高地隙噴桿噴霧機噴架設計及分析

馬 俊，溫浩軍，緱海嘯，劉國春

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.新疆農墾科學院，新疆 石河子 832000；3.農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000；4.酒泉奧凱種子機械股份有限公司，甘肅 酒泉 735000)

0 引言

化學藥劑噴施是農作物病蟲草害防治工作的重要手段和措施。目前，隨著科技的進步及生產模式的轉變，現有施藥器械由于農藥利用率、作業效率較低且勞動強度大，難以滿足大田種植的要求。高地隙噴桿式噴霧機以玉米、甘蔗等作物為作業對象，又適合棉花、小麥、大豆等作物，且施藥效率高，對作物損害低，已逐漸在農業生產中推廣。目前，國內大型噴桿噴霧機大多通過滑輪、鋼繩、棘輪等組合完成噴架的升降，噴桿折疊多用液壓油缸通過鋼絲繩、繩輪和拉桿等控制兩側噴桿進行折疊與展開操作。由于結構與空間原因，可能導致兩邊噴桿展開折疊不同步，作業穩定性差[1]。

為了解決當前噴霧機噴桿折疊、升降穩定性差的問題，設計了五段式可折疊大幅寬噴桿桁架，并對高地隙噴桿噴霧機噴桿升降機構、展開折疊結構進行了理論分析及結構設計。噴桿高度通過平行四邊形升降機構調節，噴桿折疊展開采用機械傳動機構和液壓油缸的方式，從而實現噴桿機構整體上升下降及噴桿展開折疊。為驗證噴桿設計合理性，用SoildWork軟件建立了三維模型，在Ansys中對噴桿進行了應力分析，分析噴桿設計合理性，并通過試驗測試樣機噴桿展開升降功能。

1 噴桿噴架總體結構設計

1.1 總體結構設計

本設計幅寬23m，采用五段分節式噴架，保證了設備高作業效率，噴桿折疊后便于運輸。噴桿高度可調，調節范圍為0.5～2.5m。噴桿噴架裝置通過安裝座安裝在車架上，包括中央噴架、平行四邊形升降機構、大展臂噴架及小展臂噴架，如圖1所示。

1.中央噴架 2.平行四邊形升降機 3.折疊拉桿 4.安裝座 5.大展臂噴架 6.小展臂噴架圖1 噴桿噴架裝置總體示意圖

左噴架與右噴架對稱分布在中央噴架兩端，中央噴架鉸接于升降裝置末端，噴桿折疊展開裝置通過連桿、液壓油缸鉸接于中央噴架兩端，噴頭均布在噴桿下55mm處。

1.2 工作原理

噴霧機工作時，為保證噴藥的質量，根據作物的高低，通過升降油缸控制中央噴架與作物距離，使噴桿到達合適高度，大臂噴桿展開，折疊運動由液壓缸驅動。大臂噴桿展開通過折疊油缸的伸縮帶動連接板、大展臂噴架轉動90°展開，完成大臂展開動作；小臂噴桿展開通過折疊油缸伸縮帶動連桿、拉桿，連桿拉桿與大展臂噴架、小展臂噴架相鉸接，使小展臂做180°圓周運動，完成小展臂展開折疊運動。

2 噴桿關鍵零部件設計及分析

2.1 噴桿升降機構

2.1.1 噴桿升降裝置結構設計及工作原理

為了使噴霧機適應不同高度的作物、提高施藥效率,設計了噴桿升降機構。該裝置采用平行四邊形升降機構，由上連桿、下連桿、升降液壓缸、安裝座及中央噴架組成，如圖2所示。上連桿與下連桿長度相等且平行，上連桿與下連桿一端鉸接在中央噴架，另一端鉸接在安裝座上，中央噴架的鉸接點與安裝座的鉸接位置相對相同，從而構成平行四邊形機構。通過驅動液壓油缸的行程控制中央噴架的高度，使噴桿到達合適高度。

1.中央噴架 2.上連桿 3.升降油缸 4.下連桿 5.安裝座圖2 平行四邊形升降機構示意圖

2.1.2 平行四邊形升降機構尺寸參數設計

平行四邊形升降機構連桿旋轉角影響噴桿升降性能，因此對升降機構連桿旋轉角進行計算。為了便于分析，將平行四邊形升降機構進行簡化，如圖3所示。假設連桿的初始狀態為AC、BD，噴桿高度調節范圍要求：極限高度范500～2 500mm，中央噴架高度為756mm；平行四桿機構與地面平行時的高度為1 200mm，上升高度h1為700mm，下降高度h2為1 300mm；連桿長度1 500mm。計算得：上升旋轉角為60°，下降旋轉角為28°，連桿旋轉角范圍為32°～53°。

圖3中：C1D1為平行四桿機構達到的最高極限位置；C2D2為平行四桿機構到達最低極限位置；α1為上升旋轉角(°)；α2為下降旋轉角(°)；h1為平行四桿機構上升高度(mm)；h2為平行四桿機構機構下降高度(mm)。

上升旋轉角

α1=arcsin(h1/1500)

(1)

下降旋轉角

α2=arcsin(h2/1500)

(2)

圖3 升降裝置運動簡圖

2.1.3 升降油缸安裝位置設計

根據所求上升、下降旋轉角，通過中央噴架的運動軌跡設計出升降油缸安裝位置。根據連桿運動角度(見圖4)，當升降機構到達上極限位置M時，活塞桿鉸接于A點，下降到極限位置T點時，活塞桿鉸接于B點。以A、B為圓心油缸伸長量為半徑畫弧得到a1a2、a3a4、b1b2、b3b4。圓弧分別相較于C1、C2點，C1點符合設計要求，取C1點為升降油缸安裝點。

圖4 升降裝置設計簡圖

2.2 噴架折疊展開機構

2.2.1 大臂噴桿折疊展開機構

該機構包括大展臂噴架、中央噴架、調平油缸、連桿、連接板、90°折疊油缸及安裝座，如圖5 所示。其中，90°折疊油缸一端通過安裝座鉸接于中央噴架，另一端伸縮臂鉸接于連接板，連接板焊接于大展臂噴架上。大臂噴桿的展開、折疊運動通過90°折疊油缸驅動，工作時通過90°折疊油缸伸縮帶動連接板、大展臂噴架轉動展開，完成展開動作。連接板通過銷軸固定在中央噴架的末端，用以防止噴桿展開過位。為了保證噴桿在折疊展開時噴桿架相對地面平衡，將調平油缸通過連桿鉸接在大展臂噴架、中央噴架末端。

1.大展臂噴架 2.連桿 3.調平油缸 4.90°折疊油缸 5.中央噴架

2.2.2 小臂噴桿折疊展開機構

該機構包括小展臂噴桿、拉桿、連桿、耳板、180°折疊油缸、小臂安裝座及銷軸，如圖6所示。

1.小展臂噴桿 2.拉桿 3.耳板 4.連桿 5.180°折疊油缸 6.銷軸 7.安裝座 8.大臂噴桿圖6 小臂噴桿折疊機構

其中，180°折疊油缸缸筒與大臂安裝座鉸接，大臂安裝座焊接在大臂噴架頂端。180°折疊油缸活塞桿與連桿、拉桿頂端鉸接，連桿底端與大臂噴桿末端安裝座鉸接，拉桿底端與小臂噴架安裝座鉸接，大展臂噴桿耳板與小展臂噴桿銷接。工作時，180°折疊油缸伸縮帶動連桿、拉桿，連桿拉桿與大展臂噴架、小展臂噴架相鉸接，從而使小展臂做180°圓周運動，完成小展臂展開折疊運動。

2.2.3 小臂噴桿折疊機構運動學分析

為了便于分析，將小臂折疊機構展開狀態進行簡化，如圖7所示。

圖7 小臂折疊機構簡化模型

其中，BE為180°折疊油缸，連桿簡化為BD，長度L3為293mm；拉桿簡化為BC，長度L2為231mm；連桿、拉桿安裝座鉸接點間簡化為AD，長度L4為341mm；拉桿鉸接安裝座鉸接點與耳板鉸接點間簡化為AC，長度L1為248mm。α為95°，θ3為42°。用矩陣法對連桿、拉桿鉸接點B進行分析，得到位置方程。根據位置方程得：β=71°，θ2=109°，θ1=126°。

(3)

對時間求一階導數，得到B點速度方程，油缸運動速度ω3=0.03m/s。根據速度矩陣得到ω1=0.03m/s，ω2=0.24m/s。

(4)

(5)

再次對時間求導得到桿L2、L3桿加速度矩陣，求得α2=0.01m/s2，α1=0.05m/s2。

(6)

3 噴桿有限元建模及應力分析

3.1 噴桿有限元模型建立

采用有限元方法對噴桿工作狀態進行分析。噴桿為左右對稱結構，因此只對右側噴桿進行分析。右側噴桿由大臂、小臂組成，總長9.5m，大臂長5.5m。噴桿機構的幾何模型在SoildWorks三維設計軟件中建立。

3.2 有限元模型材料參數設定及網絡劃分

將噴桿三維模型導入Ansys Workbench中，并定義材料屬性。噴桿材料采用Q235鋼，質量密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服極限為235MPa。在Workbench模塊對噴桿進行自由網格劃分。有限元劃分元素為16 426，節點數為34 434。

3.3 施加約束與載荷

噴霧機工作時，大臂噴桿一端與中央噴架連接，一端與小臂噴桿連接。將大臂左端固定，小臂噴桿質量為149kg，在大臂噴桿施加1 490N的力，并考慮噴桿自身重力。

通過圖8應力云圖得到大臂噴桿應力最大值為152.7MPa，噴桿與中央噴架連接端所受應力最大，距離噴桿固定端越遠應力越小。材料屈服強度為235MPa，最大應力小于材料屈服強度，滿足設計要求。由圖9位移云圖可以看出：噴桿最大位移發生在噴桿的末端。由于大臂噴桿末端要承受小臂噴桿的重力，所以末端形變量最大，最大變形量為4.6mm。由圖10可知：最小安全系數為1.63。由Ansys軟件運行計算結果可以看出：大臂噴桿應力和變形均小于最大許可值，安全系數大于1.0，穩定性良好，噴桿力學性能滿足要求。

圖8 應力云圖

圖9 位移云圖

圖10 安全系數

4 場地試驗

在酒泉市肅州區南郊工業園區種子育種產業農藝技術和種業裝備科技研發試驗基地進行了樣機制作，并對樣機噴桿展開折疊及噴架升降情況進行了檢測。試驗位于試驗基地10m×800m的場地試驗區。試驗時，打開液壓控制閥開關，將噴桿高度調節離地0.5m處，控制開關將噴桿提升距地面2.5m處，記錄時間；調節開關將噴桿降低到0.5m處，記錄時間；打開噴桿折疊控制開關及升降開關，將噴桿提升至2.5m，并將噴桿架兩側的展臂展開，并記錄時間；將噴桿降至離地面0.5m處，并將展臂折疊收回，通過米尺測噴桿每段離地距離，并記錄時間。在試驗過程中觀察展臂折疊與展開是否平穩。表1為樣機測試技術參數。將噴桿展開調至離地面2.5m處，噴霧機以29km/h速度行駛500m，到終點檢查噴桿的情況。

表1 樣機測試技術參數

試驗表明：噴桿高度由0.5m提升至2.5m處需要12.4s；噴桿由2.5m下降至0.5m處需要12.2s；噴桿從0.5m到2.5m處展開需要23s，測得噴桿完全展開總長為23m；噴桿由2.5m到0.5m處折疊收回需要16s，且5段噴桿離地距離一致。

測驗表明：噴桿高度調節范圍為0.5～2.5m，噴桿架升降過程連貫平穩且始終與地面平行；展臂展開和折疊過程平滑同步，展開折疊效率高；噴霧機在行駛中噴桿未發生變形失效，滿足設計要求。

5 結論

1)根據設計要求，對噴桿進行了整體設計。對噴桿大臂展開機構、噴桿小臂展開機構、噴桿升降機構進行結構設計及理論計算，并在Soild-Work軟件環境中建立三維模型，通過Ansys軟件對大臂噴桿進行靜力學分析，得到噴桿作業時最大應力為152.7MPa，最大形變為4.6mm，最小安全系數為1.63，表明噴桿強度滿足工作要求。

2)場地試驗表明，噴架滿足設計要求。