基于ADAMS的卷盤式噴灌機(jī)負(fù)載特性研究

何 猛，佟 哲，李 偉，邱志鵬，彭 濤

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.江蘇華源節(jié)水股份有限公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

卷盤式噴灌機(jī)作為一種廣泛應(yīng)用的移動式農(nóng)田灌溉設(shè)備[1-2]，因其具有單位面積灌溉成本低、機(jī)動性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國華北、東北等大面積農(nóng)田的灌溉[3-6]場合。

卷盤式噴灌機(jī)多采用水渦輪為動力源驅(qū)動卷盤旋轉(zhuǎn)[7]，為提高水渦輪運(yùn)行效率，需要對卷盤式噴灌機(jī)的負(fù)載特性進(jìn)行研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者對卷盤式噴灌機(jī)的工作特性進(jìn)行了一些研究：Perry L Oakes[8]等研究了軟管牽引式噴灌機(jī)壓力損失的特點(diǎn)，解決了壓力主要損失在何處的問題，并做了一定的優(yōu)化工作；顧哲[9]等以軟管牽引式卷盤噴灌機(jī)為對象，建立了卷盤負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算的數(shù)學(xué)模型，理論推導(dǎo)了卷盤式噴灌機(jī)在運(yùn)行時的卷盤負(fù)載轉(zhuǎn)矩數(shù)學(xué)計算模型。現(xiàn)有研究多停留在理論層次，沒有實際物理樣機(jī)實驗做對比，不利于卷盤式噴灌機(jī)負(fù)載特性的進(jìn)一步研究。

本文通過虛擬樣機(jī)技術(shù)建立JP75-300型卷盤式噴灌機(jī)仿真模型，研究了卷盤式噴灌機(jī)工作時負(fù)載扭矩的變化規(guī)律，并通過與實驗數(shù)據(jù)對比驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性。文章創(chuàng)新點(diǎn)如下：①搭建了基于物理樣機(jī)的扭矩測試實驗臺，且采用步進(jìn)電機(jī)做動力裝置，能準(zhǔn)確測試卷盤式噴灌機(jī)工作時的負(fù)載扭矩變化規(guī)律。②基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立卷盤式噴灌機(jī)的仿真模型，該模型在物理樣機(jī)的基礎(chǔ)上做了合理的簡化，并通過實驗驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性與可靠性。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

卷盤式噴灌機(jī)是一種利用水渦輪驅(qū)動卷盤旋轉(zhuǎn)、拖動噴頭車在行進(jìn)間噴灑水的灌溉設(shè)備，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，噴頭車連接PE卷管與噴頭，將高壓水均勻噴灑；地錨起固定作用，保證噴灌機(jī)在工作過程中固定不動；壓管裝置起壓緊PE卷管，防止亂管的作用；支架起調(diào)整噴灌機(jī)底盤保持水平的作用。

1.地錨 2.速度補(bǔ)償裝置 3.卷盤 4.PE管 5.噴頭車 6.噴頭 7.支架 8.車架 9.地輪

工作原理：卷盤式噴灌機(jī)采用水渦輪作為動力驅(qū)動系統(tǒng)，采用大截面小壓力的巧妙設(shè)計，即使在噴水流量很小的情況下，亦可以實現(xiàn)較高的PE管回收速度。工作時，水渦輪的輸出轉(zhuǎn)軸經(jīng)過帶傳動裝置與減速器輸入軸連接，經(jīng)過減速器的“減速增扭”作用，較大的扭矩力作用于卷盤以驅(qū)動卷盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)PE軟管的自動回收。與此同時，流經(jīng)水渦輪的高壓水經(jīng)PE軟管輸送到噴頭車的噴頭處，經(jīng)過噴頭的細(xì)化和霧化，形成的細(xì)小水滴和水霧，噴灑到農(nóng)作物上空并均勻降落，形成“人工降雨”；隨著PE軟管的不斷回收，不間斷地進(jìn)行噴灌作業(yè)，達(dá)到噴水灌溉的目的。

2 卷盤式噴灌機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩理論分析

首先建立卷盤式噴灌機(jī)負(fù)載模型，如圖2所示。

1.噴頭車 2.PE管 3.卷盤

當(dāng)卷盤勻速轉(zhuǎn)動，拖動噴頭車和PE管回收完成噴灌作業(yè)時，卷盤受到3個力，分別是地面與噴頭車相對運(yùn)動產(chǎn)生的滾動摩擦力1、地面與PE管相對運(yùn)動產(chǎn)生的滑動摩擦力2及卷盤提升PE管和管內(nèi)水的重力F。因本文研究的內(nèi)容為卷盤式噴灌機(jī)工作時的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，PE管和管內(nèi)水的重力F相對于地面與噴頭車相對運(yùn)動產(chǎn)生的滾動摩擦力1及地面與PE管相對運(yùn)動產(chǎn)生的滑動摩擦力2較小，本文予以忽略不計。

2.1 初估噴頭車質(zhì)量

查閱現(xiàn)行JP75-300型噴灌機(jī)整機(jī)參數(shù)，初步選用的噴頭型號：50PYC，噴頭車總質(zhì)量：m總≈100kg。其中，摩擦參數(shù)選取參照GB/T21400．1-2008《絞盤式噴灌機(jī)第1部分: 運(yùn)行特性及實驗室和田間試驗方法》[10]給出的經(jīng)驗值。

噴頭車產(chǎn)生的摩擦力為

F1=f1m總g≈98N

(1)

式中m總—噴頭車總質(zhì)量；

2.2 計算PE管質(zhì)量

現(xiàn)行大型卷盤式噴灌機(jī)使用的PE管材料是特制的聚乙烯材料，查詢相關(guān)資料取其密度為ρ管=0.96g/cm3，則有

(2)

卷盤式噴灌機(jī)300m PE管中所含灌溉水質(zhì)量為

(3)

式中ρ水—噴灌水密度(kg/m3)，近似地取1 000kg/m3。

PE管與地面產(chǎn)生的摩擦總力為

F2=f2×(m管+m水)g≈5137N

(4)

式中f2—PE管與田地地面間的摩擦因數(shù)，取f2=0.4。

2.3 卷盤的受力分析

由上面分析過程得，卷盤牽引力為

F=F1+F2=5235N

(5)

卷盤的牽引力矩為

T=Fd1/2≈3271.9N·m

(6)

式中d1—卷盤直徑。

3 仿真分析

3.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介

虛擬樣機(jī)技術(shù)是許多技術(shù)的綜合，其核心部分是多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實現(xiàn)。ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是最著名的虛擬樣機(jī)分析軟件，是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS 軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷，以及計算有限元的輸入載荷等。目前，ADAMS已在航天機(jī)械、鐵路、汽車、飛機(jī)、工程機(jī)械及一般機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被全世界各行各業(yè)的大多制造商采用[11]。

3.2 仿真模型的簡化

卷盤式噴灌機(jī)主要由卷盤、傳動機(jī)構(gòu)、動力源、底盤、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、PE管和噴頭車等組成。為了提高仿真效率，確保仿真準(zhǔn)確可靠，本文對仿真模型進(jìn)行了合理簡化，仿真模型主要由卷盤、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和PE管和地塊組成。模型簡化過程中，將PE管簡化為微段PE管拼接。其中，PE管長10m，微段PE管長度為5cm，并依次編號，與卷盤連接的為第1段，離卷盤最遠(yuǎn)的為第200段；將卷盤作為驅(qū)動裝置，并施加驅(qū)動力矩，將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的雙向絲杠系統(tǒng)簡化為一個移動副；把噴頭車的摩擦阻力等效代替到PE管的第196～200段上，將PE管及管內(nèi)水的質(zhì)量均分到這200微段PE管上，PE管與卷盤用固定副連接、PE管與地塊和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用剛性接觸進(jìn)行約束，PE管微段之間采用軸套力連接。

3.3 仿真模型的建立

虛擬樣機(jī)三維模型的建立主要有兩種方法：一是通過CAD軟件完成建模，然后通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入ADAMS中；二是通過ADAMS軟件自身完成模型的建立。本文通過軟件自身建立三維模型，方便后期模型修改以及運(yùn)動副的添加[12]。其中，接觸力(Contact)以及軸套力(Bushing)的添加均采用宏命令的方式進(jìn)行添加，可以大大提高建模效率，提高建模準(zhǔn)確性。簡化后的動力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 卷盤式噴灌機(jī)動力學(xué)模型

3.4 仿真分析

虛擬樣機(jī)仿真，對計算機(jī)硬件要求較高。由于微段PE管、軸套力(Bushing)、接觸力(Contact)的數(shù)量較多，求解困難，對仿真速度影響較大，本文采用腳本仿真，可對約束的有效性進(jìn)行控制，方便設(shè)置仿真條件。本文仿真兩種工況，根據(jù)噴頭車的回收速度分為兩種工況，分別為低速工況(0.35m/min)與高速工況(1.25m/min)。本文仿真條件設(shè)置與試驗條件完全一

樣，主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

表2 軸套力參數(shù)表

分別設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行對比仿真分析。仿真結(jié)束后，在ADAMS的Post process后處理模塊查看仿真實驗結(jié)果，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化趨勢分別如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可以看出：低速工況與高速工況負(fù)載轉(zhuǎn)矩在3 200N·m上下波動，且高速工況相比于低速工況波動更加劇烈，符合實際工況；高速工況的啟動負(fù)載轉(zhuǎn)矩比低速工況的啟動負(fù)載轉(zhuǎn)矩高1 000N·m。與實驗測得數(shù)據(jù)較為吻合；在卷盤勻速回收階段，低速工況與高速工況的負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本一致。

圖4 低速工況負(fù)載轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

圖5 高速工況負(fù)載轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

4 實驗與對比分析

4.1 實驗臺簡介

實驗臺搭建在卷盤式噴灌機(jī)物理樣機(jī)上，主要由步進(jìn)電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器和扭矩傳感器構(gòu)成，可以測量卷盤式噴灌機(jī)工作過程負(fù)載扭矩的變化。實驗扭矩采集系統(tǒng)采用以計算機(jī)為硬件平臺的北京世通科創(chuàng)技術(shù)有限公司TQ-USB采集系統(tǒng)，采用扭矩傳感器型號為TQ-660,量程(0±1 000)N·m(見圖6)，實驗臺結(jié)構(gòu)如圖7所示。

動力由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速器、聯(lián)軸器、扭矩傳感器傳遞給卷盤。扭矩傳感器安裝在減速器輸出軸與鏈輪的輸入軸之間，由測得的鏈輪輸入轉(zhuǎn)矩結(jié)合鏈輪傳動比計算出工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

4.2 對比與分析

4.2.1 實驗

本實驗研究卷盤式噴灌機(jī)工作時的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，驗證模型的準(zhǔn)確性，為研發(fā)新型卷盤式噴灌機(jī)提供理論依據(jù)。

本次實驗參考GB/T21400.1-2008《絞盤式噴灌機(jī)第1部分: 運(yùn)行特性及實驗室和田間試驗方法》，設(shè)定噴灌機(jī)分別工作在兩種工況，分別為低速工況(0.35m/min)與高速工況(1.25m/min)。兩種工況分別對卷動第一層PE管的狀態(tài)進(jìn)行了測試，即負(fù)載最大的工況。通過本實驗對負(fù)載扭矩的變化規(guī)律進(jìn)行研究，研究噴灌機(jī)作業(yè)時的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)設(shè)定條件進(jìn)行實驗，低速工況與高速工況下外部負(fù)載的變化情況如圖8、圖9所示。

圖6 TQ-USB采集分析系統(tǒng)實物

圖7 卷盤式噴灌機(jī)物理樣機(jī)實驗臺

4.2.2 對比分析

由圖8和圖9結(jié)合仿真數(shù)據(jù)對比可知：兩種工況下的仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)基本一致。高速工況較低速工況啟動負(fù)載轉(zhuǎn)矩高約1 000N·m。這是因為高速啟動用時更短，動量的變化率更大。同時，高速工況較低速工況負(fù)載的變化更劇烈，這符合實際工況。因此，仿真模型準(zhǔn)確可靠，能準(zhǔn)確地反應(yīng)卷盤式噴灌機(jī)工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律。

圖8 低速工況負(fù)載轉(zhuǎn)矩實測結(jié)果

圖9 高速工況負(fù)載轉(zhuǎn)矩實測結(jié)果

5 結(jié)論

1)基于ADAMS建立了JP75型卷盤式噴灌機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，并基于模型完成了關(guān)于卷盤式噴灌機(jī)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的仿真研究，仿真實驗數(shù)據(jù)在物理樣機(jī)實驗得到了驗證，該仿真模型對新型卷盤式噴灌機(jī)的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

2)對卷盤式噴灌機(jī)進(jìn)行了實驗，通過卷盤式噴灌機(jī)物理樣機(jī)實驗臺得到了卷盤式噴灌機(jī)負(fù)載特性曲線，并得出卷盤式噴灌機(jī)工作時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩約3 200N·m。

3)對不同回收速度的工況進(jìn)行了對比研究。隨著回收速度的提高，啟動負(fù)載轉(zhuǎn)矩有一個突變的過程，且高速工況下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動幅度更大，機(jī)器工作條件更惡劣。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0023-EA