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优化设计喷杆喷雾机拨禾板固定支架浅谈
摘要：当前植保机械里最普遍的一种是喷杆喷雾机，为了更好地优化农药在喷洒过程中的利用率和降低雾滴飘失，在喷杆多加装罩盖装置。现在以山东绿田农业机械有限公司生产的罩盖导流式喷雾机拨禾板固定支架为实验对象，专门针对喷杆喷雾机生产研发中出现的损坏问题进行研究，利用有限元理论找出固定支架应力集中部位，并在其原有结构基础上进行拓扑优化设计，以提升结构强度。在较易受损的大豆田中，拓扑优化后固定支架最大应力由原来的652.4MPa降至123.8MPa，减少了81％，大大增加了机械抗振性，本结果为企业生产优质的拨禾板式喷杆喷雾机提供技术支持。
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田间施药是大田作物种植管理中最重要的环节，可有效地预防田间作物病虫草害的发生。目前国内大田施药机械主要有2种：一种是以无线遥控多旋翼飞行器为载体的航空植保机械，一种是高地隙喷杆喷雾机。航空植保机械多适用于山区丘陵地区，以作业速度快、地形适应性强为特点，缺点是农药雾滴易飘失、价格高昂且载药量少［1-2］。高地隙喷杆喷雾机以平原作业为主，高地隙底盘设计可有效减少机具作业过程中对作物的碾压伤害，为提高农药的有效利用率及减少农药雾滴的飘失，喷雾机喷杆多加装风幕装置［3］和罩盖装置［4］。拨禾板导流式喷雾属于罩盖喷雾，是一种结构简单、较风幕式喷雾价格便宜、可减少雾滴飘失的喷雾方法。它对高秆和低矮作物都适用。当装载拨禾板的喷雾机作业于低矮作物时，拨禾板底端紧贴作物顶部，倾斜喷出的农药药液会穿透作物冠层；当机具作业于高秆作物时，拨禾板可以拨开作物冠层，减少上部冠层对农药药液的拦截，使药液直接喷施于冠层下部。文献［4］对拨禾板的安装倾角及宽度都有详细的定义，山东绿田农业机械有限公司参考文献［4］研发设计一款拨禾板式喷杆喷雾机，但拨禾板与喷杆之间的固定支架作业时强度效果欠佳。本研究以山东绿田农业机械有限公司设计的拨禾板固定支架为研究对象，运用计算机拓扑优化理论对其进行优化设计。
1、模型建立
1.1 工作原理
拨禾板导流式喷杆喷雾机工作原理如图1所示，喷雾机液压驱动喷杆升降使得拨禾板置于作物冠层当中，喷杆在图1中从左至右作业，喷杆带动拨禾板、拨禾板固定支架以及喷头整体移动，拨禾板在喷雾机的带动下将作物冠层拨开，使得喷头喷出的农药雾滴喷施到作物冠层内部及下部。
图1 拨禾板导流式喷杆喷雾机工作原理图示
1.2 数字模型
大田喷杆喷雾机多使用平面扇形雾喷头进行作业，根据喷头流量及扇面角度的不同，喷头在喷杆上一般以0.5～1.0m为间隔等间距排列（本试验研究固定支架单体间隔为0.8m）。拨禾板式喷杆如图2所示，拨禾板通过固定支架安装于喷杆下方，喷头安装于拨禾板上方并与固定支架固接。为了增加结构强度，固定支架设计为平行四边形结构，有时为了增加拨禾板作业灵活性，固定支架平行四边形结构角度设计成可调节模式。
图2 拨禾板喷杆图示
运用机械三维设计软件PTC/Creo，根据实际尺寸对拨禾板固定支架进行建模。拨禾板式喷杆喷雾机固定支架（简称原模型）设计图如图3所示，单个支架质量为1.18kg，宽度为30mm。
图3 拨禾板固定支架设计图示
1.3 作业工况分析
喷杆喷雾机作业过程中作物冠层主要对拨禾板施加水平向左的推力，当作物茎秆折断时，阻力消失。以大田常见的秸秆种植作物（玉米、高粱、小麦、水稻、大豆、油菜）为研究对象，分析其种植密度和抗折力，为后续拨禾板支架的受力提供数据支持。有研究表明，玉米适合机械化作业且可增高其产量的种植密度范围为7.5万～9.0万株/hm2［5－6］，主茎秆机械抗折力因施氮量不同而有所改变，最高可达26.88N［7］。高粱适宜的最大种植密度为14.66万株/hm2［8］，主茎秆抗折力因品种的不同而有所不同，最大约30N［9］。小麦高产栽培的种植密度为240万株/hm2［10］，主茎秆抗折力最大值为6.2N［11］。高密度栽植水稻的种植密度可达33万株/hm2［12］，主茎秆抗折力最大为18.9N［13］。大豆最大种植密度为27万株/hm2［14］，主茎秆抗折力最大为87N［15］。油菜最大种植密度为60万株/hm2［16］，主茎秆抗折力最大为33.66N［17］。经单位统一后，6种秸秆作物单位种植面积内最大抗折力总和如表1所示。由表1可知，大豆单位面积抗折力明显比其他秆作物大。
表1 单位种植面积内作物最大抗折力
2、仿真与优化
2.1 理论模型
线性静力学分析是计算机辅助有限元分析中常采用的一种分析方法，而且静态强度是钢体结构必须要满足的基本要求。通过计算机线性静力学分析可以得到零件结构在静态载荷下的应力分布。通用有限元方程［18］可表示为：
［M］｛x｝＝［C］｛x｝＋［K］｛x｝＝｛F（t）｝。
（１） 式中：［M］为质量矩阵；［C］为阻尼矩阵；［K］为刚度矩阵；｛x｝为位移矢量；｛F（t）｝为力矢量；t为时间。在静力学分析中，材料满足线弹性和小变形理论，不考虑质量惯性、阻尼及载荷随时间延长的变化情况，（1）式可简化为：［K］｛x｝＝｛F｝。
（2）目前研究较多的连续体结构拓扑优化方法有均匀化方法、固体各向同性微结构材料惩罚法（简称SIMP变密度法）、ESO渐进结构法、ICM方法及水平集方法［19］。本研究运用SIMP变密度法模型。有限元方程可表示为：E（xi）＝Emin＋（xi）P（E－Emin）。
（3）式中：E（xi）为插值以后的弹性模量；E0为实体部分材料的弹性模量；Emin为孔洞部分材料的弹性模量；xi为单元相对密度，取值为1表示有材料，为0表示无材料；P为惩罚因子。模态分析的好处在于可使结构设计避免共振或者以特定的频率进行振动，可以找出机构对于不同类型的动力载荷是如何响应的，有助于在其他动力分析中估算求解控制参数［20］。模态分析时，钢体进行无阻尼状态下的自由振动，因不受载荷作用，模态方程可由（1）式得来：［M］｛x｝＋［K］｛x｝＝0。（4）
2.2 原模型仿真分析
使用有限元商业分析软件Hyperworks对原模型进行应力分析，以模型侧面为基准，通过壳网格拉伸的方法绘制边长为4mm的六面体实体网格：网格单元总数2198个，结点数5000个，网格质量良好。因喷雾机拨禾板固定支架材质为Q235，故所加载的材料属性为杨氏模量2.08×105MPa、泊松比0.277、密度7.86×103kg/m3、屈服强度235MPa。图1中喷雾机水平向右行驶，若拨禾板完全深入到作物冠层中，则拨禾板受到作物茎秆水平向左的阻力最大，进而传递到各个固定支架底端。因拨禾板与地面成40°夹角，故单个固定支架受到宽度为B、长度为图2中L（0.35×sin50°＝0.27m）的面积内作物阻力的作用。分析中以作物最大抗折力进行计算，固定支架所受作用力及支架产生的应力如表2所示。由表2可知，B＝0.8m时，因应力超过屈服强度，固定支架在小麦、大豆、油菜田中不可作业；B＝0.5m时，固定支架在小麦、大豆、油菜田中不可作业。固定支架在6种受力工况下的应力集中区皆出现在平行四边形结构右上角喷杆连接处，图4为支架在玉米田中最大受力时的应力云图和位移云图。固定支架玉米田中受力在6种作物中最小，但此时位移云图中最大处已达17.98mm，可见支架作业过程中位移变形量较大，需后续进行模态分析。
表2 定支架所受作用力及支架产生的应力
图4 玉米田中最大受力时的应力云图与位移云图
2.3 优化设计
考虑到原模型应力集中区出现在平行四边形结构右上角喷杆连接处，设计如图5-a所示毛坯件来进行优化设计，以弥补原模型中的不足。图5-a在原模型基础上增添了A区域和C区域，厚度与原模型相同，为30mm。在Hyperworks软件中对待优化毛坯件进行应力分析，材料属性及固定约束设置与原模型相同，加载B＝0.8m时大豆田中作业的受力工况。毛坯件受力云图及位移云图如图5-b、图5-c所示，毛坯件最大应力为50.22MPa，最大位移为0.23mm，最大应力处未达到235MPa，可进行拓扑优化设计。 在Hyperworks软件Topology模块中以最小化零件材料体积分数为优化目标，应力值不超过235MPa为约束条件，对待优化毛坯件进行拓扑优化设计。经80步迭代计算后，得出如图6-a所示的优化密度图。从图6可以看出，优化件相比于原模型，在平行四边形结构内部增加了若干加强筋，而且在与喷杆连接处上方增加了1条加强筋。在Hyperworks软件Post选项板中的OSSmooth模块将图6拓扑优化模型以.iges曲面模型格式导出。在PTC/Creo中将上述优化曲面模型导入，参照导入曲面模型轮廓进行三维绘图设计，优化模型设计完成后删除原曲面模型并导出二维机械图纸。考虑到加工难易程度，加工后的零件结构如图6-b所示，质量为1.87kg。进一步对优化设计模型进行应力分析，材料属性、固定约束设置与原模型相同，继续加载B＝0.8m时大豆田中作业的受力工况，应力云图和位移云图如图6-c、图6-d所示。图6显示，最大应力为123.8MPa，最大位移为3.9mm，满足设计要求。
图5 待优化毛坯件
图6 优化模型
3.4 模态分析
考虑到拨禾板固定支架原模型在作业过程中位移变形量较大，对原模型和优化模型进行前5阶模态分析，以对比支架优化前后模态频率变化情况，如表3所示。从表3可以看出，优化后支架模态频率皆有大幅度提升，即支架的抗振性增强。
表3 优化前后模型前10阶模态频率
3、讨论与结论
本研究运用机械有限元仿真软件Hyperworks，针对生产中遇到的实际问题对拨禾板固定支架进行结构分析和拓扑优化设计。以大田作业受力工况入手，计算玉米、高粱、小麦、水稻、大豆、油菜6种作物单位面积抗折力，经过对固定支架原模型应力分析得出应力集中部位，并在此基础上建立优化模型毛坯件，通过计算机拓扑优化设计得出固定支架优化模型。原固定支架不能在密集的秸秆作物中作业，尤其是茎秆抗折力大的作物冠层中。以B＝0.8m时抗折力最大的大豆为例，拓扑优化后单个固定支架质量虽然增至1.87kg，比原支架增加了58.5％，但最大应力由原来的652.4MPa降至123.8MPa，降了81％，机械抗振性也有大幅度的增强。本研究将工业机械设计中常用的有限元理论应用在农业机械上，不仅增强了材料的有效利用率，而且缩短了开发设计周期，具有重要的现实意义。
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2020-06-23我要评论
期刊名称：机械工程学报
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主管单位：中国科学技术协会
主办单位：中国机械工程学会
出版地方：北京
专业分类：机械
国际刊号：0577-6686
国内刊号：11-2187/TH
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2020-02-17
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