高射程噴霧機優化設計虛擬仿真實驗教學

施明宏 蔣雪松 許林云 周宏平

摘要：作為林業高校林業機械專業的必修實驗課，高射程噴霧機優化設計實驗存在諸多實驗教學難點。虛擬仿真技術的應用為解決這些教學難點提供了新的思路。文章闡述的高射程噴霧機優化設計虛擬仿真實驗教學將分成三大模塊，通過虛實結合的方式進行高射程噴霧機的設計、加工、組裝和測試過程，幫助學生提升專業知識及專業技能。

關鍵詞：高射程噴霧機;優化設計;虛擬仿真;實驗教學

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0271-02

高大林木病蟲害防治亟待解決的兩大難題是射程和覆蓋率。高射程噴霧機優化設計實體實驗針對這兩大難題對噴霧機風筒內部結構進行優化設計，以改善風筒內部氣流特性，減少風能損失，提高出口風速，將經過供藥系統和噴霧系統霧化后的農藥霧滴輸送至防治目標;同時通過風筒的上下擺動，可實現高大林木樹冠噴霧全覆蓋，從而達到防治目的和防治效果。本文基于虛擬仿真技術對高射程噴霧機進行優化設計，設計模塊包括實驗簡介模塊、各組件優化設計模塊、整機虛擬組裝模塊和性能測試模塊等幾大功能模塊。

一、高射程噴霧機實體實驗現狀

高射程噴霧機優化設計實驗在培養學生的設計能力、創新開發能力和綜合運用能力方面發揮了積極作用。但林產過程裝備實驗耗時長，存在能耗大、高危險等問題，不適宜常規實驗教學[1]。本實體實驗無法有效開展的原因在于：（1）噴霧機設計、加工、組裝歷程長：每個學生都要經歷設計、優化、加工、組裝、林間驗證過程，時間長達4—6個月。（2）空間受限，測試難度大：根據國家標準，噴霧高度應在靜風條件下測試。本項目對應的實體實驗需建設高度為50米以上的室內實驗場地，目前國內外均無相應的實驗條件。（3）病蟲害發生季節性強，農藥噴霧中毒風險高：實體實驗無法隨時隨地檢驗施藥防治病蟲害的效果，環境和學生安全防護壓力大。

因此，單純依賴現有實體實驗無法完成教學內容，更無法達到實驗目的，可采用信息化手段和虛擬仿真技術，通過虛實結合的實驗手段，針對不同的防治對象，實時、精準、直觀地體現每一步驟的設計效果，從而縮短了實驗周期，降低實驗成本。虛擬仿真實驗為學生獨立自主地進行學習與實踐創造了良好的條件，更有利于培養學生的實際應用能力和綜合素質[2]。

二、實驗設計思路及內容

本實驗應用信息化技術，模擬實際的高射程噴霧機設計、加工、組裝、操作全過程，帶給學生身臨其境般的實訓體驗，可有效提高實驗教學效果和學生的學習效率，培養學生掌握林業機械設計及其加工技術的能力。高射程噴霧機實體實驗為虛擬仿真實驗提供后臺數據庫，該虛擬實驗采用分模塊化設計，各組件優化設計模塊、整機虛擬組裝模塊和性能測試模塊。

（一）各組件優化設計模塊

高射程噴霧機由發電機組、噴霧系統、風送系統、供藥系統、風筒擺動系統、控制系統等組成，具體包括風機、整流體、收縮筒、導流葉片、藥泵、噴頭組件、藥箱、底盤、支架、風筒擺動機構、發電機組、控制器與操作面板、操作器、工具箱等部件。實驗主要圍繞“噴霧射程”和“噴霧覆蓋率”兩個終極目標對機器進行優化設計。

1.樹木形態參數測量。以行道樹實驗場景為例，場景中出現大量蟲害，亟待進行有效防治，在界面中，學生可任意選取一棵樹，個性化隨機顯示標尺測量出樹高和冠高的具體數值。例：測得樹高為20m，冠高為10m。學生隨機點擊測量樹高，顯示標尺測量出具體數值為15米到40米之間，明確防治裝備設計要求：大型車載、移動速度可調、效率高、射程高、穿透性好，從而確定高射程噴霧機為適應的防治裝備。

2.風送系統設計——確定風機型號。風機的風量和風壓影響霧滴的大小和噴霧機的噴幅、射程，對改進風機結構、改善高射程噴霧機性能具有重要的意義[3]。

第一步是風筒直徑的確定，風筒直徑是確定風送系統最關鍵的參數，學生根據《林業機械》教材中的紊流自由射流理論相關計算公式計算出風筒直徑，并進行圓整，根據直徑系列進行選型。

學生通過風筒直徑和風量的計算值，按風機第一優先系列進行選型。根據垂直射程和水平射程之間的關系：垂直射程一般為水平射程的2/3，判定初步選定的風機對應的射程能否滿足樹高噴霧要求，然后進行水平射程測試，測試過程中若“無法滿足”，則需進行優化設計。

3.風送系統結構優化及效果測試——收縮筒角度確定。實驗界面中設置“相關設計說明”欄，學生在設計之前“參看相關設計說明”可幫助學生獲取不同收縮筒角度下的流場仿真，輔助學生進行收縮筒角度的優化，由氣流場仿真圖可知收縮筒角度的優化可有效提高風筒出風口風速。研究收縮筒角度和風筒出風口風速增量之間的關系，針對不同的收縮筒角度進行5次單因子實驗，記錄并填寫實驗數據。

將收縮筒角度值和風速增量值進行曲線擬合，學生通過擬合曲線研究風速增量和收縮筒角度之間的規律，從而判斷收縮筒角度的優化范圍，并確定優化值。

4.構優化及效果測試——整流體設計。基于CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真考查整流體形狀對流場的影響，整流體設計分為不加整流體、加圓柱形整流體、加錐形整流體三種情況。

針對不同形狀的整流體，系統進行水平射程的實時測試，提示學生當前的水平射程具體數值。

5.構優化及效果測試——確定導流葉片數量。導流葉片的設置可有效地將由風機產生的高速旋轉氣流的周向運動轉化為軸向運動，從而降低能耗，提高風筒出口風速。學生在設計過程中，點擊“參看相關設計說明”按鈕可幫助學生獲取不同導流片數量下的流場仿真情況。權衡整流效果及邊界層效應的導流葉片數量設計，不僅要考慮風筒內部的流場變化，還應考慮實際生產成本，導流葉片數量越多，氣流場越均勻可靠，但同時也增加了耗材，因此導流葉片的選取滿足射程即可。

風送系統設計完成后進行總體優化效果檢測實驗。系統進行水平射程的實時測試，提示學生當前的水平射程具體數值，如射程達不到要求，可以重新進行相關裝置的優化設計。

6.風筒擺動系統設計——搖桿機構設計。為滿足高大林木噴霧覆蓋面要求，必須對風筒擺動系統進行設計。根據樹高、樹冠等實驗初始階段獲得的重要指標，計算風筒擺動機構的仰角上限、下限等關鍵參數，并根據《機械原理》中的平面連桿機構知識點和樹木高度、樹冠特征對擺動系統進行設計，實現風筒的上下擺動，達到樹冠噴霧全覆蓋的目的。

7.供藥系統設計。供藥系統分為噴頭、藥泵和藥箱。學生根據噴頭類型對應的噴霧特性，進行噴頭選型設計;根據風筒直徑計算最大噴藥量，確定藥泵型號，進行藥泵選型;根據風筒直徑計算最小噴藥量，確定藥箱容積。

8.整機動力設計——發電機組功率確定。綜合考慮風機藥泵、搖擺機構的動力，確定發電機組的功率。

（二）噴霧機整機組裝

在完成各組件優化設計模塊后，學生將對風送系統、供藥系統、風筒擺動系統等各組件進行組裝。

（三）達成度判別

達成度判別主要考查兩個核心指標：一是噴霧射程（風送系統）是否達到要求，即風送系統設計得是否合理;二是噴霧覆蓋面是否達到要求，即風筒擺動角度設計得是否合理，通過病蟲害的防治效果檢驗噴霧對樹冠的覆蓋程度，從而考查曲柄搖桿機構（噴筒的擺動角度）的設計效果。

學生確認完成實驗后，系統自動生成實驗報告，包括各實驗流程及設計參數值;同時生成學生課后習題界面，供學生對知識點的鞏固及專業技能的提高。

三、結語

高射程噴霧機優化設計虛擬仿真實驗涉及環節綜合性強，關聯度高，通過虛擬及網絡技術直觀地展現了高射程噴霧機的系統構成、整機及各部件的工作原理，能讓學生實時體驗優化設計效果，并通過整機的達成度檢驗驗證學生對機器優化設計的成效，最后通過實驗報告、實驗習題等各種人性化服務環節使學生的專業知識和專業技能得到有效鞏固和顯著提升，更激發了學生對專業學習的興趣，可大大提高專業的實際教學質量。

參考文獻：

[1]陳青，蔣雪松，許林云，等.虛擬仿真技術在林業機械課程教學改革中的應用[J].當代教育實踐與教學研究，2018，（3）.

[2]程思寧，耿強，姜文波，等.虛擬仿真技術在電類實驗教學中的應用與實踐[J].實驗技術與管理，2013，（07）：94-97.

[3]劉秀娟，茹煜，鄭加強，等.高射程噴霧機射流規律和射程的研究[J].農機化研究，2011，33（3）：143-145.