高地隙自走式植保机械喷杆系统结构优化与研究

1 喷杆系统结构及工作原理

1． 1 工作原理喷杆展开机构如图1 所示。

由图1 可以看出:该喷杆展开机构由中间支撑架、双头螺杆、液压缸、三角支杆、第 1 展开喷杆、第 2展开喷杆、上拉杆及连杆双头拉杆组成。第 1 展开喷杆与第2 展开喷杆的展开、收回运动由液压缸驱动。液压缸在推动第1 展开喷杆展开的同时带动上拉杆、连杆、及双头拉杆转动，双头拉杆带动第 2 展开喷杆转动展开。图1 中，双头螺杆和双头拉杆的长度均可调节，通过调节双头螺杆和双头拉杆的长度实现第 1展开喷杆、第 2 展开喷杆与中间支撑架的调平操作。中间支撑架与第 1 展开喷杆的铰链连接处及第 1 展开喷杆与第 2 展开喷杆的铰链连接处均设计了限位挡块，用来防止喷杆展开过位。该喷杆折叠后第 1 展开喷杆与第2 展开喷杆与水平地面成 45°角，固定在车身两侧，且喷杆展开机构为 5 段式，相较 3 段式喷杆在有限的空间内明显增加了喷幅。

1． 2 喷杆升降机构
普通的提升机构会严重影响行走系统的离地间隙，会导致喷雾机在作业过程中对高秆作物的破坏程度增大，因此设计既不影响整机的离地间隙又能完成喷杆转开系统升降的机构非常有必要。此喷杆系统采用平行四边形升降机构，主要由升降连杆、升降液压缸、车架和连接架组成，如图 2 所示。此平行四边形升降机构既可以保证喷雾机在作业过程的离地间隙，又能实现喷杆展开系统在竖直方向的升降，同时能保证喷头在升降过程的任意位置始终向下。


1． 3 喷杆系统自平衡机构
如果将喷杆系统与车身固定连接，喷雾机在田间作业过程中由于田间地面的不平整，会导致展幅较长的喷杆触地或折断。因此，采用图 2 所示的喷杆系统自平衡机构，将连接架与喷杆中间支架通过轴承连接，可以使喷杆系统不管车身处于何种状态始终与水平面平行，有效解决了喷杆系统的平衡问题。

2 展开机构分析

2． 1 自由度分析
图3 为喷杆展开机构的运动简图。机构自由度的计算公式为

由图3 可以看出:该机构的活动构件数为 7，低副数为10，高副数为0，因此该机构自由度为 F =3 ×7 －(2 ×10 +0) =1。在机构的原动件与机架相连的情况下，只有满足原动件数等于自由度数 F，喷杆展开机构的运动才能完全确定。该机构的原动件只有液压缸满足上述条件，因此喷杆展开机构具有确定的运动。
3 模型仿真及结构优化

3． 1 ADAMS 简介
ADAMS 是由美国 Mechanical Dynamics Inc 公司研制的一款机械系统动力学仿真分析软件，其求解器采用常用的多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，可对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，并输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

3． 2 几何模型的建立及导入
为了简化模型、减小计算量，仅对喷杆一侧展开机构进行仿真分析。由于在 ADAMS 中直接进行模型的建立比较困难，因此首先在三维建模软件 Pro/E 中建立系统简化模型的各个组件，在装配环境下对其进行装配，以确定各组件间的相对位置，然后把装配体文件以 parasolid(* ． x_t)格式保存副本;打开 ADAMS软件并以相应的格式导入刚才保存的文件，就可以将喷杆展开机构的三维模型导入到 ADMAS 软件中。

3． 3 添加约束、材料和载荷
利用 ADMAS 建立机械系统仿真模型时，系统中的构件与地面或构件与构件之间存在着运动副的连接。因此，首先需将导入的喷杆模型，根据实际情况添加运动副。在液压缸与杠杆之间添加移动副，中间支撑架与 ground 添加固定连接，其余各活动构件之间添加转动副;然后对液压缸添加移动驱动，速度方向为液压缸杆运动的方向;对整个喷杆展开机构添加重力，方向沿 Y 轴负方向。为各活动构件添加相应的材料:steel，第1 展开喷杆与第2 展开喷杆之间添加限位接触连接，第1 展开喷杆与中间支撑架之间添加相应的限位接触连接，如图4 所示。


3． 4 运动仿真
在液压缸的移动副处添加移动驱动，令移动速度为20mm/s，对喷杆展开机构进行运动仿真。喷杆机构在展开过程中，转动副 1 与转动副 2 处的角加速度、角速度如图 5、图 6 所示。由图 5、图 6 可知:喷杆在即将完全展开时，角加速度、角速度瞬间增大，在喷杆机构展开的最后转动副1 的角速度达到0．22rad/s，角加速度0．14rad/s2;转动副2 的角速度达到0．52rad/s，角加速度为 0． 68rad/s2。由此可知:喷杆机构在展开过程的最后，喷杆与限位挡块的碰撞力会极大。这将带来喷杆在即将展开时振动明显的问题，同时会对喷杆机构的使用寿命带来一定的影响。


4 优化方案

针对喷杆展开过程中出现的喷杆与限位挡块碰撞力极大，以及在喷杆展开机构即将完全展开过程中喷杆展开速度、加速度急剧增大等问题，提出将液压缸替换为电推杆同时将限位挡块替换为限位开关的方案，通过控制电推杆的速度来实现喷杆机构的平稳展开。电推杆的转动速度容易控制，可以实现喷杆定位停止且平稳展开，提高喷杆的使用寿命。
针对优化前喷杆在即将完全展开时角加速度、角速度瞬间增大的问题，初步对展开速度进行调整。即将电推杆先是以 20mm/s 的速度匀速运动，16s 之后速度由20mm/s 匀减速到0mm/s。设定电推杆的速度如图7 所示。添加移动驱动，驱动类型为速度。速度函数为 STEP(time，0，－ 20，16，－ 20) + STEP(time，16，－ 20，23，0) 。

改进后喷杆的展开情况如图 8、图 9 所示。其中，转动副1 处的角速度和角加速度的最大值都出现在喷杆机构即将展开时，角速度最大为 0． 11rad/s，角加速度最大为0．032rad/s2;转动副2 处的角速度和角加速度的峰值都出现在喷杆机构刚刚展开时。为了与优化之前作对比，测得喷杆机构在即将展开时转动副2 的最大角速度为在 0． 17rad / s，角加速度为 0． 06rad /s2。因此，优化后喷杆机构的展开性能明显提高。


5 结论
1) 本文所述的喷杆展开机构可以实现自动展开，提高了操作的便捷性。
2) 本文所述的喷杆升降机构既可以有效保证施药过程中的离地间隙，又能够实现喷杆展开系统在竖直方向的升降，保证喷头方向始终朝下;且所述的喷杆系统具有自平衡机构，有效解决了喷杆系统的平衡问题。
3) 对喷杆展开机构进行了自由度分析，通过分析可知:该机构的原动件数等于其自由度数，满足具有确定运动的条件，同时，对其进行了简单的运动学理论分析。
4) 通过对喷杆展开机构的仿真，分析了喷杆在展开过程中存在的一些问题，为喷杆改进方案提供了思路，为喷杆机构的进一步优化提供了理论依据。
5) 提出了将液压缸替换为电推杆的优化方案，有利于喷杆机构的平稳展开和提高喷杆的使用寿命。
参考文献（略）