基于ADAMS的卷盘式喷灌机负载特性研究

2018-08-10邱志鹏

农机化研究 2018年9期

何猛，佟哲，李伟，邱志鹏，彭涛

(1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221000；2.江苏华源节水股份有限公司，江苏徐州 221000)

0 引言

卷盘式喷灌机作为一种广泛应用的移动式农田灌溉设备[1-2]，因其具有单位面积灌溉成本低、机动性强、性能稳定等优点，广泛应用于我国华北、东北等大面积农田的灌溉[3-6]场合。

卷盘式喷灌机多采用水涡轮为动力源驱动卷盘旋转[7]，为提高水涡轮运行效率，需要对卷盘式喷灌机的负载特性进行研究。目前，国内外学者对卷盘式喷灌机的工作特性进行了一些研究：Perry L Oakes[8]等研究了软管牵引式喷灌机压力损失的特点，解决了压力主要损失在何处的问题，并做了一定的优化工作；顾哲[9]等以软管牵引式卷盘喷灌机为对象，建立了卷盘负载转矩计算的数学模型，理论推导了卷盘式喷灌机在运行时的卷盘负载转矩数学计算模型。现有研究多停留在理论层次，没有实际物理样机实验做对比，不利于卷盘式喷灌机负载特性的进一步研究。

本文通过虚拟样机技术建立JP75-300型卷盘式喷灌机仿真模型，研究了卷盘式喷灌机工作时负载扭矩的变化规律，并通过与实验数据对比验证了仿真模型的准确性和可靠性。文章创新点如下：①搭建了基于物理样机的扭矩测试实验台，且采用步进电机做动力装置，能准确测试卷盘式喷灌机工作时的负载扭矩变化规律。②基于虚拟样机技术建立卷盘式喷灌机的仿真模型，该模型在物理样机的基础上做了合理的简化，并通过实验验证了仿真模型的准确性与可靠性。

1 结构与工作原理

卷盘式喷灌机是一种利用水涡轮驱动卷盘旋转、拖动喷头车在行进间喷洒水的灌溉设备，其结构示意图如图1所示。其中，喷头车连接PE卷管与喷头，将高压水均匀喷洒；地锚起固定作用，保证喷灌机在工作过程中固定不动；压管装置起压紧PE卷管，防止乱管的作用；支架起调整喷灌机底盘保持水平的作用。

1.地锚 2.速度补偿装置 3.卷盘 4.PE管 5.喷头车 6.喷头 7.支架 8.车架 9.地轮

工作原理：卷盘式喷灌机采用水涡轮作为动力驱动系统，采用大截面小压力的巧妙设计，即使在喷水流量很小的情况下，亦可以实现较高的PE管回收速度。工作时，水涡轮的输出转轴经过带传动装置与减速器输入轴连接，经过减速器的“减速增扭”作用，较大的扭矩力作用于卷盘以驱动卷盘转动，实现PE软管的自动回收。与此同时，流经水涡轮的高压水经PE软管输送到喷头车的喷头处，经过喷头的细化和雾化，形成的细小水滴和水雾，喷洒到农作物上空并均匀降落，形成“人工降雨”；随着PE软管的不断回收，不间断地进行喷灌作业，达到喷水灌溉的目的。

2 卷盘式喷灌机负载转矩理论分析

首先建立卷盘式喷灌机负载模型，如图2所示。

1.喷头车 2.PE管 3.卷盘

当卷盘匀速转动，拖动喷头车和PE管回收完成喷灌作业时，卷盘受到3个力，分别是地面与喷头车相对运动产生的滚动摩擦力1、地面与PE管相对运动产生的滑动摩擦力2及卷盘提升PE管和管内水的重力F。因本文研究的内容为卷盘式喷灌机工作时的最大负载转矩，PE管和管内水的重力F相对于地面与喷头车相对运动产生的滚动摩擦力1及地面与PE管相对运动产生的滑动摩擦力2较小，本文予以忽略不计。

2.1 初估喷头车质量

查阅现行JP75-300型喷灌机整机参数，初步选用的喷头型号：50PYC，喷头车总质量：m总≈100kg。其中，摩擦参数选取参照GB/T21400．1-2008《绞盘式喷灌机第1部分: 运行特性及实验室和田间试验方法》[10]给出的经验值。

喷头车产生的摩擦力为

F1=f1m总g≈98N

(1)

式中m总—喷头车总质量；

2.2 计算PE管质量

现行大型卷盘式喷灌机使用的PE管材料是特制的聚乙烯材料，查询相关资料取其密度为ρ管=0.96g/cm3，则有

(2)

卷盘式喷灌机300m PE管中所含灌溉水质量为

(3)

式中ρ水—喷灌水密度(kg/m3)，近似地取1 000kg/m3。

PE管与地面产生的摩擦总力为

F2=f2×(m管+m水)g≈5137N

(4)

式中f2—PE管与田地地面间的摩擦因数，取f2=0.4。

2.3 卷盘的受力分析

由上面分析过程得，卷盘牵引力为

F=F1+F2=5235N

(5)

卷盘的牵引力矩为

T=Fd1/2≈3271.9N·m

(6)

式中d1—卷盘直径。

3 仿真分析

3.1 虚拟样机技术简介

虚拟样机技术是许多技术的综合，其核心部分是多体系统运动学和动力学建模理论及其技术实现。ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是最著名的虚拟样机分析软件，是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷，以及计算有限元的输入载荷等。目前，ADAMS已在航天机械、铁路、汽车、飞机、工程机械及一般机械等领域得到广泛应用，被全世界各行各业的大多制造商采用[11]。

3.2 仿真模型的简化

卷盘式喷灌机主要由卷盘、传动机构、动力源、底盘、导向机构、PE管和喷头车等组成。为了提高仿真效率，确保仿真准确可靠，本文对仿真模型进行了合理简化，仿真模型主要由卷盘、导向机构和PE管和地块组成。模型简化过程中，将PE管简化为微段PE管拼接。其中，PE管长10m，微段PE管长度为5cm，并依次编号，与卷盘连接的为第1段，离卷盘最远的为第200段；将卷盘作为驱动装置，并施加驱动力矩，将导向机构的双向丝杠系统简化为一个移动副；把喷头车的摩擦阻力等效代替到PE管的第196～200段上，将PE管及管内水的质量均分到这200微段PE管上，PE管与卷盘用固定副连接、PE管与地块和导向机构采用刚性接触进行约束，PE管微段之间采用轴套力连接。

3.3 仿真模型的建立

虚拟样机三维模型的建立主要有两种方法：一是通过CAD软件完成建模，然后通过数据接口导入ADAMS中；二是通过ADAMS软件自身完成模型的建立。本文通过软件自身建立三维模型，方便后期模型修改以及运动副的添加[12]。其中，接触力(Contact)以及轴套力(Bushing)的添加均采用宏命令的方式进行添加，可以大大提高建模效率，提高建模准确性。简化后的动力学模型如图3所示。

图3 卷盘式喷灌机动力学模型

3.4 仿真分析

虚拟样机仿真，对计算机硬件要求较高。由于微段PE管、轴套力(Bushing)、接触力(Contact)的数量较多，求解困难，对仿真速度影响较大，本文采用脚本仿真，可对约束的有效性进行控制，方便设置仿真条件。本文仿真两种工况，根据喷头车的回收速度分为两种工况，分别为低速工况(0.35m/min)与高速工况(1.25m/min)。本文仿真条件设置与试验条件完全一

样，主要仿真参数设置如表1和表2所示。

表2 轴套力参数表

分别设置仿真参数，进行对比仿真分析。仿真结束后，在ADAMS的Post process后处理模块查看仿真实验结果，负载转矩的变化趋势分别如图4和图5所示。

由图4和图5可以看出：低速工况与高速工况负载转矩在3 200N·m上下波动，且高速工况相比于低速工况波动更加剧烈，符合实际工况；高速工况的启动负载转矩比低速工况的启动负载转矩高1 000N·m。与实验测得数据较为吻合；在卷盘匀速回收阶段，低速工况与高速工况的负载转矩基本一致。

图4 低速工况负载转矩仿真结果

图5 高速工况负载转矩仿真结果

4 实验与对比分析

4.1 实验台简介

实验台搭建在卷盘式喷灌机物理样机上，主要由步进电机、减速器、联轴器和扭矩传感器构成，可以测量卷盘式喷灌机工作过程负载扭矩的变化。实验扭矩采集系统采用以计算机为硬件平台的北京世通科创技术有限公司TQ-USB采集系统，采用扭矩传感器型号为TQ-660,量程(0±1 000)N·m(见图6)，实验台结构如图7所示。

动力由步进电机经减速器、联轴器、扭矩传感器传递给卷盘。扭矩传感器安装在减速器输出轴与链轮的输入轴之间，由测得的链轮输入转矩结合链轮传动比计算出工作负载转矩。

4.2 对比与分析

4.2.1 实验

本实验研究卷盘式喷灌机工作时的最大负载转矩，验证模型的准确性，为研发新型卷盘式喷灌机提供理论依据。

本次实验参考GB/T21400.1-2008《绞盘式喷灌机第1部分: 运行特性及实验室和田间试验方法》，设定喷灌机分别工作在两种工况，分别为低速工况(0.35m/min)与高速工况(1.25m/min)。两种工况分别对卷动第一层PE管的状态进行了测试，即负载最大的工况。通过本实验对负载扭矩的变化规律进行研究，研究喷灌机作业时的最大负载转矩。

根据设定条件进行实验，低速工况与高速工况下外部负载的变化情况如图8、图9所示。