基于UG动画仿真的喷雾机喷杆形变控制优化

张 楠,刘 旭

(吉林动画学院,长春 130000)

0 引言

喷杆喷雾机是大田农作物常用的现代植保机械,优势在于可利用宽幅喷施完成高效优质作业。随着喷杆喷雾机的技术升级,为适应大面积农田植保需求,大型喷杆喷雾机的生产量和应用量均明显提升,市场上主力大型喷杆喷雾机的幅宽超过22m,部分先进机型作业幅宽可达28～32 m甚至更大。宽幅喷杆尽管作业效率更高,但在作业过程中也会因架体运动而影响雾滴分布的均匀性,尤其在复杂的农田环境中,喷杆的状态呈现典型的差异性[1]。工作时,分布于喷杆不同位置的喷头在喷杆运动惯性、摆幅、摆动频率等多重因素的影响下,导致农药雾滴喷出后偏离理想路径,尤其在偏斜、崎岖等不良地表状态下表现出更明显的喷施不均匀问题。为此,笔者对喷雾机喷药架进行三维动画仿真模拟典型工况下喷雾沉积质量的差异性,并分析影响喷施质量的关键因素,旨在为大型宽幅喷杆喷雾机的喷药架结构优化提供新方法。

1 喷药架运动特性

随着喷杆喷雾机喷药架幅宽的增加,受到悬臂结构的影响,以两侧喷药架的对称点为中心,越是远离中心位置的喷药架结构,其物理稳定性越低,越容易受到地面环境的变化而产生复杂的运动。现阶段应用的大部分喷杆喷雾机是基于平整地表的理想状态而设计的喷药架结构,其利用扇形喷头间隔组合,对地表或农作物能实现均匀喷施,可有效保证植保作业的质量。Nuyttens D.等[2]针对大型背负式和自走式喷杆喷雾机喷雾质量展开研究,论证了喷杆运动是影响雾滴分布均匀性及喷雾飘移量的重要因素。崔龙飞[3]等针对喷药架的动力学研究证实,喷杆的异常运动会引起喷嘴离地高度随机变化,严重影响喷雾分布形态,导致局部区域漏喷或药力下降。

对于我国农业生产而言,尽管主要的粮食产区位于平原地区,但喷杆喷雾机在田间行驶时地表仍存在倾斜、坑洼、局部不平、沟壑等不良状态[4]。地表的不良状态易引起底盘倾斜及振动、药箱内药液晃动等,从而影响喷药架悬臂结构的物理性能,使其脱离理想的喷施状态[5]。研究中,对喷雾质量产生不利影响的喷药架运动称为有害运动。喷药架常见的典型有害运动包括:①纵向摆动。指喷杆以中心为基点,沿与地面垂直的方向上下摆动,远离基点的喷药架摆动幅度相应增加。②倾斜。包含两种情况:一是受地形坡度影响,喷药架与水平方向出现一定夹角,但喷药架主体仍与坡度地表平行;二是受到沟壑或坑洼影响,喷药架与地表产生一定夹角[6]。③低频振动。当地表状态频繁变化时,底盘的频繁调整激励喷药架的物理状态呈不规则变化,这种变化引起喷药架产生不规则的低频振动。

2 喷药架运动产生的形变

受田间复杂地况的影响,喷药架在偏斜、振动等作用力的影响下可能产生多种类型的形变,这些形变会造成喷杆上喷头位置和角度产生偏移,可能影响实际喷施质量。

2.1 倒U型形变

倒U型形变是喷药架应用中最常见的形变情况,受到悬臂结构的影响,喷药架整体会受到重力作用而产生形变,越是远离中心固定结构的喷药架越受到重力作用向下偏离水平位置,形成中间高、两侧低的形变;而在有振动存在的条件下,这种形变的程度将加剧。

2.2 S型形变

S型形变是特殊受力下形成的形变,但在喷杆喷雾机作业过程中十分常见。喷杆喷雾机在田间行驶时,受到地面崎岖不平影响会左右摆动,摆动过程造成左右两侧喷药架受力方向不一致,一侧向上摆动而另一侧向下摆动,产生一侧上弯、另一侧下弯的S形形变。

2.3 U型形变

U形形变是在纵向颠簸中产生的瞬时形变,当田间出现过大的深坑、凹地时,喷杆喷雾机整体快速向下掉落,或频繁颠簸产生喷药架左右两侧同方向上下摆动时会瞬时出现喷药架两侧同时由水平方向向上偏移,形成U型形变。

3 多地形工况下的动画仿真

3.1 喷药架建模及其参数

以我国农业生产中应用较多的梯形喷药架为主要研究对象,通过UG建立三维模型,如图1所示。

图1 喷药架的UG建模Fig.1 UG modeling of spray rack

模型设置喷药架幅宽28 m,喷药架为钢结构桁架,喷药架喷杆上安装有扇形喷头,喷雾角度为120°,喷头与喷杆相垂直。模型不考虑非承载结构、工艺孔、加强筋等对力学性能影响较小的结构因素,将水平地面标准工况下,喷药架展开后的喷杆初始状态设置为水平,即每个喷头于水平地面的纵向距离相等。

3.2 地形分类与作业参数赋值

3.2.1 地形分类

为更真实地仿真不同耕地表面状态对喷杆喷雾机喷施质量的影响,建立了5种地表状态模型,分别为标准平地、15°坡地、间隔凹坑地、左(右)侧凹沟地以及左右交错凹坑地。

1.15°坡地 2.间隔凹坑地 3.左(右)侧凹沟地 4.左右交错凹坑地图2 地表典型地形Fig.2 Typical surface topography

3.2.2 作业参数赋值

对喷药架的关键仿真参数进行赋值,如表1所示。本次仿真只针对地表状态导致的喷药架变形设计相关参数,为降低仿真的复杂性,生产实践过程中实际存在的机械振动、环境影响等因素不计,将标准平地工况下的喷施均匀度和喷施准确度视为理想状态,即为完全均匀和位置完全准确。

表1 喷药架关键仿真参数

3.3 动画仿真及结果

本次动画仿真针对上文提及的5种典型地表状态模型逐一进行模拟,主要目的是分析扇形雾滴喷出后的覆盖均匀性和覆盖范围,并将标准平地与其他4种地表状态的模拟结果进行对比,其动画仿真的喷雾状态如下。

1)标准平地喷施如图3所示。在标准平地条件下,扇形喷头喷出的雾滴状态理想,能够均匀覆盖地表,喷头之间形成了良好的匹配关系,扇形喷雾区域交错均匀,有利于保持平均喷施质量。

2)15°坡地喷施如图4所示。坡地喷施时,喷药架由于受到坡地的倾斜影响,其与水平方向产生15°的倾斜,但仍与耕地表面相平行;在这种状态下,高压喷雾喷出的扇形雾面区域能均匀覆盖耕地表面,且有利于保证喷雾覆盖均匀性。

图3 标准平地喷雾状态Fig.3 Spray state of standard flat ground

图4 15°坡地喷雾状态Fig.4 Spray status on 15° slope

3)间隔凹坑地。在该地表状态下开展植保喷雾作业,由于喷药架频繁下落进入凹坑再驶出凹坑,导致喷药架受到向下和向上的冲击力,喷药架频繁出现纵向运动而引发形变。该地表状态引发的形变主要以倒U型形变[见图5(a)]、U型形变[见图5(b)]为主,两种形变引发了喷嘴喷处雾滴偏离。倒U型形变导致喷雾幅宽整体缩小,远离中心位置的扇形喷雾区域重合面积明显扩大,造成局部范围喷雾量偏大;U型形变导致喷雾幅宽整体扩大,远离中心位置的扇形喷雾区域重合面积明显缩小,造成局部范围的喷雾量不足。

图5 间隔凹坑地喷雾状态Fig.5 Spray state of the interval pit

4)左(右)侧凹沟地。本文仅以左侧凹沟地进行仿真,右侧凹沟地产生的影响相同,如图6所示。

图6 左侧凹沟地喷雾状态Fig.6 Spray status of left concave ditch

由于左侧出现凹沟,喷杆喷雾机底盘倾斜引起喷药架倾斜,此时除凹沟处的地表状态为平地外,出现了左侧喷药架降低、右侧升高现象,由左至右的喷头离地间隙依次增加,偏离理想喷施状态;最左侧区域喷雾未形成良好扇形雾面则喷施到地表,农药雾滴浓度偏高,左侧喷幅幅宽缩小;最右侧区域喷雾出现明显扩散,雾滴所覆盖范围的浓度偏小,右侧喷幅幅宽扩大。

5)左右交错凹坑地。在该地面条件下作业,两侧频繁出现不对称的纵向位移,导致底盘出现左右摆动,带动喷药架出现左右摆动,引发喷药架出现S型形变,如图7所示。由于左右两侧形变方向不同,一侧上弯时另一侧下弯,形成一侧近似倒U型形变另一侧近似U型形变的喷雾偏移特点,左右交错凹坑地行驶过程受到地表状态的实时变化影响较大,两侧喷雾不仅偏离标准工况,同时两侧出现喷雾覆盖面积回缩与扩张的不同情况,对喷雾覆盖的均匀性影响较大。

图7 左右交错凹坑地喷雾状态Fig.7 Spray state of left and right staggered pits

4 仿真数据下的喷雾技术优化与验证

4.1 技术优化方案

4.1.1 不同地形下喷雾质量变化

从UG仿真不同地形的喷雾过程来看,地形对于喷杆喷雾机的影响主要分为3类:一是在标准平地和15°坡地等平整地面喷施时,喷杆能够保持与地表的平行状态,喷出的喷雾覆盖范围及雾滴密度与预期的喷施效果接近,不会对喷施的质量产生不良影响;二是左(右)侧凹沟地行驶时,由于两侧轮胎所处地面高度不一致,喷药架整体与水平地面产生一定倾角,喷雾的覆盖范围和雾滴的单位沉积密度发生了明显变化,导致喷药架左右两侧喷头喷出的农药药雾实际作用效果达不到预期,即农药药雾密度过大易产生药害,农药药雾密度过小达不到最佳的病虫害预防及治疗效果;三是间隔凹坑地、左右交错凹坑地等具有一定颠簸振动的行驶条件,喷药架产生U形弯曲、倒U形弯曲、S形弯曲,导致喷雾作业的均匀性得不到保证,频繁的振动传递到喷药架后导致喷药架整体处于不稳定状态,导致大面积植保喷雾过程田间随机位置出现喷雾浓度偏高(偏低)或产生重喷(漏喷)等问题[7-8]。基于上述分析,要改善喷杆喷雾机受地形影响而出现的喷雾质量降低,可从以下两方面考虑进行技术优化:①降低地表凹坑等不良条件产生的振动及变形影响;②减小喷药架与耕地表面出现不平行的概率。

4.1.2 结构及技术优化

1)喷药架的刚性优化。首先,针对喷药架的喷杆折叠结构进行简化,传统的折叠结构体积较大,结构复杂,多采用不锈钢材质配合液压油缸实现自动展开与收折。由于折叠组件质量大,对于宽幅喷药架,为降低折叠后的幅宽,提高运输的便捷性,需要在左右两侧对称布置多组折叠结构,使喷药架展开后整体质量增加,且折叠装置位置受到的振动惯性大,易引起喷药架振动变形量的增加。在此对传统的折叠结构进行了轻简化设计,采用3030系列硬质铝合金替代折叠传统架体,铝合金表面喷涂聚四氟乙烯,采用Y字型折叠结构替代传统的平行四杆结构,进一步减少折叠结构零件数量,使折叠结构整体重量降低约43%;其次,对喷药架型材进行优化,选择的细长型材内部带有一次成型的翼肋,进一步提高型材的刚性,其抗变形能力提升。

2)振动控制优化。在喷药架与喷杆喷雾机主梁之间设计并安装了4组筒式液压减震器,用以减少耕地地表凹坑造成的振动影响,使传递到喷药架的振动进一步减少,能够更好地控制喷杆喷雾机在间隔凹坑地、左右交错凹坑地行驶时因振动产生的变形量,并降低左右两侧摆动幅度[9]。

3)电液控制优化。电液控制的优化重点集中在控制喷药架始终保持与耕地表面的平行状态。首先,在幅宽28 m的喷药架上安装有4个松下HG-C1100测距传感器和1个理研RFL-1502条式水平仪,采用测距传感器多点测量喷药架不同位置与耕地表面的距离,水平仪提供喷药架的水平状态,用以辅助控制系统判断喷药架与地表倾角,有效提高检测及控制过程的精确性及鲁棒性。采用模糊控制理论处理获取的数据信息,当左右两侧有3个及以上传感器测距值近似时视为喷药架与地表水平。当有2个传感器测距值存在较大偏差(大于20cm)时,则做以下判断:若2个存在偏差传感器位于同一侧,则判定为喷药架与耕地表面不平行,应进行调整。若左右两侧各有1个传感器测得数值偏小(或偏大),而左右两侧各剩余的1各传感器测量值近似,也视为喷药架与地表水平。喷药架的调平采用电控液压系统控制,利用电磁液压缸实现快速调整。调整过程设置两类判断程序:一是倾角判断,主要是分析喷药架与耕地表面是否存在过大的夹角,即出现严重的不平行问题。二是持续性判断,当喷药架与耕地表面存在过大的夹角时监测夹角存在的时间:当该状态持续超过5s时,控制系统启动调整功能,控制喷药架与耕地表面保持水平;当喷药架与耕地表面存在过大的夹角喷药架与耕地表面存在过大夹角的状态持续不超过5s时,视为瞬时振动导致的偏斜,不进行喷药架调整[10]。

4.2 优化后的试验验证

根据结构及技术的优化方案,对喷杆喷雾机的喷药架进行了技术改造与升级,并利用农民现有喷雾机制造了1台试验样机,在榆树和公主岭地区先后进行了生产试验。

试验采用对比作业的方式实施,设标准平地下的雾化覆盖率为100%,试验机与对比机参数调整为高度相同、行驶速度相同,每种地形试验3次,利用紫色液体代替农药药液,在试验地表间隔布置200张测试纸张,检测在多种地形状态下的雾化覆盖率,并与标准平地下的喷雾覆盖质量进行对比,测得试验数据如表2所示。由表2可知,优化后的试验样机雾化均匀性与喷施质量得到了相应提升。

表2 试验数据对比

5 结论

1)利用UG的动画仿真功能对不同地形下喷药架喷出雾滴覆盖情况进行了分析,并在分析相关数据的基础上对喷药架进行了结构、材质、电液控制技术的优化。经试验验证,雾化喷施质量得到了相应提升。

2)本次针对喷杆喷雾机喷药架形变控制优化仍为达到理想状态,后续重点在以下几方面进行优化和改进:①进一步对减震技术进行升级,尝试采用反应迅速、阻尼可调、可控性强的磁流变减震器提升振动控制能力;②进一步结合受力分析软件优化喷药架桁架物理结构,利用物理和几何结构提升喷药架整体抗变型能力。