大型高地隙喷雾机喷杆减振试验与优化

庄腾飞， 杨学军， 张 铁， 尚德林， 靳文停， 孙 星， 韦博翰

（1.中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083； 2.农业装备技术全国重点实验室，北京 100083）

0 引言

大型高地隙喷雾机具有通过性能好、喷杆喷幅宽、作业效率高等优点，广泛应用于大型农场和垦区。目前，喷雾机喷杆因悬架处无减振元件或减振元件减振效果差，作业时喷杆产生振荡、偏转和翻滚等，作业一定时间后，易出现喷杆开焊或断裂[1-2]。为减少喷杆的振动，本研究以悬浮挂接式18 m 三角形截面的喷杆为对象，选用弹簧阻尼器组合减振方式进行喷杆减振，对试制的减振元件进行减振性能试验，分析不同减振元件对振动影响的显著特性，得到喷杆最优的减振参数组合，为喷杆悬架减振元件参数选取提供参考。

1 减振元件选取

悬浮挂接悬架及减振元件如图1 所示，三角形截面喷杆模型如图2 所示，喷杆作业指标为末端振动最大偏移量±150 mm、喷杆最大垂向倾角±0.617°。根据经验，初步选定单根斜拉弹簧刚度系数17 N/mm、斜拉弹簧拉伸量10 mm，计算得出，斜拉弹簧对喷杆垂向支撑力883.32 N。结合喷杆质量，预设垂向弹簧压缩量20～40 mm，通过式（1）计算得出垂向弹簧刚度系数55.1～110.2 N/mm。

图1 悬浮挂接悬架及减振元件Fig.1 Suspension suspension and vibration damping elements

图2 三角形截面喷杆模型Fig.2 Triangular cross-section spray boom model

式中K1——垂向弹簧刚度系数，N/mm

K2——根斜拉弹簧刚度系数，N/mm

L1——垂向弹簧压缩长度，mm

L2——斜拉弹簧拉伸长度，mm

θ——斜拉弹簧安装倾角，（°）

M——喷杆等效质量，kg

g——重力加速度，m/s2

弹簧提供支撑，储能但不耗能；阻尼器耗能但不储能，耗能主要在复原行程段[3]。根据悬浮挂接悬架及三角形截面的喷杆结构，结合垂向弹簧和斜拉弹簧的刚度系数，分别设计减振弹簧和阻尼器[4-8]。通过弹簧刚度系数试验和阻尼器示功试验，选取：弹簧弹性系数91.26、71.80 和57.68 N/mm 的3 个垂向弹簧；阻尼器复原阻尼系数9.48、7.43 和5.84 N·s/mm 的3 个垂向阻尼器；阻尼器复原阻尼系数8.74、7.42 和6.07 N·s/mm 的3 个水平阻尼器作为减振元件进行减振组合试验，如图3 所示[9]。

图3 减振元件Fig.3 Vibration damping element

2 试验设计

喷杆作业时，末端振动量最大，选用超声波传感器测量喷杆末端翻转倾角值、加速度传感器测量喷杆末端行进方向和垂直方向振动值，分析喷杆各方向的振动量的分布及大小。选用CBOOK2000 采集振动信号，调理模块CM4016C 进行信号处理，动态采集系统（DH5902，DHDA）采集超声波传感器数据，用喷杆各向振动段占比评价喷杆振动量的大小，振幅小的振幅段占比越大，喷杆振动越小。结合喷雾机行进速度，试验因素水平如表1 所示，采用Box-Behnken 响应面法，选用4 因素3 水平得到试验组合如表2 所示，表中A、B、C、D分别表示喷雾机行进速度、垂向弹簧刚度系数、垂向阻尼器复原阻尼系数和水平阻尼器复原阻尼系数；R1、R2、R3分别表示喷杆末端行进方向加速度0～6 m/s2振幅段占比、翻滚倾角0～0.6°倾角段占比和垂直方向0～6 m/s2振幅段占比[10-12]。田间试验如图4 所示，结果数据如表2 所示。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

表2 试验方案及结果Tab.2 Test scheme and results

图4 喷杆悬架减振田间试验Fig.4 Spray boom suspension vibration damping field test

3 试验结果分析

为分析各减振元件对振动影响的显著性，利用Design-Expert 软件，对表2 试验结果进行多元回归拟合分析和方差分析；为分析各因素一次项对指标的影响，对影响因素和回归模型进行F检验，响应面回归方程和方差分析结果如表3 和表4 所示。

表3 响应面回归方程Tab.3 Response surface regression equation

表4 响应面方差分析结果Tab.4 Response surface variance analysis results

3.1 回归方程拟合

由表3 和表4 可知，对行进方向R1影响的因素大小顺序A>B>D>C。因素A、B和交互项AD的P值均<0.01，对喷杆行进方向振动影响极显著；交互项AB的P值<0.05，对喷杆行进方向振动影响显著；其余因素和交互项，影响不显著。

对翻滚倾角R2影响的因素大小顺序D>A>B>C。因素D的P值<0.01，对喷杆翻滚影响极显著；因素A、B和交互项AD的P值<0.05，对喷杆翻滚影响显著；其余因素和交互项，影响不显著。

对垂向振动R3影响的因素大小顺序B>A>C>D。因素A、B、C的P值均<0.01，对喷杆垂向振动影响极显著；交互项AC和BC的P值<0.05，对喷杆垂向振动影响显著；其余因素和交互项，影响不显著。

由表4 可知，回归模型中的F对应的P值均<0.000 1，回归模型极显著；决定系数均>0.85，表明预测值与实际值高度相关，试验误差较小。

3.2 交互作用对指标影响

由图5a 可知，在因素C、D均为0 水平时，R1结果分布趋势为随着因素A水平的增加呈现先增大后减少、随着因素B水平的增加逐渐增大，因素A在0 水平，因素B在0.5～1.0 水平时，R1值较大，喷杆行进方向振幅较小。由图5b 可知，在因素B、C均为0 水平下，因素A水平逐渐增大时，随着因素D水平逐步增大，R1值先缓慢增大后加速减小，因素A在-1.0～0.5 水平区间，因素D在-1.0～0.5 水平时，R1值较大，喷杆行进方向振幅较小。

图5 交互作用对喷杆行进方向振幅分布影响Fig.5 Influence of interaction on amplitude distribution of spray boom traveling direction

由图6 可知，在因素B、C均为0 水平时，随着因素A水平的增加，因素D水平逐渐增大，R2值先减小后增大，喷杆翻转倾角先增大后减小，因素A在-1.0～0 水平区间，因素D在0.5～11.0 水平时，R2数值较大，喷杆翻滚倾角较小。

图6 交互作用对喷杆翻滚倾角分布影响Fig.6 Influence of interaction on roll angle distribution of spray boom

由图7a 可知，在因素B、D均为0 水平时，因素A、C水平逐渐增大时，R3值均呈先增大后减小趋势，喷杆垂向振动呈先减小后增大趋势；因素A在-0.5～0.5 水平区间，因素C在-0.5～0.5 水平时，R3值较大，该水平区间的喷杆垂向振动较小。由图7b 可知，因素A、D均为0 水平时，因素B、C水平逐渐增大时，R3值呈先增大后减小趋势，喷杆垂向振动呈先减小后增大趋势；因素B在-0.5～0.5 水平区间，因素C在-0.5～0.5 水平时，R3值较大，该水平区间的喷杆垂向振动较小。

4 减振组合优化及试验验证

4.1 减振组合参数优化

对回归方程参数进行优化分析，将翻滚倾角和垂向上占比值的重要性选为最大，各方向上对应分布占比最大，得到试验地块最优的减振装置作业参数组合为喷雾机行驶速度2.125 m/s、垂向弹簧刚度系数78.14 N/mm、垂向阻尼器复原阻尼系数8.23 N·s/mm及水平阻尼器复原阻尼系数8.74 N·s/mm。

4.2 最优组合验证试验

根据喷杆最优减振作业参数组合参数值，通过试验选取垂向弹簧刚度系数77.42 N/mm、水平阻尼器复原阻尼系数8.74 N·s/mm、垂向阻尼器复原阻尼系数8.21 N·s/mm，进行最优减振装置作业参数组合同一地块的验证试验，测得试验数据如表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 各翻转倾角段占比Tab.6 Proportion of each rolling angle section

最优组合和正交组合田间试验结果表明，在最优组合下，喷杆行进方向振动加速度0～6 m/s2区间占比达到85.26%，提高4%以上；翻滚倾角0～0.6°区间占比达到88.37%，提高4%以上；垂向振动加速度0～6 m/s2区间占比达到87.96%，高3%以上，喷杆的振动和翻滚得到了明显减小。最优组合分析得到的最优减振参数组合可信。

5 结束语

（1）对试制的减振元件进行了4 因素3 水平正交旋转组合减振试验，通过田间试验分析，得出喷雾机行进速度、垂向弹簧刚度系数对喷杆行进方向振动影响极显著；水平阻尼器复原阻尼系数对喷杆垂向翻滚影响极显著；喷雾机行进速度、垂向弹簧刚度系数和垂向阻尼器复原阻尼系数对喷杆垂向振动影响极显著；喷雾机行进速度和垂向弹簧刚度系数交互作用对喷杆行进方向振动影响极显著、喷雾机行进速度和水平阻尼器复原阻尼系数的交互作用对喷杆翻滚影响显著；喷雾机行进速度和垂向阻尼器复原阻尼系数、垂向弹簧刚度系数及垂向阻尼器复原阻尼系数的交互作用对喷杆垂向振动影响显著，其余因素和交互作用对喷杆振动影响不显著。

（2）喷雾机最优减振组合为行驶速度2.125 m/s、垂向弹簧刚度系数78.14 N/mm、垂向阻尼器复原阻尼系数8.23 N·s/mm 和水平阻尼器复原阻尼系数8.74 N·s/mm。该减振组合下喷杆行进方向0～6 m/s2区间占比达到85.26%，提高4%以上；翻滚倾角0～0.6°段占比达到88.37%，提高4%以上；垂向振动加速度0～6 m/s2区间占比均达到87.96%，提高3%以上，喷杆的振动和翻滚得到了明显减小。

（3）通过喷杆减振组合试验和优化验证试验，为喷杆悬架减振元件的设计及参数选定提供数据支撑。