型形變。

3 多地形工況下的動畫仿真

3.1 噴藥架建模及其參數(shù)

以我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的梯形噴藥架為主要研究對象,通過UG建立三維模型,如圖1所示。

圖1 噴藥架的UG建模Fig.1 UG modeling of spray rack

模型設(shè)置噴藥架幅寬28 m,噴藥架為鋼結(jié)構(gòu)桁架,噴藥架噴桿上安裝有扇形噴頭,噴霧角度為120°,噴頭與噴桿相垂直。模型不考慮非承載結(jié)構(gòu)、工藝孔、加強(qiáng)筋等對力學(xué)性能影響較小的結(jié)構(gòu)因素,將水平地面標(biāo)準(zhǔn)工況下,噴藥架展開后的噴桿初始狀態(tài)設(shè)置為水平,即每個噴頭于水平地面的縱向距離相等。

3.2 地形分類與作業(yè)參數(shù)賦值

3.2.1 地形分類

為更真實(shí)地仿真不同耕地表面狀態(tài)對噴桿噴霧機(jī)噴施質(zhì)量的影響,建立了5種地表狀態(tài)模型,分別為標(biāo)準(zhǔn)平地、15°坡地、間隔凹坑地、左(右)側(cè)凹溝地以及左右交錯凹坑地。

1.15°坡地 2.間隔凹坑地 3.左(右)側(cè)凹溝地 4.左右交錯凹坑地圖2 地表典型地形Fig.2 Typical surface topography

3.2.2 作業(yè)參數(shù)賦值

對噴藥架的關(guān)鍵仿真參數(shù)進(jìn)行賦值,如表1所示。本次仿真只針對地表狀態(tài)導(dǎo)致的噴藥架變形設(shè)計相關(guān)參數(shù),為降低仿真的復(fù)雜性,生產(chǎn)實(shí)踐過程中實(shí)際存在的機(jī)械振動、環(huán)境影響等因素不計,將標(biāo)準(zhǔn)平地工況下的噴施均勻度和噴施準(zhǔn)確度視為理想狀態(tài),即為完全均勻和位置完全準(zhǔn)確。

表1 噴藥架關(guān)鍵仿真參數(shù)

3.3 動畫仿真及結(jié)果

本次動畫仿真針對上文提及的5種典型地表狀態(tài)模型逐一進(jìn)行模擬,主要目的是分析扇形霧滴噴出后的覆蓋均勻性和覆蓋范圍,并將標(biāo)準(zhǔn)平地與其他4種地表狀態(tài)的模擬結(jié)果進(jìn)行對比,其動畫仿真的噴霧狀態(tài)如下。

1)標(biāo)準(zhǔn)平地噴施如圖3所示。在標(biāo)準(zhǔn)平地條件下,扇形噴頭噴出的霧滴狀態(tài)理想,能夠均勻覆蓋地表,噴頭之間形成了良好的匹配關(guān)系,扇形噴霧區(qū)域交錯均勻,有利于保持平均噴施質(zhì)量。

2)15°坡地噴施如圖4所示。坡地噴施時,噴藥架由于受到坡地的傾斜影響,其與水平方向產(chǎn)生15°的傾斜,但仍與耕地表面相平行;在這種狀態(tài)下,高壓噴霧噴出的扇形霧面區(qū)域能均勻覆蓋耕地表面,且有利于保證噴霧覆蓋均勻性。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)平地噴霧狀態(tài)Fig.3 Spray state of standard flat ground

圖4 15°坡地噴霧狀態(tài)Fig.4 Spray status on 15° slope

3)間隔凹坑地。在該地表狀態(tài)下開展植保噴霧作業(yè),由于噴藥架頻繁下落進(jìn)入凹坑再駛出凹坑,導(dǎo)致噴藥架受到向下和向上的沖擊力,噴藥架頻繁出現(xiàn)縱向運(yùn)動而引發(fā)形變。該地表狀態(tài)引發(fā)的形變主要以倒U型形變[見圖5(a)]、U型形變[見圖5(b)]為主,兩種形變引發(fā)了噴嘴噴處霧滴偏離。倒U型形變導(dǎo)致噴霧幅寬整體縮小,遠(yuǎn)離中心位置的扇形噴霧區(qū)域重合面積明顯擴(kuò)大,造成局部范圍噴霧量偏大;U型形變導(dǎo)致噴霧幅寬整體擴(kuò)大,遠(yuǎn)離中心位置的扇形噴霧區(qū)域重合面積明顯縮小,造成局部范圍的噴霧量不足。

圖5 間隔凹坑地噴霧狀態(tài)Fig.5 Spray state of the interval pit

4)左(右)側(cè)凹溝地。本文僅以左側(cè)凹溝地進(jìn)行仿真,右側(cè)凹溝地產(chǎn)生的影響相同,如圖6所示。

圖6 左側(cè)凹溝地噴霧狀態(tài)Fig.6 Spray status of left concave ditch

由于左側(cè)出現(xiàn)凹溝,噴桿噴霧機(jī)底盤傾斜引起噴藥架傾斜,此時除凹溝處的地表狀態(tài)為平地外,出現(xiàn)了左側(cè)噴藥架降低、右側(cè)升高現(xiàn)象,由左至右的噴頭離地間隙依次增加,偏離理想噴施狀態(tài);最左側(cè)區(qū)域噴霧未形成良好扇形霧面則噴施到地表,農(nóng)藥霧滴濃度偏高,左側(cè)噴幅幅寬縮小;最右側(cè)區(qū)域噴霧出現(xiàn)明顯擴(kuò)散,霧滴所覆蓋范圍的濃度偏小,右側(cè)噴幅幅寬擴(kuò)大。

5)左右交錯凹坑地。在該地面條件下作業(yè),兩側(cè)頻繁出現(xiàn)不對稱的縱向位移,導(dǎo)致底盤出現(xiàn)左右擺動,帶動噴藥架出現(xiàn)左右擺動,引發(fā)噴藥架出現(xiàn)S型形變,如圖7所示。由于左右兩側(cè)形變方向不同,一側(cè)上彎時另一側(cè)下彎,形成一側(cè)近似倒U型形變另一側(cè)近似U型形變的噴霧偏移特點(diǎn),左右交錯凹坑地行駛過程受到地表狀態(tài)的實(shí)時變化影響較大,兩側(cè)噴霧不僅偏離標(biāo)準(zhǔn)工況,同時兩側(cè)出現(xiàn)噴霧覆蓋面積回縮與擴(kuò)張的不同情況,對噴霧覆蓋的均勻性影響較大。

圖7 左右交錯凹坑地噴霧狀態(tài)Fig.7 Spray state of left and right staggered pits

4 仿真數(shù)據(jù)下的噴霧技術(shù)優(yōu)化與驗證

4.1 技術(shù)優(yōu)化方案

4.1.1 不同地形下噴霧質(zhì)量變化

從UG仿真不同地形的噴霧過程來看,地形對于噴桿噴霧機(jī)的影響主要分為3類:一是在標(biāo)準(zhǔn)平地和15°坡地等平整地面噴施時,噴桿能夠保持與地表的平行狀態(tài),噴出的噴霧覆蓋范圍及霧滴密度與預(yù)期的噴施效果接近,不會對噴施的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響;二是左(右)側(cè)凹溝地行駛時,由于兩側(cè)輪胎所處地面高度不一致,噴藥架整體與水平地面產(chǎn)生一定傾角,噴霧的覆蓋范圍和霧滴的單位沉積密度發(fā)生了明顯變化,導(dǎo)致噴藥架左右兩側(cè)噴頭噴出的農(nóng)藥藥霧實(shí)際作用效果達(dá)不到預(yù)期,即農(nóng)藥藥霧密度過大易產(chǎn)生藥害,農(nóng)藥藥霧密度過小達(dá)不到最佳的病蟲害預(yù)防及治療效果;三是間隔凹坑地、左右交錯凹坑地等具有一定顛簸振動的行駛條件,噴藥架產(chǎn)生U形彎曲、倒U形彎曲、S形彎曲,導(dǎo)致噴霧作業(yè)的均勻性得不到保證,頻繁的振動傳遞到噴藥架后導(dǎo)致噴藥架整體處于不穩(wěn)定狀態(tài),導(dǎo)致大面積植保噴霧過程田間隨機(jī)位置出現(xiàn)噴霧濃度偏高(偏低)或產(chǎn)生重噴(漏噴)等問題[7-8]。基于上述分析,要改善噴桿噴霧機(jī)受地形影響而出現(xiàn)的噴霧質(zhì)量降低,可從以下兩方面考慮進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化:①降低地表凹坑等不良條件產(chǎn)生的振動及變形影響;②減小噴藥架與耕地表面出現(xiàn)不平行的概率。

4.1.2 結(jié)構(gòu)及技術(shù)優(yōu)化

1)噴藥架的剛性優(yōu)化。首先,針對噴藥架的噴桿折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,傳統(tǒng)的折疊結(jié)構(gòu)體積較大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多采用不銹鋼材質(zhì)配合液壓油缸實(shí)現(xiàn)自動展開與收折。由于折疊組件質(zhì)量大,對于寬幅噴藥架,為降低折疊后的幅寬,提高運(yùn)輸?shù)谋憬菪?需要在左右兩側(cè)對稱布置多組折疊結(jié)構(gòu),使噴藥架展開后整體質(zhì)量增加,且折疊裝置位置受到的振動慣性大,易引起噴藥架振動變形量的增加。在此對傳統(tǒng)的折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕簡化設(shè)計,采用3030系列硬質(zhì)鋁合金替代折疊傳統(tǒng)架體,鋁合金表面噴涂聚四氟乙烯,采用Y字型折疊結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的平行四桿結(jié)構(gòu),進(jìn)一步減少折疊結(jié)構(gòu)零件數(shù)量,使折疊結(jié)構(gòu)整體重量降低約43%;其次,對噴藥架型材進(jìn)行優(yōu)化,選擇的細(xì)長型材內(nèi)部帶有一次成型的翼肋,進(jìn)一步提高型材的剛性,其抗變形能力提升。

2)振動控制優(yōu)化。在噴藥架與噴桿噴霧機(jī)主梁之間設(shè)計并安裝了4組筒式液壓減震器,用以減少耕地地表凹坑造成的振動影響,使傳遞到噴藥架的振動進(jìn)一步減少,能夠更好地控制噴桿噴霧機(jī)在間隔凹坑地、左右交錯凹坑地行駛時因振動產(chǎn)生的變形量,并降低左右兩側(cè)擺動幅度[9]。

3)電液控制優(yōu)化。電液控制的優(yōu)化重點(diǎn)集中在控制噴藥架始終保持與耕地表面的平行狀態(tài)。首先,在幅寬28 m的噴藥架上安裝有4個松下HG-C1100測距傳感器和1個理研RFL-1502條式水平儀,采用測距傳感器多點(diǎn)測量噴藥架不同位置與耕地表面的距離,水平儀提供噴藥架的水平狀態(tài),用以輔助控制系統(tǒng)判斷噴藥架與地表傾角,有效提高檢測及控制過程的精確性及魯棒性。采用模糊控制理論處理獲取的數(shù)據(jù)信息,當(dāng)左右兩側(cè)有3個及以上傳感器測距值近似時視為噴藥架與地表水平。當(dāng)有2個傳感器測距值存在較大偏差(大于20cm)時,則做以下判斷:若2個存在偏差傳感器位于同一側(cè),則判定為噴藥架與耕地表面不平行,應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。若左右兩側(cè)各有1個傳感器測得數(shù)值偏小(或偏大),而左右兩側(cè)各剩余的1各傳感器測量值近似,也視為噴藥架與地表水平。噴藥架的調(diào)平采用電控液壓系統(tǒng)控制,利用電磁液壓缸實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整。調(diào)整過程設(shè)置兩類判斷程序:一是傾角判斷,主要是分析噴藥架與耕地表面是否存在過大的夾角,即出現(xiàn)嚴(yán)重的不平行問題。二是持續(xù)性判斷,當(dāng)噴藥架與耕地表面存在過大的夾角時監(jiān)測夾角存在的時間:當(dāng)該狀態(tài)持續(xù)超過5s時,控制系統(tǒng)啟動調(diào)整功能,控制噴藥架與耕地表面保持水平;當(dāng)噴藥架與耕地表面存在過大的夾角噴藥架與耕地表面存在過大夾角的狀態(tài)持續(xù)不超過5s時,視為瞬時振動導(dǎo)致的偏斜,不進(jìn)行噴藥架調(diào)整[10]。

4.2 優(yōu)化后的試驗驗證

根據(jù)結(jié)構(gòu)及技術(shù)的優(yōu)化方案,對噴桿噴霧機(jī)的噴藥架進(jìn)行了技術(shù)改造與升級,并利用農(nóng)民現(xiàn)有噴霧機(jī)制造了1臺試驗樣機(jī),在榆樹和公主嶺地區(qū)先后進(jìn)行了生產(chǎn)試驗。

試驗采用對比作業(yè)的方式實(shí)施,設(shè)標(biāo)準(zhǔn)平地下的霧化覆蓋率為100%,試驗機(jī)與對比機(jī)參數(shù)調(diào)整為高度相同、行駛速度相同,每種地形試驗3次,利用紫色液體代替農(nóng)藥藥液,在試驗地表間隔布置200張測試紙張,檢測在多種地形狀態(tài)下的霧化覆蓋率,并與標(biāo)準(zhǔn)平地下的噴霧覆蓋質(zhì)量進(jìn)行對比,測得試驗數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知,優(yōu)化后的試驗樣機(jī)霧化均勻性與噴施質(zhì)量得到了相應(yīng)提升。

表2 試驗數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

1)利用UG的動畫仿真功能對不同地形下噴藥架噴出霧滴覆蓋情況進(jìn)行了分析,并在分析相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對噴藥架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、電液控制技術(shù)的優(yōu)化。經(jīng)試驗驗證,霧化噴施質(zhì)量得到了相應(yīng)提升。

2)本次針對噴桿噴霧機(jī)噴藥架形變控制優(yōu)化仍為達(dá)到理想狀態(tài),后續(xù)重點(diǎn)在以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn):①進(jìn)一步對減震技術(shù)進(jìn)行升級,嘗試采用反應(yīng)迅速、阻尼可調(diào)、可控性強(qiáng)的磁流變減震器提升振動控制能力;②進(jìn)一步結(jié)合受力分析軟件優(yōu)化噴藥架桁架物理結(jié)構(gòu),利用物理和幾何結(jié)構(gòu)提升噴藥架整體抗變型能力。