高地隙自走式植保机械喷杆系统结构优化与研究

050011 ）
我国植保机械相对国外较落后， 存在农药利用率低、 劳动强度大及农民中毒现象频发等问题。为此， 对
高地 隙 自 走 式 植 保 机 械 喷 杆 系 统 结 构 做 了 简 要 叙 述 ， 并对喷杆展开机构进行了自由度分析计算及运动学理论分 运 用 ADAMS 仿 真 软 件 对 喷 杆 展 开 机 构 进 行 了 运 动 学 仿 真 分 析 ， 提出了将液压缸替换为电推杆的优化 析 ；同 时 ， 方案 ， 并 对 优 化 后 的 方 案 进 行 了 运 动 学 仿 真 分 析 。 结 果 表 明 ：优 化 后 的 展 开 性 能 明 显 提 高 ， 这一改进为自走式植 保机械的进一步发展提供了依据。 关键词： 植保机械； 高地隙； 自走式； 喷杆； 展开机构； 结构优化 中图分类号： S491 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 188X（ 2016 ） 02 － 0049 － 05
10 = π － 7 － 8
其中 ， 各个夹角与杆长如图 3 所示 ；V 为液压缸推 开速度 ；t 为推开时间 。 对式 （ 2 ） ～ （ 14 ） 进行整理计 算， 即可得出液压缸速度与第 1 展开喷杆的展开角度 及与第 2 展开喷杆的展开角度之间的关系 ， 进一步求 导， 就可得到液压缸速度与第 1 展开喷杆和第 2 展开 喷杆角速度 、 角加速度之间的关系 。 由于篇数有限 ， 不在此进行详细的整理计算 。
［1 － 2 ］
1
1． 1
喷杆系统结构及工作原理
工作原理 喷杆展开机构如图 1 所示。
。
近年来 ， 劳动强度大 、 工作效率低 的 手 动 喷 雾 器 逐步被机动喷雾机替代 ， 植保机械开始向自动化方向 发展 。 为此 ， 针对河北省小麦各个生长时期受病虫害 侵害的现 状 及 河 北 省 小 麦 种 植 行 距 的 大 小 、 植株高 低、 地块大小现状 ， 研制高地隙自走式植保机具迫在 眉睫 ， 且其发展也具有广阔的前景 。 相比其它自走式 植保机械 ， 高地隙自走式植保机械具有底盘离地间隙
农民的切身利益息息相关 。 作为主要的粮食作物 ， 小 麦在生产过程中经常会遭受病 、 虫、 草害侵害 ， 能否做 好小麦病 、 虫、 草害的防治工作对河北省农村社会经 济的发展十分重要 。 因此 ， 必须采取有效的措施进行 病、 虫、 草害的相关防治 ， 以确保丰产 、 增收 。 病 、 虫、 草害的防治方法包括农业技术防治 、 生物防治 、 物理 和机械防治及化学防治 。 其中 ， 化学农药防治是消灭 能在短期内消灭或控制病 、 虫、 草害 病虫害有力武器 ， 对植物的侵害 ， 且效果好 、 作用快 、 不受地区或季节的 限制 。 而我国传统的施药作业通常采用人工背负小 型手动喷雾器或半机械化方式喷药防治 ， 不仅劳动强 度大 、 工作效率低 ， 农民的人身安全问题也出现了很 大的隐患
将连接架与喷杆中间支架通过轴承连 自平衡机 构 ， 接， 可以使喷杆系统不管车身处于何种状态始终与水 有效解决了喷杆系统的平衡问题 。 平面平行 ，
2
2． 1
展开机构分析
自由度分析 图 3 为喷杆展开机构的运动简图。 机构自由度的
计算公式为 F = 3 n － （ 2p l + p h ） 式中 n —活动构件数； p l —低副数； p h —高副数。 （1）
2 角加速度 0． 14rad / s ；转动副 2 的角速度达到 0． 52rad / s， 2 角加速度为 0． 68rad / s 。 由此可知 ： 喷杆机构在展开
Βιβλιοθήκη Baidu
。
几何模型的建立及导入 为了简化模型 、 减小计算量 ， 仅对喷杆 一 侧 展 开
（5）
2 2 L2 CG + L FG － L CF cos5 = 2 L CG L FG
（6） （7）
L AC = sin3
L CF π sin（ + 0 + 1 － 2 ） 2 L CF L CG = sin4 sin5
（8） （9） （ 10 ） （ 11 ） （ 12 ） （ 13 ） （ 14 ）
3
3． 1
模型仿真及结构优化
ADAMS 简介 ADAMS 是由美国 Mechanical Dynamics Inc 公司研
Fig． 4 图4 机构简化仿真模型
The simulation model of simplified mechanism
制的一款机械系统动力学仿真分析软件 ， 其求解器采 用常用的多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法 ， 建立系统 动 力 学 方 程 ， 可对虚拟机械系统进行静力 学、 运动学和动力学分析 ， 并输出位移 、 速度 、 加速度 和反作用力曲线 3． 2
2016 年 2 月
农 机 化 研 究
第2 期
高地隙自走式植保机械喷杆系统结构优化与研究
1 1 2 1 1 黄聪会 ， 马洪亮 ， 江光华 ， 魏淑艳 ， 何俊达
（1． 河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 摘 要：
071001 ； 2 ． 河 北 省 农 机 修 造 服 务 总 站 ， 石 家 庄
图3 Fig． 3
喷杆机构运动简图
Spray bar mechanism movement diagram
由图 3 可以看出 ：该机构的活动构件数为 7 ， 低副 数为 10 ， 高副数为 0 ， 因此该机构自由度为 F = 3 × 7 － （ 2 × 10 + 0 ） = 1 。 在机构的原动件与机架相连的情况 下， 只有满足原动件数等于自由度数 F ， 喷杆展开机构 的运动才能完全确定 。 该机构的原动件只有液压缸 满足上述条件 ， 因此喷杆展开机构具有确定的运动 。 2． 2 理论分析 喷杆展开机构的初始位置为第 1 展开喷杆与中 间支撑架喷杆相互垂直 （ 即杆 AI 与 AO 重合 ） 时 。 此 时液压缸的初始长度为 L0 ， 转动副 A 处 ， 0 + 1 的初 始角度为 0 ， 喷杆机构运动简图如图 3 所示 。 根据图
Spray bar deployment mechanism
由图 1 可 以 看 出 ： 该 喷 杆 展 开 机 构 由 中 间 支 撑 架、 双头螺杆 、 液压缸 、 三角支杆 、 第 1 展开喷杆 、 第2 展开喷杆 、 上拉杆及连杆双头拉杆组成 。 第 1 展开喷
· 49·
2016 年 2 月
收稿日期 ： 2015 － 03 － 07 基金项目 ： 河 北 省 现 代 农 业 产 业 技 术 体 系 小 麦 创 新 团 队 建 设 项 目 （ 2013 － 2017 ） （ E － mail ） 作者简介 ： 黄聪会 （ 1990 － ） ， 女， 石 家 庄 人， 硕 士 研 究 生， 1124944796@ qq． com 。 通讯作者 ： 马洪亮（ 1965 － ） ， 男， 河 北 青 县 人， 副 教 授， 硕 士 生 导 师， （ E － mail ） mahongliang0312@ 126． com 。 1． 中间支撑架 2． 双头螺杆 3． 液压缸 4． 三角支杆 5． 第 1 展开喷杆 6． 第 2 展开喷杆 7． 上拉杆 8． 连杆 9． 双头拉杆 图1 Fig． 1 喷杆展开机构
［3 ］
3． 4
运动仿真 在液压缸的移动副处添加移动驱动 ， 令移动速度
为 20mm / s ， 对喷杆展开机构进行运动仿真 。 喷杆机 构在展开过 程 中 ， 转动副 1 与转动副 2 处的角加速 度、 角速度如图 5 、 图 6 所示 。 由图 5 、 图 6 可知 ： 喷杆 在即将完全展开时 ， 角加速度 、 角速度瞬间增大 ， 在喷 杆机构展开的最后转动副 1 的角速度达到 0． 22rad / s ，
2016 年 2 月 cos π + 0 + 1 － 2 = 2
农 机 化 研 究
第2 期
(
)
(L
AE
2 2 + L EF ) 2 + L AC － L CF 2 ( L AE + L EF ) L AC
文件以 parasolid （ * ． x_t ） 格式保存副本 ； 打开 ADAMS 软件并以相应的格式导入刚才保存的文件 ， 就可以将 喷杆展开机构的三维模型导入到 ADMAS 软件中 。 3． 3 添加约束、 材料和载荷 利用 ADMAS 建立机械系统仿真模型时 ， 系统中 的构件与地面或构件与构件之间存在着运动副的连 接 。 因此 ， 首先需将导入的喷杆模型 ， 根据实际情况 添加运动副 。 在液压缸与杠杆之间添加移动副 ， 中间 支撑架与 ground 添加固定连接 ， 其余各活动构件之间
添加转动副 ； 然后对液压缸添加移动驱动 ， 速度方向 为液压缸杆运动的方向 ； 对整个喷杆展开机构添加重 方向沿 Y 轴负方向 。 为各活动构件添加相应的材 力， 料 ：steel ， 第 1 展开喷杆与第 2 展开喷杆之间添加限位 接触连接 ， 第 1 展开喷杆与中间支撑架之间添加相应 的限位接触连接 ， 如图 4 所示 。
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2016.02.012
0
引言
河北省是小麦种植大省之一 ， 小麦的丰欠情况与
高、 通过性好及适应性强等特点 ， 能满足小麦各个时 期病 、 虫、 草害的防治工作 。 本文重点对高地隙自走式植保机具的 喷 杆 展 开 机构进行了仿真分析与优化 ， 对下一步研制经济 、 方 便、 高效的植保机具具有重要意义 。
农 机 化 研 究
第2 期
杆与第 2 展开喷杆的展开 、 收回运动由液压缸驱动 。 液压缸在推动第 1 展开喷杆展开的同时带动上拉杆 、 连杆 、 及双头拉杆转动 ， 双头拉杆带动第 2 展开喷杆 转动展开 。 图 1 中 ， 双头螺杆和双头拉杆的长度均可 调节 ， 通过调节双头螺杆和双头拉杆的长度实现第 1 展开喷杆 、 第 2 展开喷杆与中间支撑架的调平操作 。 中间支撑架与第 1 展开喷杆的铰链连接处及第 1 展 开喷杆与第 2 展开喷杆的铰链连接处均设计了限位 挡块 ， 用来防止喷杆展开过位 。 该喷杆折叠后第 1 展 开喷杆与第 2 展开喷杆与水平地面成 45° 角 ， 固定在 车身两侧 ， 且喷杆展开机构为 5 段式 ， 相较 3 段式喷 杆在有限的空间内明显增加了喷幅 。 1． 2 喷杆升降机构 普通的提升机构会严重影响行走系统的离地 间 隙， 会导致喷雾机在作业过程中对高秆作物的破坏程 度增大 ， 因此设计既不影响整机的离地间隙又能完成 喷杆转开系统升降的机构非常有必要 。 此喷杆系统 采用平行四边形升降机构 ， 主要由升降连杆 、 升降液 压缸 、 车架和连接架组成 ， 如图 2 所示 。 此平行四边 形升降机构既可以保证喷雾机在作业过程的离地间 又能实现喷杆展开系统在竖直方向的升降 ， 同时 隙， 能保证喷头在升降过程的任意位置始终向下 。
(
)
（2） （3） （4）
1． 3
喷杆系统自平衡机构
如果将喷杆系统与车身固定连接 ， 喷雾机在田间 会导致展幅较长 作业过程中由于田间地面的不平整 ， 的喷杆触地或折断 。 因此 ， 采用图 2 所示的喷杆系统
· 50·
cos1 = cos2 =
2 2 L2 AD + L AE － L ED 2 L AD L AE 2 2 L2 AB + L AC － L BC 2 L AB L AC
1． 车架 2． 升降连杆 3． 升降液压缸 4． 中间连接架 5． 转轴 6． 中间支撑架 图2 Fig． 2 喷杆升降机构 lifting mechanism of Spray bar
3， 有
2 ( L + vt ) 2 L2 AB + L AD － 0 cos π + 0 = 2 L AB L AD 2
cos ( π
－ 3 － 4
)
2 2 L2 FG + L FI － L GI = 2 L FG L FI
cos6 =
2 2 L2 HI + L GH － L GI 2 L HI L HG
L GH L GI = sin7 sin6 L FG L GI = sin8 sin ( π － 3 － 4 ) cos9 = L HK － L IJ L HI