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高地隙喷杆喷雾机喷架设计及分析

发布时间:2019-05-18 11:21所属分类:农业论文浏览:1

摘要:针对目前喷杆喷雾机喷幅

  摘要:针对目前喷杆喷雾机喷幅小、喷杆升降折叠稳定性差等问题,设计了一种高地隙宽幅喷架。对喷架的升降机构、折叠机构进行了理论分析及机构设计,建立了三维模型,包括中央喷架、平行四边形升降机构、安装座及喷杆折叠机构。为验证设计合理性及可靠性,利用Ansys有限元分析软件对喷杆在工作状态下进行了静力学分析。结果表明:最大应力为152.7MPa,喷杆末端形变量最大,最大变形量为4.6mm,最小安全系数为1.63,符合设计要求。场地试验表明:设计满足工作要求。

  关键词:高地隙喷杆喷架;升降机构;折叠机构;有限元分析

农业工程学报

  化学药剂喷施是农作物病虫草害防治工作的重要手段和措施。目前,随着科技的进步及生产模式的转变,现有施药器械由于农药利用率、作业效率较低且劳动强度大,难以满足大田种植的要求。高地隙喷杆式喷雾机以玉米、甘蔗等作物为作业对象,又适合棉花、小麦、大豆等作物,且施药效率高,对作物损害低,已逐渐在农业生产中推广。目前,国内大型喷杆喷雾机大多通过滑轮、钢绳、棘轮等组合完成喷架的升降,喷杆折叠多用液压油缸通过钢丝绳、绳轮和拉杆等控制两侧喷杆进行折叠与展开操作。由于结构与空间原因,可能导致两边喷杆展开折叠不同步,作业稳定性差[1]。

  为了解决当前喷雾机喷杆折叠、升降稳定性差的问题,设计了五段式可折叠大幅宽喷杆桁架,并对高地隙喷杆喷雾机喷杆升降机构、展开折叠结构进行了理论分析及结构设计。喷杆高度通过平行四边形升降机构调节,喷杆折叠展开采用机械传动机构和液压油缸的方式,从而实现喷杆机构整体上升下降及喷杆展开折叠。为验证喷杆设计合理性,用SoildWork软件建立了三维模型,在Ansys中对喷杆进行了应力分析,分析喷杆设计合理性,并通过试验测试样机喷杆展开升降功能。

  1喷杆喷架总体结构设计

  1.1总体结构设计

  本设计幅宽23m,采用五段分节式喷架,保证了设备高作业效率,喷杆折叠后便于运输。喷杆高度可调,调节范围为0.5~2.5m。喷杆喷架装置通过安装座安装在车架上,包括中央喷架、平行四边形升降机构、大展臂喷架及小展臂喷架。左喷架与右喷架对称分布在中央喷架两端,中央喷架铰接于升降装置末端,喷杆折叠展开装置通过连杆、液压油缸铰接于中央喷架两端,喷头均布在喷杆下55mm处。

  1.2工作原理

  喷雾机工作时,为保证喷药的质量,根据作物的高低,通过升降油缸控制中央喷架与作物距离,使喷杆到达合适高度,大臂喷杆展开,折叠运动由液压缸驱动。大臂喷杆展开通过折叠油缸的伸缩带动连接板、大展臂喷架转动90°展开,完成大臂展开动作;小臂喷杆展开通过折叠油缸伸缩带动连杆、拉杆,连杆拉杆与大展臂喷架、小展臂喷架相铰接,使小展臂做180°圆周运动,完成小展臂展开折叠运动。

  2喷杆关键零部件设计及分析

  2.1喷杆升降机构

  2.1.1喷杆升降装置结构设计及工作原理

  为了使喷雾机适应不同高度的作物、提高施药效率,设计了喷杆升降机构。该装置采用平行四边形升降机构,由上连杆、下连杆、升降液压缸、安装座及中央喷架组成。上连杆与下连杆长度相等且平行,上连杆与下连杆一端铰接在中央喷架,另一端铰接在安装座上,中央喷架的铰接点与安装座的铰接位置相对相同,从而构成平行四边形机构。通过驱动液压油缸的行程控制中央喷架的高度,使喷杆到达合适高度。

  2.1.2平行四边形升降机构尺寸参数设计

  平行四边形升降机构连杆旋转角影响喷杆升降性能,因此对升降机构连杆旋转角进行计算。为了便于分析,将平行四边形升降机构进行简化。假设连杆的初始状态为AC、BD,喷杆高度调节范围要求:极限高度范500~2500mm,中央喷架高度为756mm;平行四杆机构与地面平行时的高度为1200mm,上升高度h1为700mm,下降高度h2为1300mm;连杆长度1500mm。计算得:上升旋转角为60°,下降旋转角为28°,连杆旋转角范围为32°~53°。

  3喷杆有限元建模及应力分析

  3.1喷杆有限元模型建立

  采用有限元方法对喷杆工作状态进行分析。喷杆为左右对称结构,因此只对右侧喷杆进行分析。右侧喷杆由大臂、小臂组成,总长9.5m,大臂长5.5m。喷杆机构的几何模型在SoildWorks三维设计软件中建立。

  3.2有限元模型材料参数设定及网络划分

  将喷杆三维模型导入AnsysWorkbench中,并定义材料属性。喷杆材料采用Q235钢,质量密度ρ=7.85×103kg/m3,弹性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.3,屈服极限为235MPa。在Workbench模块对喷杆进行自由网格划分。有限元划分元素为16426,节点数为34434。

  3.3施加约束与载荷

  喷雾机工作时,大臂喷杆一端与中央喷架连接,一端与小臂喷杆连接。将大臂左端固定,小臂喷杆质量为149kg,在大臂喷杆施加1490N的力,并考虑喷杆自身重力。喷杆与中央喷架连接端所受应力最大,距离喷杆固定端越远应力越小。材料屈服强度为235MPa,最大应力小于材料屈服强度,满足设计要求。由图9位移云图可以看出:喷杆最大位移发生在喷杆的末端。由于大臂喷杆末端要承受小臂喷杆的重力,所以末端形变量最大,最大变形量为4.6mm。最小安全系数为1.63。由Ansys软件运行计算结果可以看出:大臂喷杆应力和变形均小于最大许可值,安全系数大于1.0,稳定性良好,喷杆力学性能满足要求。

  4场地试验

  在酒泉市肃州区南郊工业园区种子育种产业农艺技术和种业装备科技研发试验基地进行了样机制作,并对样机喷杆展开折叠及喷架升降情况进行了检测。试验位于试验基地10m×800m的场地试验区。试验时,打开液压控制阀开关,将喷杆高度调节离地0.5m处,控制开关将喷杆提升距地面2.5m处,记录时间;调节开关将喷杆降低到0.5m处,记录时间;打开喷杆折叠控制开关及升降开关,将喷杆提升至2.5m,并将喷杆架两侧的展臂展开,并记录时间;将喷杆降至离地面0.5m处,并将展臂折叠收回,通过米尺测喷杆每段离地距离,并记录时间。在试验过程中观察展臂折叠与展开是否平稳。

  将喷杆展开调至离地面2.5m处,喷雾机以29km/h速度行驶500m,到终点检查喷杆的情况。测验表明:喷杆高度调节范围为0.5~2.5m,喷杆架升降过程连贯平稳且始终与地面平行;展臂展开和折叠过程平滑同步,展开折叠效率高;喷雾机在行驶中喷杆未发生变形失效,满足设计要求。

  5结论

  1)根据设计要求,对喷杆进行了整体设计。对喷杆大臂展开机构、喷杆小臂展开机构、喷杆升降机构进行结构设计及理论计算,并在Soild-Work软件环境中建立三维模型,通过Ansys软件对大臂喷杆进行静力学分析,得到喷杆作业时最大应力为152.7MPa,最大形变为4.6mm,最小安全系数为1.63,表明喷杆强度满足工作要求。

  2)场地试验表明,喷架满足设计要求。

  参考文献:

  [1]贾卫东,张磊江,燕明德,等.喷杆喷雾机研究现状及发展趋势[J].中国农机化,2013,34(4):19-22.

  [2]邱白晶,何耀杰,盛云辉,等.喷雾机喷杆有限元模态分析与结构优化[J].农业机械学报,2014,45(8):112-116.

  [3]殷梦杰,宋帅帅,杨欣,等.高地隙喷雾机双平行四杆喷雾支架平稳性结构分析[J].农机化研究,2018,40(5):41-45.

  [4]宋云,李永奎,张丽君,等.大幅宽喷杆式喷雾机结构形式分析[J].农机化研究,2018,40(3):254-259.

  [5]陈晨,薛新宇,顾伟,等.喷雾机喷杆结构形状及截面尺寸优化与试验[J].农业工程学报,2015,31(9):50-56.

  [6]王科杰,胡斌,罗昕,等.残膜回收机单组仿形搂膜机构的设计与试验[J].农业工程学报,2017,33(8):12-20.

  [7]王佳文,杨自栋.自动调平喷杆式喷药机设计与试验研究[J].农机化研究,2016,38(7):162-166.

  相关刊物推荐:《农业工程学报》是由中国农业工程学会主办的全国性学术期刊,自2005年始为单月刊。报道范围主要刊登农业工程学科领域的应用技术基础研究、农业水土工程、农业机械与农业机械化工程、设施农业与生物环境控制工程、农村能源农业废弃物处理与环保工程、农产品产后处理与加工工程、农业自动化与农业信息技术、土地整理工程等方面的学术论文,综述及专家论坛、以及实用技术研究及生产实践运用成果报告。

  

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