高地隙喷杆喷雾机喷架设计及分析

马 俊，温浩军，缑海啸，刘国春

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.新疆农垦科学院，新疆 石河子 832000；3.农业部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832000；4.酒泉奥凯种子机械股份有限公司，甘肃 酒泉 735000)

0 引言

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，如图1所示。

1.中央喷架 2.平行四边形升降机 3.折叠拉杆 4.安装座 5.大展臂喷架 6.小展臂喷架图1 喷杆喷架装置总体示意图

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，如图2所示。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。

1.中央喷架 2.上连杆 3.升降油缸 4.下连杆 5.安装座图2 平行四边形升降机构示意图

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，如图3所示。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500～2 500mm，中央喷架高度为756mm；平行四杆机构与地面平行时的高度为1 200mm，上升高度h1为700mm，下降高度h2为1 300mm；连杆长度1 500mm。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°。

图3中：C1D1为平行四杆机构达到的最高极限位置；C2D2为平行四杆机构到达最低极限位置；α1为上升旋转角(°)；α2为下降旋转角(°)；h1为平行四杆机构上升高度(mm)；h2为平行四杆机构机构下降高度(mm)。

上升旋转角

α1=arcsin(h1/1500)

(1)

下降旋转角

α2=arcsin(h2/1500)

(2)

图3 升降装置运动简图

2.1.3 升降油缸安装位置设计

根据所求上升、下降旋转角，通过中央喷架的运动轨迹设计出升降油缸安装位置。根据连杆运动角度(见图4)，当升降机构到达上极限位置M时，活塞杆铰接于A点，下降到极限位置T点时，活塞杆铰接于B点。以A、B为圆心油缸伸长量为半径画弧得到a1a2、a3a4、b1b2、b3b4。圆弧分别相较于C1、C2点，C1点符合设计要求，取C1点为升降油缸安装点。

图4 升降装置设计简图

2.2 喷架折叠展开机构

2.2.1 大臂喷杆折叠展开机构

该机构包括大展臂喷架、中央喷架、调平油缸、连杆、连接板、90°折叠油缸及安装座，如图5 所示。其中，90°折叠油缸一端通过安装座铰接于中央喷架，另一端伸缩臂铰接于连接板，连接板焊接于大展臂喷架上。大臂喷杆的展开、折叠运动通过90°折叠油缸驱动，工作时通过90°折叠油缸伸缩带动连接板、大展臂喷架转动展开，完成展开动作。连接板通过销轴固定在中央喷架的末端，用以防止喷杆展开过位。为了保证喷杆在折叠展开时喷杆架相对地面平衡，将调平油缸通过连杆铰接在大展臂喷架、中央喷架末端。

1.大展臂喷架 2.连杆 3.调平油缸 4.90°折叠油缸 5.中央喷架

2.2.2 小臂喷杆折叠展开机构

该机构包括小展臂喷杆、拉杆、连杆、耳板、180°折叠油缸、小臂安装座及销轴，如图6所示。

1.小展臂喷杆 2.拉杆 3.耳板 4.连杆 5.180°折叠油缸 6.销轴 7.安装座 8.大臂喷杆图6 小臂喷杆折叠机构

其中，180°折叠油缸缸筒与大臂安装座铰接，大臂安装座焊接在大臂喷架顶端。180°折叠油缸活塞杆与连杆、拉杆顶端铰接，连杆底端与大臂喷杆末端安装座铰接，拉杆底端与小臂喷架安装座铰接，大展臂喷杆耳板与小展臂喷杆销接。工作时，180°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，从而使小展臂做180°圆周运动，完成小展臂展开折叠运动。

2.2.3 小臂喷杆折叠机构运动学分析

为了便于分析，将小臂折叠机构展开状态进行简化，如图7所示。

图7 小臂折叠机构简化模型

其中，BE为180°折叠油缸，连杆简化为BD，长度L3为293mm；拉杆简化为BC，长度L2为231mm；连杆、拉杆安装座铰接点间简化为AD，长度L4为341mm；拉杆铰接安装座铰接点与耳板铰接点间简化为AC，长度L1为248mm。α为95°，θ3为42°。用矩阵法对连杆、拉杆铰接点B进行分析，得到位置方程。根据位置方程得：β=71°，θ2=109°，θ1=126°。

(3)

对时间求一阶导数，得到B点速度方程，油缸运动速度ω3=0.03m/s。根据速度矩阵得到ω1=0.03m/s，ω2=0.24m/s。

(4)

(5)

再次对时间求导得到杆L2、L3杆加速度矩阵，求得α2=0.01m/s2，α1=0.05m/s2。

(6)

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Ansys Workbench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16 426，节点数为34 434。

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1 490N的力，并考虑喷杆自身重力。

通过图8应力云图得到大臂喷杆应力最大值为152.7MPa，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。由图10可知：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。

图8 应力云图

图9 位移云图

图10 安全系数

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。表1为样机测试技术参数。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。

表1 样机测试技术参数

试验表明：喷杆高度由0.5m提升至2.5m处需要12.4s；喷杆由2.5m下降至0.5m处需要12.2s；喷杆从0.5m到2.5m处展开需要23s，测得喷杆完全展开总长为23m；喷杆由2.5m到0.5m处折叠收回需要16s，且5段喷杆离地距离一致。

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。