大型高地隙噴霧機噴桿減振試驗與優化

莊騰飛， 楊學軍， 張 鐵， 尚德林， 靳文停， 孫 星， 韋博翰

（1.中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083； 2.農業裝備技術全國重點實驗室，北京 100083）

0 引言

大型高地隙噴霧機具有通過性能好、噴桿噴幅寬、作業效率高等優點，廣泛應用于大型農場和墾區。目前，噴霧機噴桿因懸架處無減振元件或減振元件減振效果差，作業時噴桿產生振蕩、偏轉和翻滾等，作業一定時間后，易出現噴桿開焊或斷裂[1-2]。為減少噴桿的振動，本研究以懸浮掛接式18 m 三角形截面的噴桿為對象，選用彈簧阻尼器組合減振方式進行噴桿減振，對試制的減振元件進行減振性能試驗，分析不同減振元件對振動影響的顯著特性，得到噴桿最優的減振參數組合，為噴桿懸架減振元件參數選取提供參考。

1 減振元件選取

懸浮掛接懸架及減振元件如圖1 所示，三角形截面噴桿模型如圖2 所示，噴桿作業指標為末端振動最大偏移量±150 mm、噴桿最大垂向傾角±0.617°。根據經驗，初步選定單根斜拉彈簧剛度系數17 N/mm、斜拉彈簧拉伸量10 mm，計算得出，斜拉彈簧對噴桿垂向支撐力883.32 N。結合噴桿質量，預設垂向彈簧壓縮量20～40 mm，通過式（1）計算得出垂向彈簧剛度系數55.1～110.2 N/mm。

圖1 懸浮掛接懸架及減振元件Fig.1 Suspension suspension and vibration damping elements

圖2 三角形截面噴桿模型Fig.2 Triangular cross-section spray boom model

式中K1——垂向彈簧剛度系數，N/mm

K2——根斜拉彈簧剛度系數，N/mm

L1——垂向彈簧壓縮長度，mm

L2——斜拉彈簧拉伸長度，mm

θ——斜拉彈簧安裝傾角，（°）

M——噴桿等效質量，kg

g——重力加速度，m/s2

彈簧提供支撐，儲能但不耗能；阻尼器耗能但不儲能，耗能主要在復原行程段[3]。根據懸浮掛接懸架及三角形截面的噴桿結構，結合垂向彈簧和斜拉彈簧的剛度系數，分別設計減振彈簧和阻尼器[4-8]。通過彈簧剛度系數試驗和阻尼器示功試驗，選取：彈簧彈性系數91.26、71.80 和57.68 N/mm 的3 個垂向彈簧；阻尼器復原阻尼系數9.48、7.43 和5.84 N·s/mm 的3 個垂向阻尼器；阻尼器復原阻尼系數8.74、7.42 和6.07 N·s/mm 的3 個水平阻尼器作為減振元件進行減振組合試驗，如圖3 所示[9]。

圖3 減振元件Fig.3 Vibration damping element

2 試驗設計

噴桿作業時，末端振動量最大，選用超聲波傳感器測量噴桿末端翻轉傾角值、加速度傳感器測量噴桿末端行進方向和垂直方向振動值，分析噴桿各方向的振動量的分布及大小。選用CBOOK2000 采集振動信號，調理模塊CM4016C 進行信號處理，動態采集系統（DH5902，DHDA）采集超聲波傳感器數據，用噴桿各向振動段占比評價噴桿振動量的大小，振幅小的振幅段占比越大，噴桿振動越小。結合噴霧機行進速度，試驗因素水平如表1 所示，采用Box-Behnken 響應面法，選用4 因素3 水平得到試驗組合如表2 所示，表中A、B、C、D分別表示噴霧機行進速度、垂向彈簧剛度系數、垂向阻尼器復原阻尼系數和水平阻尼器復原阻尼系數；R1、R2、R3分別表示噴桿末端行進方向加速度0～6 m/s2振幅段占比、翻滾傾角0～0.6°傾角段占比和垂直方向0～6 m/s2振幅段占比[10-12]。田間試驗如圖4 所示，結果數據如表2 所示。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

表2 試驗方案及結果Tab.2 Test scheme and results

圖4 噴桿懸架減振田間試驗Fig.4 Spray boom suspension vibration damping field test

3 試驗結果分析

為分析各減振元件對振動影響的顯著性，利用Design-Expert 軟件，對表2 試驗結果進行多元回歸擬合分析和方差分析；為分析各因素一次項對指標的影響，對影響因素和回歸模型進行F檢驗，響應面回歸方程和方差分析結果如表3 和表4 所示。

表3 響應面回歸方程Tab.3 Response surface regression equation

表4 響應面方差分析結果Tab.4 Response surface variance analysis results

3.1 回歸方程擬合

由表3 和表4 可知，對行進方向R1影響的因素大小順序A>B>D>C。因素A、B和交互項AD的P值均<0.01，對噴桿行進方向振動影響極顯著；交互項AB的P值<0.05，對噴桿行進方向振動影響顯著；其余因素和交互項，影響不顯著。

對翻滾傾角R2影響的因素大小順序D>A>B>C。因素D的P值<0.01，對噴桿翻滾影響極顯著；因素A、B和交互項AD的P值<0.05，對噴桿翻滾影響顯著；其余因素和交互項，影響不顯著。

對垂向振動R3影響的因素大小順序B>A>C>D。因素A、B、C的P值均<0.01，對噴桿垂向振動影響極顯著；交互項AC和BC的P值<0.05，對噴桿垂向振動影響顯著；其余因素和交互項，影響不顯著。

由表4 可知，回歸模型中的F對應的P值均<0.000 1，回歸模型極顯著；決定系數均>0.85，表明預測值與實際值高度相關，試驗誤差較小。

3.2 交互作用對指標影響

由圖5a 可知，在因素C、D均為0 水平時，R1結果分布趨勢為隨著因素A水平的增加呈現先增大后減少、隨著因素B水平的增加逐漸增大，因素A在0 水平，因素B在0.5～1.0 水平時，R1值較大，噴桿行進方向振幅較小。由圖5b 可知，在因素B、C均為0 水平下，因素A水平逐漸增大時，隨著因素D水平逐步增大，R1值先緩慢增大后加速減小，因素A在-1.0～0.5 水平區間，因素D在-1.0～0.5 水平時，R1值較大，噴桿行進方向振幅較小。

圖5 交互作用對噴桿行進方向振幅分布影響Fig.5 Influence of interaction on amplitude distribution of spray boom traveling direction

由圖6 可知，在因素B、C均為0 水平時，隨著因素A水平的增加，因素D水平逐漸增大，R2值先減小后增大，噴桿翻轉傾角先增大后減小，因素A在-1.0～0 水平區間，因素D在0.5～11.0 水平時，R2數值較大，噴桿翻滾傾角較小。

圖6 交互作用對噴桿翻滾傾角分布影響Fig.6 Influence of interaction on roll angle distribution of spray boom

由圖7a 可知，在因素B、D均為0 水平時，因素A、C水平逐漸增大時，R3值均呈先增大后減小趨勢，噴桿垂向振動呈先減小后增大趨勢；因素A在-0.5～0.5 水平區間，因素C在-0.5～0.5 水平時，R3值較大，該水平區間的噴桿垂向振動較小。由圖7b 可知，因素A、D均為0 水平時，因素B、C水平逐漸增大時，R3值呈先增大后減小趨勢，噴桿垂向振動呈先減小后增大趨勢；因素B在-0.5～0.5 水平區間，因素C在-0.5～0.5 水平時，R3值較大，該水平區間的噴桿垂向振動較小。

4 減振組合優化及試驗驗證

4.1 減振組合參數優化

對回歸方程參數進行優化分析，將翻滾傾角和垂向上占比值的重要性選為最大，各方向上對應分布占比最大，得到試驗地塊最優的減振裝置作業參數組合為噴霧機行駛速度2.125 m/s、垂向彈簧剛度系數78.14 N/mm、垂向阻尼器復原阻尼系數8.23 N·s/mm及水平阻尼器復原阻尼系數8.74 N·s/mm。

4.2 最優組合驗證試驗

根據噴桿最優減振作業參數組合參數值，通過試驗選取垂向彈簧剛度系數77.42 N/mm、水平阻尼器復原阻尼系數8.74 N·s/mm、垂向阻尼器復原阻尼系數8.21 N·s/mm，進行最優減振裝置作業參數組合同一地塊的驗證試驗，測得試驗數據如表5 和表6 所示。

表5 各加速度段占比Tab.5 Proportion of each vibration amplitude section

表6 各翻轉傾角段占比Tab.6 Proportion of each rolling angle section

最優組合和正交組合田間試驗結果表明，在最優組合下，噴桿行進方向振動加速度0～6 m/s2區間占比達到85.26%，提高4%以上；翻滾傾角0～0.6°區間占比達到88.37%，提高4%以上；垂向振動加速度0～6 m/s2區間占比達到87.96%，高3%以上，噴桿的振動和翻滾得到了明顯減小。最優組合分析得到的最優減振參數組合可信。

5 結束語

（1）對試制的減振元件進行了4 因素3 水平正交旋轉組合減振試驗，通過田間試驗分析，得出噴霧機行進速度、垂向彈簧剛度系數對噴桿行進方向振動影響極顯著；水平阻尼器復原阻尼系數對噴桿垂向翻滾影響極顯著；噴霧機行進速度、垂向彈簧剛度系數和垂向阻尼器復原阻尼系數對噴桿垂向振動影響極顯著；噴霧機行進速度和垂向彈簧剛度系數交互作用對噴桿行進方向振動影響極顯著、噴霧機行進速度和水平阻尼器復原阻尼系數的交互作用對噴桿翻滾影響顯著；噴霧機行進速度和垂向阻尼器復原阻尼系數、垂向彈簧剛度系數及垂向阻尼器復原阻尼系數的交互作用對噴桿垂向振動影響顯著，其余因素和交互作用對噴桿振動影響不顯著。

（2）噴霧機最優減振組合為行駛速度2.125 m/s、垂向彈簧剛度系數78.14 N/mm、垂向阻尼器復原阻尼系數8.23 N·s/mm 和水平阻尼器復原阻尼系數8.74 N·s/mm。該減振組合下噴桿行進方向0～6 m/s2區間占比達到85.26%，提高4%以上；翻滾傾角0～0.6°段占比達到88.37%，提高4%以上；垂向振動加速度0～6 m/s2區間占比均達到87.96%，提高3%以上，噴桿的振動和翻滾得到了明顯減小。

（3）通過噴桿減振組合試驗和優化驗證試驗，為噴桿懸架減振元件的設計及參數選定提供數據支撐。