基于三獨立平臺模擬噴桿裝置研究

王浩宇，馬永偉

（1.江蘇大學基礎(chǔ)工程訓練中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.鎮(zhèn)江三鑫金屬工業(yè)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212011）

基于三獨立平臺模擬噴桿裝置研究

王浩宇1，馬永偉2

（1.江蘇大學基礎(chǔ)工程訓練中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.鎮(zhèn)江三鑫金屬工業(yè)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212011）

大型噴桿式植保機械在田間作業(yè)時，噴桿運動嚴重影響了噴霧分布。懸架系統(tǒng)是控制噴桿動力學行為的關(guān)鍵裝置，既要隔離來自車體的高頻擾動，又要使噴桿跟蹤低頻的地面坡度變化，時刻保持與植株冠面層平行。為了研究懸架減振系統(tǒng)對噴桿動力學行為影響機理，綜合考慮車體運動耦合作用、地形坡度變化、摩擦等因素，構(gòu)建了三獨立運動平臺，通過復合運動的疊加，真實的仿真模擬大型噴霧機噴桿動力學行為，從而為建立科學的數(shù)學模型提供了理論基礎(chǔ)，為研究大型噴桿懸架參數(shù)優(yōu)化配置提供理論依據(jù)與試驗平臺，有利于大型噴桿動力學特性試驗方法、檢測標準的完善。

模擬噴桿；噴桿運動；擺動；傳動裝置；試驗

我國是農(nóng)藥使用大國，由于植保機械中的施藥器械和技術(shù)落后,農(nóng)藥的利用率很低,只有10%～30%,與發(fā)達國家50%的利用率差距大。改進施藥機械或施藥技術(shù),提高農(nóng)藥利用率，對于節(jié)約成本、保護環(huán)境意義重大。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對環(huán)境生態(tài)安全和人類健康將更加重視，對能夠提高農(nóng)藥利用率和降低勞動強度的要求更為強烈。

目前，鑒于我國植保機械發(fā)展的現(xiàn)狀，提高施藥器械的綜合性能顯得尤為迫切。而作為施藥器械的核心部件，噴桿的高效精準動作又是改進其性能和提高技術(shù)水平的關(guān)鍵因素。國內(nèi)市場上，現(xiàn)有施藥器械的噴桿尺寸小，噴桿動作不精準，尤其復合運動的疊加效應無法顯現(xiàn)，從而造成了藥物噴灑過程的浪費和機械化水平偏低。

基于三獨立平臺模擬噴桿試驗裝置，能夠復合各種運動形式，真實的模擬植保機械噴桿運動狀態(tài)，對噴桿的懸掛系統(tǒng)以及高精度、高穩(wěn)定性的噴桿式噴霧機的研究具有重要意義。

1 三獨立平臺模擬噴桿裝置與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

模擬噴桿運動的試驗裝置如圖1 所示，包括機架4，所述機架的頂部安裝有噴桿部裝1，噴桿部裝1包括加長桿、固定裝置、斜撐和主桿，所述主桿的兩端均通過固定裝置與加長桿固定連接，加長桿與主桿保持同軸，主桿的中部固定有與主桿垂直的撐管，撐管的頂部和主桿的兩端通過斜撐固定連接，主桿的底部偏心處還設(shè)有旋轉(zhuǎn)吊耳，所述機架4上還安裝有用于驅(qū)動噴桿部裝1進行復合運動的上下擺動裝置2、左右擺動裝置3、抬升裝置6和傳動裝置5。通過設(shè)置的上下擺動裝置、左右擺動裝置、抬升裝置和傳動裝置，能實現(xiàn)噴桿部裝的上下擺動、左右擺動和抬升動作，能模擬出噴桿部件的真實運動。模擬噴桿通過三個獨立平臺的動作，形成繞J軸的轉(zhuǎn)動，沿J軸的上下移動及在繞鉸接點的轉(zhuǎn)動。

圖1 三獨立平臺模擬噴桿裝置

1.2 工作原理

當噴桿部裝1需要進行抬升時，啟動抬升裝置6第一伺服電機601，通過同步帶604的傳遞作用，大同步帶輪6帶動傳動主軸606轉(zhuǎn)動，連接座609同步轉(zhuǎn)動，由于小軸612置于連接座609的偏心位置處，且與連桿611鉸接，在連接座609轉(zhuǎn)動時，能實現(xiàn)連桿611的升降運動，所述連桿611的頂端通過銷軸502與下支座501鉸接由于下支座501是固定安裝在傳動裝置安裝板408上的，傳動裝置安裝板408與第一光軸403滑動連接，在連桿611上升時，主軸515和軸承座508同步上升，使得安裝在主軸515上的噴桿部裝1進行上升運動。

當噴桿部裝1需要進行上下擺動時，在第二伺服電機201轉(zhuǎn)動時，上下擺動裝置主軸205同步轉(zhuǎn)動，凸輪盤207即可與連桿固定軸209進行轉(zhuǎn)動。由于連桿固定軸209的端部置于上下擺動裝置連桿208內(nèi)且與上下擺動裝置連桿208轉(zhuǎn)動連接，即可實現(xiàn)上下擺動裝置連桿208上下運動，以此實現(xiàn)主桿105的上下擺動。

當噴桿部裝1需要進行左右擺動時，第三伺服電機301帶動左右擺動裝置主軸305轉(zhuǎn)動，此時圓柱凸輪308同步轉(zhuǎn)動，連桿凸輪滾子部裝307能在凹槽限定的范圍內(nèi)實現(xiàn)左右的往復運動，所述連桿凸輪滾子部裝307的頂部固定安裝在左右擺動座512的偏心處，能帶動左右擺動座512進行左右的擺動，進而實現(xiàn)噴桿部裝1的左右擺動。

圖2 噴桿部裝

圖3 上下擺動裝置

圖4 左右擺動裝置

圖5 機架

圖6 傳動裝置

圖7 抬升裝置

2 試驗

為了驗證可靠性，以圖1所示的三獨立平臺模擬噴桿裝置為試驗對象，進行動態(tài)響應測試，利用三維模型，測得噴桿繞質(zhì)心Y軸方向慣量Iy＝28700kg·m2。通過六自由度運動模擬平臺進行噴桿運動試驗，六自由度平臺側(cè)傾角運動范圍±5°，頻率0.1～10Hz，垂直瞬時速度1m/s，上下及前后擺動角速度10°/s；垂直最大線加速度1g，擺動角加速度5rad/s2。通過三個獨立平臺復合運動產(chǎn)生繞J軸的瞬態(tài)激勵，噴桿傾角響應，試驗數(shù)據(jù)比模型預測稍有滯后，主要是由于轉(zhuǎn)動副存在摩擦造成。利用三個獨立平臺復合運動進行頻率分析，運動平臺輸出繞J軸轉(zhuǎn)角正弦激勵（幅值01rad），激勵頻率在0.1～10Hz范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

通過該模擬噴桿運動試驗裝置，噴桿可以分別實現(xiàn)三種獨立運動形式：垂直升降、前后擺動、上下旋轉(zhuǎn)運動以及三種運動形式的疊加運動，實現(xiàn)了噴桿運動軌跡的多樣性。滿足了為實現(xiàn)噴霧效果而對噴桿運動形式的各種要求，從而到達了噴霧效率的最大化。

通過該模擬噴桿運動試驗裝置，大尺寸噴桿真實模擬出噴桿部件的運動形式，對噴桿的懸掛系統(tǒng)以及高精度、高穩(wěn)定性的噴桿式噴霧機的研究具有重要意義。

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