大型喷杆悬架系统测试平台设计与评价方法研究

目前喷杆悬架系统的性能田间测试受到测试地形、土壤属性、驾驶熟练度等随机因素的影响,需要有一种定量评估喷杆悬架性能的试验装置与方法。该文开发了一套喷杆悬架性能室内测试平台,包括一个多自由度底盘运动模拟平台、地形起伏模拟平台及基于NI PXI的同步触发测控系统。为准确模拟实际的工作环境,在喷雾机作业现场采集了底盘的运动姿态信号和喷杆两侧地形高程数据,并在室内进行精确复现。考虑测试时传感器安装位置和不同喷杆理想作业高度的差异,对传统的Hockley指数进行了修正,并使用标准差、变异系数、修正的Hockley指数等3种指标一起来描述喷杆悬架系统的性能,弥补了各自的局限性。通过喷杆悬架测试平台先后对28 m喷杆在无悬架、被动悬架、主动悬架等不同工况下进行了测试,多组重复测试结果的变异系数小于5.91%,无悬架时喷杆的Hockley指数为21.60,使用被动悬架时喷杆的Hockley指数为68.37,使用主动倾角控制系统时喷杆的Hockley指数为89.18,使用主动喷臂控制系统时的Hockley指数为92.83,表明测试平台与评价指标对不同悬架系统有较好的区分度和适用性。该文设计的测试平台可为喷杆悬架性能参数的限定和评价方法的完善提供参考。     

不同激励源下宽幅喷雾机喷杆的动态特性分析

针对不同激励源下喷杆运动特性的分析问题,该文根据宽幅喷雾机悬架和喷杆的几何特征建立了带弹簧阻尼器的悬架-喷杆模型,在频域内对模型进行综合分析,并根据其脉冲响应、阶跃响应和频率响应特性优选出理想的弹簧阻尼系数并对模型进行了动态仿真分析,观察了模型在不同激励源下喷杆和悬架末端的位移变化情况。研究表明:弹簧阻尼器的安装位置不是影响悬架性能的主要参数;旋转运动对喷杆的影响远大于平移运动对喷杆的影响;带弹簧阻尼器的模型可以满足设计要求。     

大型高地隙喷雾机喷杆主动悬架自适应模糊滑模控制

针对喷杆被动悬架在低频下隔离干扰性车身摆动性能不足的问题,该文在双连杆梯形喷杆被动悬架的基础上加装作动液压缸而获得喷杆主动悬架,并提出了基于自适应模糊滑模控制算法的喷杆主动悬架控制方法;在建立了喷杆主动悬架动力学模型和液压系统模型的基础上,应用Matlab/Simulink对主动悬架系统进行整体仿真分析,验证了该文控制方法的有效性;基于课题组开发的大型高地隙喷雾机搭建了实车试验平台,分别进行了实车静态跟随试验和田间试验。试验结果表明：采用基于自适应模糊滑模控制算法的喷杆主动悬架控制方法,喷杆倾角实车静态跟随响应时间和误差分别为2 s和0.002 rad,相较于PID控制的4 s和0.002 rad响应时间减小;同时,喷杆倾角田间试验摆动范围保持在-0.005～0.005 rad内。结论表明,该文提出的喷杆主动悬架控制方法具有良好的响应性、稳定性和准确性,可有效隔离干扰性车身摆动并保持喷杆稳定。该研究有利于提高中国大型高地隙喷雾机喷雾均匀性和喷杆作业稳定性。     

水田风送低量喷杆喷雾机设计及其参数研究

为适应水稻病虫害防治的需要,研制了一种轻便、高效、省药、能减少对环境污染、与目前中国水稻插秧机通用底盘配套、可实现水稻低量风送精确喷雾的水田风送低量喷杆喷雾机。采用机电一体化技术,气流辅助技术,低量喷雾技术为中国设计生产出第一代用于水稻病虫害防治的喷杆喷雾机,提高了插秧机通用底盘的利用率;作业效率2 hm²/h(作业速度0.82～0.98 m/s),可进行150～180 L/hm²的低容量喷雾作业;风送系统风速达14 m/s;将喷雾不均匀度由常规喷雾的50%降低到10%,农药利用率达35%;并能对喷雾轨迹进行标识,同时还解决了喷杆的自动折叠问题。     

基于有限元模型的喷雾机喷杆弹性变形分析与控制

以研究和抑制喷杆弹性变形为目的,基于ANSYS平台建立了喷杆的有限元模型并进行了数值模态分析,利用试验模态分析的方法对有限元模型及其模态信息进行了验证。依据所建立模型及其模态信息,在ADAMS平台中建立了机架喷杆模型,并对偏转、振荡以及翻滚3种典型运动引起的喷杆末端弹性变形量分别进行了谐响应分析,结果表明振荡是造成喷杆弹性变形的主要因素。为了抑制喷杆的弹性变形,在喷杆与机架之间添加了拉索,并分析了拉索安装在4种不同位置时,喷杆受到频率范围为0~10 Hz振荡激励后的弹性变形情况,结果表明:3/4喷杆位置处为4种安装位置中最合适处,此时喷杆各处形变量均小于10 mm,为4种中最小,相较未添加拉索时喷杆末端产生接近80 mm弹性变形来说,对弹性变形的抑制效果明显。     

基于非线性特征的黏弹性悬架系统减振特性分析

为分析履带式工程车辆黏弹性悬架系统的非线性阻尼减振特性,根据其结构特点和非线性特征,建立该系统两自由度分段非线性振动模型,并由平均法推导出系统固有频率共振区附近的幅频特性方程。以装有黏弹性悬架的某300kW履式拖拉机为应用对象进行研究,分析系统在固有频率共振区附近的非线性特性和阻尼减振性能。讨论了激励幅值、地面刚度、悬架分段非线性刚度、分段线性阻尼系数、车体质量和幅频特性之间的关系,并提出改善系统减振性能的建议。该文的理论与分析方法,可为黏弹性悬架参数与系统减振性能的一致性优化设计提供参考。     

3MQ-600型导流式气流辅助喷杆弥雾机研制与试验

为减少药液的飘失和雾滴的穿透力,提高药液利用率,设计了3MQ-600型导流式气流辅助喷杆弥雾机,利用拖拉机液压和动力输出带动液压马达、轴流风机、隔膜泵等部件工作。在风筒内部加装的新型栅格状导流器,优化了风筒内的流场结构,减小了因涡流而导致的能量损耗。试验结果证明,与无风幕喷雾相比,沿喷杆方向的雾滴个数平均值提高了29.5%,变异系数降低了78.5%;飘失量减少45%以上;在雾滴对作物冠层穿透性方面,雾滴在作物中下层沉积量50.8%。该机具有较高的减飘性能和雾滴沉积性能,农药利用率更好。     

喷杆式喷雾机雾滴飘移测试系统研制及性能试验

为了测试并分析雾滴的实时飘移情况及飘移分布规律,该文研发了一套雾滴飘移测试系统,用于研究不同喷雾设备喷雾时产生的雾滴飘移特性并评价其飘移潜力。依照国际飘移分级标准ISO 22369-2-2010,在室内环境条件下对喷杆式喷雾机上6种扇形雾喷头的雾化性能参数进行了测试,对其飘移特性进行了对比试验并评价其飘移潜力dPV。结果表明:喷头与工作压力对飘移潜力影响显著(P0.05)。喷雾压力为0.3 MPa时,常规喷头XR110-04的飘移潜力最高,为33%。ID、IDK等气吸式喷头飘移潜力明显小于常规喷头(P0.05)。Lechler ID120-025喷头的飘移潜力最小,仅为6%。提高喷雾压力会使飘移潜力变大。研究结果可为减少雾滴飘移的施药技术研究与飘移分级的制定提供参考。     

车辆半主动悬架系统的设计与试验研究

设计了可调阻尼减震器,通过台架试验,分析其动态特性,并建立了可调减振器阻尼与步进电机转角之间的关系,为半主动悬架控制系统设计提供了依据。在对半主动悬架系统进行数值仿真的基础上,开发了以C8051F005单片机为主控件的半主动悬架模糊控制系统,并进行了台架和实车道路试验。结果表明,设计的半主动悬架及其控制系统性能稳定,可靠,汽车行驶平顺性明显优于传统被动悬架,为半主动悬架的实际应用奠定了基础。     

喷雾机喷杆结构形状及截面尺寸优化与试验

针对喷雾机喷杆结构动力学特性原始设计缺陷,该文提出了一种基于遗传算法的多变量优化方法。以平面十八杆桁架单元为基础结构,在Abaqus平台中建立了单侧喷杆参数化有限元模型。基于Isight多学科多目标优化平台提取模型设计变量组及优化目标,采用多岛遗传算法(multi-island genetic algorithm,MIGA)对喷杆桁架结构形状及杆件截面尺寸进行优化,得到了一阶固有频率为10.87 Hz,质量为35.82 kg,幅宽为5 m的单侧喷杆结构模型。根据优化后模型的结构参数制造喷杆样品,通过对其进行模态试验验证了数值模型的准确性。针对优化前、后喷杆模型进行了以位移功率谱密度(power spectrum density,PSD)函数为激励的随机振动仿真,结果表明,优化后喷杆模型的质量下降并没有明显增加其在竖直方向上振动位移响应量。该文研究结果可为进一步研究喷雾机喷杆结构的动力学性能优化提供依据。     

基于LiDAR扫描的高地隙宽幅喷雾机变量施药系统研制

为提高甘蔗等高茎秆作物的机械化病虫害防治水平,解决普通喷雾机进地困难、农药用量大且利用率低等问题,该研究研制了一套基于三维LiDAR实时扫描的高地隙宽幅喷雾机变量施药系统。该系统搭载的喷雾机作业幅宽24 m、地隙1.35 m,喷杆喷雾高度在0.5～2.5 m可调。变量施药系统采用16线激光雷达传感器,对作物的三维信息实时探测,安装于机具后端的脉宽调制（PWM,Pulse-Width Modulation）控制器从CAN总线上获取喷雾机的速度信息并传递给计算机,采用Python控制程序,融合激光雷达数据与实时速度信息绘制喷雾量处方图并发送给PWM控制器。建立了作物冠层高度与施药量之间的数学模型,根据作物冠层所需要的喷雾量,由控制器控制电磁阀的开闭实现精准变量施药。系统组装完成后,在甘蔗地进行田间试验测试。结果显示：激光雷达能够准确识别甘蔗株高,最大识别误差为8.42%,最小识别误差为0.17%,平均误差为4.59%,激光雷达将识别到的株高信息准确传递给变量施药系统。变量系统开启后,喷雾机会根据株高变化实时改变喷雾量,雾滴沉积密度满足相关标准要求。在变量施药条件下,植株上中下3层的雾滴沉积密度变异系数均小于15%,满足喷雾机(器)作业质量标准要求,机具整体作业性能良好。变量施药时布样区施药总量为56.43 L, 相比常量施药的施药总量78.96 L,减少农药用量22.53 L,减幅28.5%。该研究可为高茎秆作物病虫害高效精准防治提供新的思路和方法,为新型精准变量施药机械的结构设计和高效施药技术性能优化提供参考。     

考虑自然风的气辅式喷雾雾滴飘失特性建模与补偿

气流辅助喷雾在雾滴减飘方面确有效果,然而大田作业时,其减飘效果受到自然风、喷雾流量、风筒出口风速、喷雾角等多种工况的严重影响。该文采用多相流计算流体动力学软件,建立三维流场几何模型,依据不同工况参数对雾滴漂移特性的影响,利用均匀设计安排试验方案,研究雾滴在自然风、辅助气流综合作用下在连续相和雾滴粒子离散相的耦合规律,通过流体动力学仿真完成训练样本采集,采用多元相关向量机回归方法建立不同自然风速下减飘模型,并通过模糊决策支持系统对作物茂密程度和喷嘴与冠层间垂直距离进行控制参数修正。试验结果表明：多元相关向量机回归模型预测飘失率的平均绝对百分比误差为2.56%,自然风扰动中实测和预测飘失率平均误差为8.92%,其飘失规律与所建飘失模型基本吻合。研究结果可为面向雾滴沉积效果的喷雾主动控制系统设计提供参考。     

连通式油气悬架数学模型及特性分析

为研究参数变化对连通式油气悬架刚度与阻尼特性的影响,该文建立了连通式油气悬架非线性数学模型,并考虑了液体的压缩和运动过程中摩擦力的影响。通过搭建试验台并建立仿真模型,将理论、试验、仿真数据进行对比,误差在10%以内,验证了数学模型的正确性。基于该数学模型讨论了初始充气压力、激励频率与初始相位差变化对连通式油气悬阻尼刚度特性的影响,分析结果表明:初始充气体积增大连通式油气悬架刚度减小;激励频率与左右两侧悬架缸相位差增大系统刚度、阻尼均增大;初始充气压力变化对其性能影响较小。     

高地隙喷杆式与隧道式一体喷雾机的设计与试验

针对烟草移栽后团棵期到打顶期植株形态差异显著,采用单一喷杆式喷雾病虫害防治效果差的问题,设计了一种集喷杆式和隧道式两位一体喷雾机,以实现在烟叶低矮稀疏的幼苗期进行喷杆式喷雾,在烟叶高大茂密的成熟期进行隧道式喷雾,并实现滴落药液的回收再利用。喷雾机固定在高地隙通用机架上;喷架升降和变形机构实现喷杆式和隧道式2种药液喷施模式;喷架收拢机构实现机器工作态和运输态2种机架形态的变换。试验表明:在相同行进速度和喷雾量的情况下,两位一体喷雾机与普通喷杆式喷雾系统相比,烟草打顶期和采收期时,在植株竖直方向上下层叶片正面平均单位面积雾滴沉积量提高50%左右,上下层叶片反面平均单位面积雾滴沉积量分别提高了30.56%和61.54%;在植株水平方向上内中外各层叶片正面平均单位面积雾滴沉积量提高42%以上;内中外各层叶片反面平均单位面积雾滴沉积量分别提高了46.23%、61.17%和24.11%。田间试验表明:药液雾滴雾化烟叶附着效果良好,并且几乎无烟叶损伤。在大田种植烟草的全生命周期中,该喷雾机具有更好的雾滴沉积效果和整机利用率。     

梨树风送喷雾关键作业参数优化与试验

针对目前不同叶面积体密度果树风送喷雾关键作业参数设置缺少可操作性依据,该文通过叶面积体密度、出口风速、穿透距离对雾滴在树冠中的穿透率、沉积率及飘移率的影响试验,并以穿透率、沉积率和飘移率为评价指标,分析得出不同叶面积体密度果树喷雾的最佳出口风速。同时,根据叶单位面积所需药量标准,提出了估算喷雾机行驶速度的方法,从而优化了梨树风送喷雾的关键作业参数。该文还在试验基础上,建立了树冠内的雾量衰减模型。经检验,雾量衰减模型决定系数R2在0.90以上,平均预测误差在20%以内,有较高预测精度,能较好地预测树冠内各点雾量的分布,可对出口风速、行驶速度等参数的优化作进一步的定量分析。该文为实际喷雾作业参数的优化设置提供了参考。     

宽喷幅风送式喷雾机扩幅喷筒优化设计及试验

风送式喷雾机喷筒结构的不同,影响其流场的分布及喷幅的大小,该文提出在原有的圆形喷筒喷雾机的基础上附加扩幅段的方法,使同一台风送式喷雾机具有不同的喷雾特性。利用数值计算方法,采用RNG k-ε模型,对附加3种不同类型扩幅段的喷筒进行了数值计算与分析。仿真分析发现,喷筒中气流运动分为3个阶段：靠近风扇区域中,气流呈紊流状态,在柱形喷筒与收缩喷筒区域中,层流与紊流并存,而在扩幅喷筒中,气流存在紊流并发生了流速的重新分布。其中,3种类型的喷筒中,在柱形喷筒及收缩喷筒内,I型和III型喷筒内气流速度的突变区域较多,II型喷筒中气流速度的突变区域较少;在扩幅喷筒中,I型和III型喷筒内的紊流区域较多,使得I型和III型喷筒效率较低。以喷筒效率高为优化目标,获得了宽喷幅风送式喷雾机扩幅段喷筒的优化结构,并试制了试验样机;利用试验样机,对宽喷幅风送式喷雾机的出风口风速及喷幅进行了实际测试。试验结果表明,采用优化后的扩幅喷筒,在出风口处实测的流场数据与仿真结果之间的误差在-1.49%～1.91%内;宽喷幅风送式喷雾机喷幅与送风距离间成二次多项式变化规律,在喷筒轴线方向上距出风口4.5 m处出现的喷幅最宽为3.56 m,与同功率下的未加扩幅喷筒的风送式喷雾机最大喷幅2.29 m相比,喷幅扩大了55.46%。