喷杆式喷雾机药箱药液晃动三向力的测量与分析

张安东,邱白晶,童　翔，蔡彦伦

(江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室/江苏省重点实验室，江苏 镇江　212013)



喷杆式喷雾机药箱药液晃动三向力的测量与分析

张安东,邱白晶,童翔，蔡彦伦

(江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室/江苏省重点实验室，江苏 镇江212013)

摘要：针对3WPJ-500D喷杆式喷雾机在生产实践中出现的操控稳定性差问题，从喷雾杆式喷雾机在田间作业时药箱内药液晃动产生的附加作用力入手探索，研制了专用的三向力传感器。通过田间试验测量3WPJ-500D喷杆式喷雾机在3种行驶速度和6种加液量情况下的药箱药液晃动三向力。药箱药液晃动三向力是一种交变载荷，总体上随加液量和行驶速度的增加而增大。其中， x方向力的峰值为2 025N，出现在400L加液量、4.78km/h速度工况下；y方向力和z方向力的峰值分别为1 817N和596N，均出现在500L加液量、4.78km/h速度工况下。经计算，喷雾机500L加液量、4.78km/h速度行驶时的药箱药液晃三向力的合力最大值达到2 155N。试验结果表明：相同工况下同时获得的药箱药液晃动三向力数据的峰值出现的时刻并不一致，但主要的波峰和波谷在相位上接近。该研究可为进一步研究药箱药液晃动力对喷雾机运动的影响以及新型喷雾机的设计提供依据。

关键词：喷杆式喷雾机；药箱药液晃动三向力；三向力传感器；峰值；合力

0引言

液体晃动产生的附加作用力会影响整个载液系统的动力学行为。P.K.Panigrahy[1]设计了一套带有曲柄连杆机构的试验装置激励平放矩形液箱，测量分析了不同深度液体晃动对箱壁施压的情况。Zhou L[2]分析指出部分充液的阻尼卫星在外界干扰下液体晃动会导致卫星运行轨迹的明显不平衡，并仿真验证了阻尼卫星的混沌运动现象。液体晃动问题在液罐车运输领域有广泛的研究。刘奎等[3-4]采用VOF模型对罐车液体的晃动进行数值模拟，计算了制动和转向时罐车的受力与轴荷分布，提出应加设防波板遏制罐内液体的晃动。王云鹏[5]分析了液罐车侧倾时的受力情况，在ADAMS平台上仿真分析了不同载液量和行驶速度下液罐车的转向和移线工况，结果表明：载液量和行驶速度的增加都会加大液罐车侧翻的风险。而对于药箱占比很大的小型喷杆式喷雾机未见相关研究。喷杆式喷雾机高重心、窄轮距、宽喷杆、载液重的特点使其作业姿态更易受到自身药箱内液体晃动力的影响，降低其行驶稳定性，增加驾驶员的操作难度和危险。而喷雾机的机组运动又直接影响喷雾沉积均匀性[6-7]。因此，喷杆式喷雾机药箱药液晃动问题不可忽略，对其研究具有重要实际意义。

本文提出一种基于应变测量原理[8-9]的喷雾机药箱药液晃动力测量方法，设计了三向力传感器，通过田间试验采集了各工况下的药液晃动三向力信息，以期为今后喷杆式喷雾机的设计开发提供依据。

1三向力传感器的设计

1.1　试验样机

试验样机选择3WPJ-500D喷杆式静电喷雾机，主要参数如表1所示。液体晃动的动压力难以直接监测，本传感器的设计思路是通过测量药箱的受力来间接获取药液晃动的附加作用力。对喷雾机药箱药液晃动进行力学分析，如图1所示。

表1　喷杆式喷雾机主要技术参数

由于喷雾机在田间行驶时药箱内药液呈三维运动[10]，药箱在各个方向上都会受到药液的冲击。考虑到液体质心在三维坐标系下的变化，这里重点关注药箱所受的3个轴向力Fx、Fy和Fz。因此，首先要求所设计传感器要在承载药箱的基础上接受药液晃动传递给底盘的作用力，其次对喷雾机原有结构改动小以免使测量结果失真，即满足强度和安装两个要求。

1.药箱　2.药箱支架　3.喷杆机架　4.传感器　5.底盘机架

1.2　三向力传感器的结构设计和布片

根据喷雾机药箱药液晃动力学模型，此传感器的结构和布片不仅要满足3个轴向测量方向灵敏度，还应尽量减少非测量力矩的干扰并减小各测量力之间的耦合。传感器结构与桥路组合如图2、图3所示。

图2　传感器结构及应变片布片示意图

(a)x方向测量桥路(b)y方向测量桥路(c)z方向测量桥路

Ux、Uy、Uz.x、y、z方向桥路的输出电压E.直流电源

图3传感器测量桥路

Fig.3Bridge circuit of sensor

传感器是由上板、侧板和下板组成的整体对称结构。上板作为加载端与药箱支架相连，下板作为固定端与底盘机架相连，连接方式为螺栓连接，4块侧板作为应变梁接受晃动力并产生应变，4块侧板两两垂直保证对不同方向力不同的敏感程度。其中，4块侧板的厚度为3mm，上板的厚度为10mm，下板厚度为8mm，以减小受力时加载端和固定端的变形，保证应变主要发生在4块侧板上。传感器弹性体材料选择Q235，此钢材的强度、塑性和焊接等综合性能较佳。传感器的主要结构尺寸如图4所示。

图4　传感器主要尺寸

2三向力传感器的标定解耦

2. 1　三向力传感器的耦合分析

尽管在传感器结构设计和布片方式等方面已经考虑了力与力之间的干扰问题，但实际上，力的相互作用不可能完全靠结构或布片消除。因此，在实际测量之前必须通过标定找到所测力与传感器电压输出之间的关系，以便在对测量量进行换算时修正或消除干扰[12-13]。传感器的输出电压和三向力的实际关系为

(1)

其中，Ux、Uy、Uz为各桥路电压输出，令式(1)中的3阶矩阵为解耦矩阵C，Cxx、Cxy、…、Czz为C中元素。其中，Cxx表示x方向施加的载荷与x方向输出电压间的系数；Cxy表示x方向施加的载荷与y方向输出电压间的系数，其他系数以此类推。因此，解耦矩阵C中的9个元素可以通过静态标定获得。

2.2　三向力传感器的静态标定

本标定试验在江苏大学现代农业装备与技术教育部重点试验室进行，方法是依次在传感器的x、y、z3个方向上加载和卸载定值砝码[14]，记录每次加载(卸载)时3个桥路上的电压输出，正负方向各重复标定3次；采样频率为100Hz，放大倍数10。

传感器x方向标定结果如图5所示。x方向桥路输出电压的绝对值Ux(mV)与纵向载荷Fx(N)的线性关系为

y=0.169x-0.563

(2)

相关系数R2=0.998。此时， y方向桥路输出电压及z方向桥路输出电压与纵向载荷的关系分别为y=0.012x+0.108，y=0.045x+1.492。

图5　传感器x方向标定曲线

传感器y方向标定结果如图6所示。y方向桥路输出电压的绝对值Uy(mV)与横向载荷Fy(N)的线性关系为

y=0.046x+1.910

(3)

相关系数R2=0.991。此时，x方向桥路输出电压及z方向桥路输出电压与纵向载荷的关系分别为y=0.012x+0.107，y=0.045x+1.492。

传感器z方向标定结果如图7所示。y方向桥路输出电压的绝对值Uz(mV)与横向载荷Fz(N)的线性关系为

y=0.225x+3.272

(4)

相关系数R2=0.992。此时，x方向桥路输出电压及y方向桥路输出电压与纵向载荷的关系分别为y=0.043x-2.720，y=0.024x-2.276。

图6　传感器y方向标定曲线

图7　传感器y方向标定曲线

故根据各方向标定数据的拟合曲线，得到传感器的输出电压和三向力间的关系为

(5)

3喷雾机药箱药液晃动三向力测量试验

3.1　试验方案设计

试验测量喷杆式喷雾机0~500L(步长100L)，6种加液量，I挡(2.59km/h)、II挡(3.40km/h)、III挡(4.78km/h)，3种速度直线行驶工况下的药液晃动三向力，行驶速度在试验前进行标定[15]。

试验场地为江苏省镇江市一块100m×200m的闲置田块。用米尺量出100m长度作为数据采样区，前后各留出20m的范围供喷雾机加减速和转弯。试验场地设计如图8所示。

与三向力传感器配套使用的数据采集仪和动态应变仪通过纤维绳固定在喷雾机上，并在其与喷雾机之间加垫隔震材料。三向力传感器通过螺栓安装在药箱支撑架正下方的喷雾机底盘机架上，安装时各螺栓给予一定的预应力。测量装置的布置如图9所示。

图8　试验场地设计

1.三向力传感器　2.喷雾机底盘机架　3.药箱支架

3.2　试验结果与分析

试验数据经50Hz低通滤波处理并按式(5)换算后，得到的结果显示喷雾机药箱药液晃动三向力是一种呈随机变化的交变载荷。当药箱加液量为0L时传感器也有一定的输出，这是水箱支架和药箱自身造成的，此时的输出量最小。总体上药箱药液晃动三向力有随加液量和速度的增加而增大的趋势，但其峰值是随机出现的。x方向力的峰值出现在喷雾机III挡(4.78km/h)速度行驶，加液量400L的工况下，值为2 025N；y方向力的峰值出现在喷雾机在III挡(4.78km/h)速度，加液量500L的工况下，其值为1 817N；z方向力的峰值出现在喷雾机在III挡(4.78km/h)速度，加液量500L的工况下，其值为-596N。因此，药箱药液晃动三向力的最大值出现在x方向，其大小相当于喷雾喷雾机满载质量的25.3%。图10为满载(500L)加液量，III挡(4.78km/h)速度工况的三向力时域数据。

可见，最大载液量和最高速度工况的x方向力最值为1 939N，y方向力最值为1 817N，z方向力最值为-596N。但是，三向力最值出现的时刻不完全一致。对该工况下的三向力数据求合力，有

(6)

其中，Fi为某时刻药液晃动力(N)；F1、F2、F3分别对应药箱药液晃动的x方向力、y方向力和z方向力；F0为该时刻合力值(N)。500L加液量，III挡(4.78km/h)速度工况下合力的计算结果如图11所示。

(a)　x方向力

(b)　y方向力

(c)　z方向力

图11　500L加液量、III挡(4.78km/h)速度下药箱药液晃动合力

从药箱药液晃动三向力的合力计算结果可知：500L加液量、4.78km/h行驶速度时合力的最大值为2 155N。虽然同一工况下同一次测得的药箱药液晃动三向力最值的出现有时刻差别；但是，由于药箱内药液的晃动是一个整体连续的过程，药液在各个方向上的晃动同时发生，可见三向力时域数据中主要的波峰和波谷的出现在相位上是相近的。

4结论

1)设计了一种用于测量喷杆式喷雾机药箱药液晃动力的应变式三向力传感器，并通过田间试验测得喷雾机药箱药液晃动三向力是一种交变载荷。喷雾机药箱药液晃动三向力有随加液量和速度的增加而增大的趋势，但峰值随机出现。其最大值为III挡(4.78km/h)速度行驶、加液量400L的工况下的x方向力，幅值为2 025N，相当于喷雾机满载整机重量的20.3%。

2)500L加液量、III挡(4.78km/h)速度工况下，三向力合力的最大值为2 155N。相同工况下同时测量的药箱药液晃动三向力数据最值的出现时刻不完全一致，但各方向力时域数据中主要的波峰和波谷相位接近。

参考文献：

[1]P K Panigrahy, U K Saha, D Maity. Experimental studies on sloshing behavior due to horizontal movement of liquids in baffled tanks [J].Ocean Engineering,2009,36: 213-222.

[2]Zhou L, Chen Y, Chen F. Stability and chaos of a damped satellite partially filled with liquid[J].Acta Astronautica, 2009, 65(11):1628-1638.

[3]刘奎，康宁．罐车制动时液体晃动的仿真分析[J]．北京航空航天大学学报，2009，35(7)：1403-1407．

[4]刘奎，康宁．罐车转向时液体晃动的仿真分析[J]．北京航空航天大学学报，2009，35(11)：1043-1047．

[5]王云鹏，孙文财，隗海林，等．基于侧倾的运输液态危险化学品的罐式半挂汽车危险状态辨识[J]．吉林大学学报：工学版，2011，40(3)：640-644．

[6]Jeon H Y, A R Womac, J Gunn.Sprayer boom dynamic effects on application uniformity[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2004, 47(3): 647 - 658.

[7]Jan Anthonis, Jorgen Audenaert, Herman Ramon. Design optimization for the vertical suspension of a crop sprayer boom[J].Biosystems Engineering,2005,90 (2):153-160.

[8]屈铁军，王献云，张梅．空冷风机系统运行时竖向扰力试验研究[J]．振动与冲击，2013，32(10)：74-79．

[9]Van NN, Matsuo T, Koumoto T, et al. Transducers for measuring dynamic axle load of farm tractor[J].Bulletin of the Faculty of Agriculture-Saga University (Japan), 2009, 94:23-35.

[10]陈向东，徐宇工，李志敏．基于多物质ALE的列车水箱晃动三维模拟及箱壁动应力研究[J]．北京交通大学学报：自然科学版，2011，35(4)：142-147.

[11]李生生，朱庆．国产箔式应变片在高速风洞试验中的应用[J]．气动试验与测量控制，1987(3)：72-76．

[12]陈广华，鞠娜，杨飞，等．基于粘贴式应变传感器的车辆超载监测系统[J]．北京航空航天大学学报，2011，37(4)：409-414．

[13]Phan J V, Hocken R, Smith S T, et al. Simultaneous measurement of spatially separated forces using a dual-cantilever resonance-based touch sensor[J].Review of Scientific Instruments, 2002, 73(2):318-322.

[14]俞志伟，宫俊，吴强，等．小型三维力传感器的设计和解耦测试研究[J]．传感技术学报，2012，25(1)：38-43．

[15]邱白晶，杨宁，徐溪超，等．喷雾机前后轮相继激励下喷杆理想运动响应提取[J]．农业机械学报，2012，43(2)：55-60．

Measuring and Analyzing Liquid-sloshing Three-axis Force of Boom Sprayer

Zhang Andong, Qiu Baijing, Tong Xiang, Cai Yanlun

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education & Jiangsu Province, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：To explore the poor handling stability problems of 3WPJ - 500D boom sprayer that reflects in reproduction practice, this paper conduct the exploratory research about the additional force produced by liquid sloshing in a moving sprayer’s tank. In this paper a triaxial forces sensor for measuring liquid-sloshing three-axis force had been developed. Liquid-sloshing three-axis forces are measured in three gears of velocity, six levels of liquid volume of 3WPJ-500D boom sprayer, got the conclusion that the liquid-sloshing three-axis force is a kind of alternating load and it tend to increase with the rise of velocity and liquid volume. The peak value of x-axis force was 2025N which appeared in the condition of 400L liquid load and 4.78km/h running speed. The peak values of y-axis force and y-axis force were 1817N and -596N, respectively. They all happened in the condition of 500L liquid load and 4.78km/h running speed. The resultant force of liquid-sloshing three-axis forces in full load and 4.78km/h speed had been calculated. The maximum value of the resultant force can reach 2155N.The peak values of liquid-sloshing three-axis forces which measured in the same condition at the same time didn’t appear in same temporal points, but their main peaks and valleys had similar phase positions. This research provides basis for the further study of the kinematic and dynamic theories of boom sprayer and offers payload data for the development of innovative boom sprayer.

Key words：boom sprayer； liquid-sloshing three-axis force； triaxial forces sensor; peak value； resultant force

中图分类号：S491

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0108-05

作者简介：张安东(1990-),男，安徽芜湖人，硕士研究生，(E-mail) 714054949@qq.com。通讯作者：邱白晶(1961-)，男，江苏镇江人，教授，博士，(E-mail)qbj@ujs.edu.cn。

基金项目：江苏省农机三新工程项目(NJ2015-02)

收稿日期：2015-10-29