喷杆式喷药机（共3篇）
喷杆式喷药机 篇1
0 引言
喷杆式喷雾机按其与配套动力的连接方式分为悬挂式、牵引式和自走式。
悬挂式喷雾机对作物的压损较牵引式小,但悬挂式因机架与拖拉机三点铰接,药箱的容量会受到限制。在有些情况下,农户会在拖拉机的前面或两边加辅助药箱使拖拉机的负重更为均衡;但如果地块面积很大,需要很大药箱的话,还应选用牵引式喷雾机。对于小型拖拉机,如果因药箱太大而超重,会引起整机不稳定,在一般情况下农户会选择悬挂式喷雾机。
牵引式喷雾机更容易与拖拉机连接,分离也很容易,这样对一机多用是非常重要的。在坡地上,牵引式喷雾机要掌握好喷雾机的前进方向会有一些困难,但新设计的双杆式牵引较好地解决了这个问题。这种系统设计有两个铰接点,连接在同一水平上,这样可以允许喷雾机与拖拉机有垂直方向的相对运动,并可限制喷雾机的侧滑。有些系统还设计了电子自动矫正装置,适合于大型喷雾机。
对于那些喷雾机使用非常频繁的地方,自走式喷雾机或许更为合适。有些作物,如玉米,则需要机器有较高的离地间隙,一般自走式喷雾机可以满足要求。
1 喷杆与喷头系统
喷雾系统必须有若干喷头,这样可以改变喷雾的幅宽,而且喷头还必须与喷雾目标保持一定的垂直距离。不同雾锥角的液体喷头应有的最小喷杆高度,如表1所示。
喷杆的设置可高一点,不可太低,但如果太高雾滴飘移的可能性就增大了。使用中要注意喷头扇角、喷头间隔及喷头高度之间的配合,并尽量地保持各个喷头的压力一致,使各个喷头的喷雾量相同。
在喷雾过程中,当机器在地头转弯或地不平时,喷杆的端头就有可能碰到地面或障碍物,所以喷杆必须设计自动回位装置,并使其保持平衡。在非工作状态下,喷杆必须人工或液压折叠起来,并要保证安全。在作物的不同生长阶段,喷杆的高度必须根据作物的高度进行调整,使其适合地面或作物高度对喷雾垂直间隔的要求。
有些设计中,驾驶员在驾驶室就可以操作喷杆的运动;但在大多数情况下,为了降低成本,喷杆的折叠都是由人工完成的。由于在喷雾过程中喷杆会被农药所污染,驾驶员在接触喷杆时必须带上手套并穿上必要的保护服。
喷雾机的前进速度会受喷杆上下和左右摆幅极限的限制,因为拖拉机行走在高低不平的地面时,机体的上下颠簸和左右轮子高低不同造成的摆动会经过机架放大,如果喷雾机直接三点挂接在拖拉机上,这种摆动会比牵引式大。
喷杆末端的前后摆动会造成雾滴分布不均匀,如拖拉机向前走,向后摆动的一端其摆动方向正好与拖拉机前进方向相反,使它绝对速度减小,单位时间内喷在目标上的农药量加大,而向前摆动的一端情况正好相反,喷在作物上的农药量减少。喷杆越长,这种现象越严重。
喷杆的上下颠簸会改变单个喷头产生雾体的雾形,进而影响在整个喷杆长度上雾滴的分布。大多数喷头的间隔是0.5m,这样相邻喷头产生的雾体可以获得足够的重叠,在整个喷杆长度上雾滴的分布比较均匀。如果喷杆两端碰到地面,则喷头很容易损坏或堵塞,即使喷头有保护装置,这种情况也会经常发生。所以,在机构上一定要采取措施限制这种不规则运动。所选的前进速度也要尽量使这种运动不要超过一定的范围。总的来说,喷雾时拖拉机前进速度不得超过8km/h。
喷杆有“干”“湿”之分,如果输送、喷液的管子本身是喷杆的一部分时,称这种喷杆为“湿喷杆”;如果液体是由另外独立的软管送达喷头,这种喷杆称之为“干喷杆”。喷头可以通过许多喷头集成装置,这样它们可以更方便地更换喷头。喷头体一般都装有一个膜片阀,这个阀可以使各个喷头上的压力恒定,避免由于各个喷头压力不同而导致液体泄露。喷头一般垂直向下安装,但有时候为了获得更好的雾滴分布,将喷头向前或向后偏转一定的角度,这样对于一些谷物类作物,如小麦可以更多地将农药喷洒在作物叶子上,而不是垂直穿过作物喷向地面。对于那些没有风助系统的喷雾机,有些农户为了增加雾滴的穿透力,在喷杆上安装一个杆拨动作物,使雾滴分布的更加均匀。对于行播作物,在喷杆安装尾梁,使雾滴可以从两侧穿过植冠。
2 风助式喷雾机
对于那些需要较强雾滴穿透力的作物,农户可以选择风助式喷雾机(也叫气流辅助式喷雾机)。这种喷雾机在喷雾时产生的风力可以使植物的叶子摆动,从而使雾滴可以分布在不同层次的叶子上。风力由一个轴流风扇提供,然后通过一个由强力塑料布或其它材料做成的风筒,送达喷头。风筒的长度与喷杆长度相同,一般带有一定的锥度,使得在整个喷杆长度上各处的风力均匀。另外,风筒还必须具有一定的横截面积,使得风筒中的风速达到实际的需要,另外这种设计可以减小风筒中的压力损失。
有些喷雾机设计,在风筒上沿喷杆在每个喷头的后面做一个圆孔,使风正好吹在每个喷头喷出的雾体的后面。还有些喷雾机的设计,在整个风筒上做成一条长缝,风从缝中吹出,形成一个风屏。不管哪种设计,其目的都是通过风力加强雾滴的穿透力,从而获得一个较好的雾滴分布。如果气流辅助式喷雾机的对象是叶子很少的植物,则雾滴可能会被直接吹到地面,然后再反弹回来,形成向后的雾滴漂移。但是对于那些植冠茂密的植物,这种装置可以提高雾滴的沉积率,从而减少农药用量,减少雾滴漂移。有一种系统,主要是针对像小麦一类的谷类作物,在喷杆上加装一根杆,机器前进时推动作物,使其倾斜,这样被推的作物与没被推的作物之间就会产生一个缝隙,使雾滴直接喷到作物的各个部位。这种装置被广泛地应用于对短茎秆作物喷洒杀菌剂。
曾经也有人设计过风板,阻挡机器前进时雾滴向后漂移;但是在实践中发现,这种风板只有当机器的前进速度超过15km/h时才能真正发挥作用,所以此方案并未广泛的应用。还有一些喷雾机在喷杆上做一个罩子,以减小外界风力对雾体的影响,从而减小雾滴漂移。但存在的问题是,如果这个罩子设计不当,则很容易在罩子里形成空气涡流,改变雾形。也有一些罩子用像筛子那样的孔板做成,允许空气从中流过,但能够把雾滴留下来,起到阻止漂移的作用。
在有些喷雾机上安装风助式喷嘴(双流喷嘴),这种喷头中的流体是有一定压力的气体和液体农药,气液混合的农药直接喷在作物上。
3 喷幅指示系统
许多喷雾机在喷杆的一端安装一个能够喷出泡沫的特殊喷头,这样喷雾机在工作时的实际幅宽就可以指示出来。但困难的是,由于拖拉机手所处的位置距喷杆末端较远,这样要把两个行程对接好而不漏喷或重喷有一定的困难。同时,采用在喷杆末端设置铁链做边行指示的效果和泡沫划印边行指示同样存在上述问题。
4 带状喷雾
除了全面积喷雾,在有些情况下,由于作物的播种方式不同而需要带状喷雾。带状喷雾有时候喷在作物带上,而有时则喷在作物行间。带间喷雾一般是在播种时采用,这时考虑用较小的前进速度,喷头在单位时间内的喷量也应考虑,使得给机器装添种子与重装农药在同一时间里。在这种情况下,应采用较小的喷头,但是产生的雾滴还不能太细,否则很容易产生飘移。
播种时喷洒除草剂可以避免在作物生长的初期阶段作物与杂草争夺营养。中耕可以在较晚一些时候进行,这样可以让杂草长的稍微长一些,覆盖土壤,以免遇到大雨时冲毁地表;等到作物长起来后,就可以进行中耕。
在作物生长后期喷洒除草剂要相对困难一些,因为这时喷雾带必须要与作物的行对齐。这种喷雾作业需要前置式的喷杆,只有这样驾驶员才可以看见雾体与作物的配合。外界风速是一个必须考虑的重要因素,因为风力可能使喷出的雾滴错位。有时候也进行晚期行间喷雾,其目的是改善作物的收割条件。
均布喷头是一种常用与带状喷雾的喷头,但是常规的扇型喷头也可以用于行间喷雾,因为扇型喷头边缘雾滴密度递减的效应可以减小农药对作物的伤害。
5 校验
有许多校验喷雾机喷量的办法,不论采用哪种系统,准确地测量各种影响喷量的因素是必须的。
虽然校验时用水代替药液,但必须仔细阅读所用农药的标签,使用者要清楚推荐的喷量、农药的剂量、总喷量,以及适合的安全用具,如工作服。
假设标签说明喷量是200L/hm2,剂量是2L/hm2农药,则用中等大小的雾滴喷洒。
1)测量喷雾机实际作业速度,应注意行走时应保证喷杆的上下和左右摆动是否在要求的范围内。然后在100m行走距离测量喷量,记下行走100m所需时间,求出速度。
测量要重复3次,以确保数据的准确。
2)求单个喷头的喷量,先测出喷头间距,然后用如下公式计算
undefined喷头喷量(L/min)
假设上面测得喷雾机作业速度为7.2km/h,喷头间距为0.5m,则单个喷头的喷量为1.2L/min
如果公式中的喷头喷量是指喷杆上的所有喷头的喷量,则分母上的幅宽指整个喷杆的幅宽。这个公式可用于多喷头喷杆,特别是喷杆上的喷头类型不同的情况。例如,在作物行上用低流量小雾滴的喷头,在作物行间用大流量、粗雾滴的喷头。
对于那些安装有多喷头转换座的喷杆,最好根据所喷作物不同,选择安装不同用途的喷头,如小雾滴喷头、大雾滴喷头等等。
在混合药液之前,用户要尽量准确地估计所要喷洒的地块大小,避免混合的药液太多。知道面积后,就要计算所需药液的多少。每次喷雾作业后都应做好记录,为以后的喷雾作业做参考。最后一次装药液应比计算值稍少一些,以保证药箱中的药液不会过剩。
摘要：喷杆式喷雾机是大田植保作业应用最为广泛的机型。为此,在国内外有关研究的基础上,针对喷杆式喷雾机的喷杆与喷头系统、风力辅助喷雾系统、喷幅指示系统及带状喷雾等几个方面在设计和使用过程中常见问题进行了简要论述,为喷杆式喷雾机的研究提供参考依据。
关键词：植物保护,喷杆,喷雾机
参考文献
[1]傅泽田.农药喷施技术的优化[M].北京:中国农业科学技术出版社,2004.
[2]王险峰.除草剂喷洒技术[M].哈尔滨:黑龙江省科学技术出版社,1996.
[3]王荣.植保机械学[M].北京:机械工业出版社,1990.
[4]王万钧.农业机械设计手册[K].北京:机械工业出版社,1987.
喷杆式喷药机 篇2
果树种植业已成为现代化大农业中重要的一个分支, 是增加农民收入的重要途径。要获得品质优良的成品果树, 实现增收增效, 需要培育优良的标准化果树苗木。果树苗圃管理在实生籽粒播种、实生苗生长、成品苗管理等环节一致需植保环节相伴随, 尤其是进入雨季后, 要对苗圃进行多次以除草、抗病、防虫等为目的的打药。
变间距的种植模式在同一喷洒面上不再需要喷雾量的均匀分布, 喷雾量需要随行距的变大而减小。最理想的施药效果是将农药雾滴均匀地分撒到靶标 ( 即施药对象) 上[1]。雾滴漂移和沉降至地面都会造成环境污染, 而合理设置喷头布置方式, 改变雾锥交叉面积, 能够减少药液的浪费、降低农药给环境带来的污染。喷杆式果园苗圃打药机能满足苗木生长各阶段的喷施药作业要求, 其喷杆上下可调, 工作时可以根据苗木长势情况对喷杆的高度进行调节。通常造成喷雾量分布不均匀的主要原因是多喷头喷雾时喷头的间隔和高度布置不合适, 或是喷头雾型选择不当[2]。
1喷杆式果树苗圃打药机简介
整机数字样机如图1所示。苹果苗圃基地的矮化中间砧半成品苗的苗木行距为300, 550mm间隔种植[3]。喷杆式果树苗圃打药机为自走三轮式, 由动力底盘、药箱、喷杆架、喷杆以及喷头等组成。整机技术参数如下:
型号: 3WPSH - 300L
药箱容积/L: 300
后轮轮距/mm: 2 030
喷幅/mm: 8 500
喷杆总长度/mm:7 630
液泵排量/L·min-1:40
喷杆离地高度/mm: 500 ~ 2 000
打药机的喷杆距离地面的高度是通过转动驱动轮拉动钢丝绳索实现的, 高度可调。作业时, 可以将喷嘴距离苹果植株的高度调整到合适的位置。
1.动力底盘2.药箱3.喷杆架4.喷杆5.喷头
3WPSH - 300L型打药机在苗圃中作业时通过性良好, 前后轮分别在3个相邻的行距为550mm的行间行走, 一次作业可实现对24行苗木进行施药, 作业模式如图2所示。
2喷头的布置方式
2. 1喷头选择及性能测定
植保机械中常用的喷头有圆锥雾喷头和扇形雾喷头。圆锥雾喷头适用于小区域喷洒处理, 可用在果园风送式喷雾机上; 扇形雾喷头适合用在喷杆式喷雾机上[4]。喷杆式打药机作业时考虑到要减小雾滴漂移, 雾滴的直径应大于200μm[2]。喷杆常用喷嘴为扇形, 扇形喷嘴的喷洒雾滴大小为280 ~ 400μm[5]。3WPSH - 300L型喷杆式果树苗圃打药机的喷头选用ST 110 - 04扇形雾喷头, 满足果园植保作业要求。ST 110 - 04扇形喷头喷嘴结构如图3所示。
在喷雾性能综合实验台上对ST 110 - 04喷头进行不同压力下喷头性能测试。测试结果表明, 随着工作压力的增大雾锥角和流量逐渐增大, 压力达到0. 4MPa后雾锥角达到最大值110°, 并保持不变。单喷头的喷幅随高度的减小而减小。要达到满足喷雾量和减小漂移量两个条件, 需要喷嘴的雾锥角越大越好。喷头的特性如表1所示。实验过程中, 工作压力选择为0. 4MPa。
2. 2喷头数量确定
通常喷杆上的喷头间距为0. 5m, 作业时喷头的离地高度以0. 5m为好, 这样在整个喷幅内雾量分布最均匀[6]。苗圃苗木种植行距为变间距种植, 如图4所示。其中, Ⅰ ~ Ⅵ为相邻的6行苗木, Ⅰ ~ Ⅵ之间的行距依次为300, 300, 550, 300, 300mm。喷头的间距也要随靶标行距的变化而改变。安装的喷头数量n与液泵以及喷嘴流量有关。有
式中Q —泵的排量 ( L /min) ;
q —喷嘴的流量 ( L / min) 。
喷杆式果园苗圃打药机选择隔膜泵的排量为40L / min。预定的工作压力为0. 4MPa, 因此根据表1, q取1. 82L / min, 经计算得出n < 19。喷洒时, 1次性作业24行, 每两相邻的喷头作业对象为3行苗木, 喷杆喷头数量为16, 满足喷头安装要求。
2. 3布置喷头
喷头是110系列狭缝式喷头, 喷头安装距离为500mm; 工作时, 环境风力为3级以下。现有喷雾机的喷雾高度都可以在350 ~ 800mm范围内调整[7]; 增加喷头数、减小喷头间距或增加喷杆的工作高度, 可以有效地降低竖直振动对喷杆雾量分布均匀度的影响[8]。降低喷杆作业高度可以减少雾滴漂移, 缩短喷头间距可以增加雾锥交叉面积, 加大喷头间距, 雾锥交叉减小, 间距过大会形成漏喷。喷头分布越不均匀, 越加剧了喷雾量的不均匀性。
苹果苗圃内苗木行距分为大小行 ( 行距为300mm的行成为小行, 500mm的行成为大行) 。将16个喷头每2个分为一组, 共分为8组。每组喷头集中对3行靶标进行作业。图4中, A, B, C, D为4个喷头。A, B为一组, C, D为一组, A, B间距为d1, B, C间距为d2。 利用变间距喷头布置喷雾量的不均匀性, 喷头布置时d1< d2, 减小阴影区 ( 大行距中间区域) 的喷洒量, 能够减少药液浪费。图4中, Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ, Ⅵ分别代表苗木。
喷雾性能综合实验台集液槽的正下方有一排量筒, 可以收集雾滴, 设定收集时间为60s, 雾滴收集完毕后利用传感器可以检测每一个量筒内的液面高度。 在试验台上对单喷头在不同喷雾高度下的喷雾量分布进行测试。不同喷雾高度下单喷嘴的喷雾量分布如图5所示。
在喷杆多喷头喷洒实验过程中喷雾性能综合实验台喷头间距固定不可调, 因此需要根据单喷头喷雾量分布对多喷头喷洒雾量分布进行理论计算。
以图4中喷头A, B的喷洒状况为例, 采用单一变量法, 固定喷头间距, 改变喷雾高度, 分析Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ3行喷量的分布。单喷头喷量分布成正态分布, 多喷头喷洒时雾锥交叉喷雾量叠加。d1的取值有两个极限: 当A, B两喷头分别位于Ⅰ与Ⅱ, Ⅱ与Ⅲ的行距中心位置时, d1的取值最小300mm; 当A移动至Ⅰ的正上方, 同时B移动至 Ⅲ 的正上方时, d1取最大值600mm。d1, d2的关系满足
改变喷头间距d1的大小, 雾锥交叉区域改变, 处于雾锥交叉区域的量筒内喷雾量叠加。有
式中H —量筒内液面高度 ( mm) ;
R —量筒直径 ( mm) ;
v—量筒内的喷雾量 (L) 。
L—雾锥交叉宽度 (mm) ;
N —雾锥交叉区域量筒的数量;
θ—既定工作压力下的雾锥角度 (°) ;
d—喷头间距 (mm) ;
vⅠ, vⅡ—分别代表Ⅰ与Ⅱ的喷雾量 ( L) 。
单一变量实验表如表2所示。对以上数据进行分析比较, 当 Δv最小时d1与h组合方式为最优。最优值d1= 550mm, 喷洒高度h = 500mm。
d1和h的单位均为mm。
3实验验证
在试验台上更换一根同样尺寸的水管, 按照分析得出d1, d2的尺寸, 安装4个喷头, 喷洒高度为500mm进行实验。试验测定3次, 取平均值、记录数据、计算喷雾量[9]。考虑苗木自身的空间跨度, 图4中的Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ对应试验台上10 ~ 30号试管, Ⅳ, Ⅴ, Ⅵ对应34 ~ 54号试管。Ⅰ ~ Ⅵ 上方喷雾量均匀, Ⅲ, Ⅳ 之间喷雾量明显减少。四喷头喷雾量分布如图6所示。
4结论
1) 喷杆式果园苗圃打药机喷头采用变间距间隔布置, 有效地利用了喷雾量的不均匀性, 减少了药液在行间造成的浪费。
2) 喷压为0. 4MPa时, 喷头间距为550, 600mm间隔布置, 喷头距离靶标的高度为500mm, 能够达到最佳喷雾效果。
3) 同一高度下喷头变间距为550, 600mm, 间隔布置单位靶标面积上的喷洒量大于喷头间距为500mm等间距布置喷洒在靶标上的雾量。在苗圃单位面上的施药量不变的情况下, 喷头采用变间距间隔布置能够节约时间, 提高喷雾作业效率。
参考文献
[1]吕晓兰, 傅锡敏, 吴萍, 等.喷雾技术参数对雾滴沉积分布影响试验[J].农业机械学报, 2011, 42 (6) :70-75.
[2]孙文峰, 王立君, 陈宝昌, 等.喷杆式喷雾机喷雾质量影响因素分析[J].农机化研究, 2009, 31 (11) :114-117.
[3]李建平, 杨欣, 刘俊峰, 等.苹果苗断根施肥机的设计与试验[J].农机化研究, 2010, 32 (9) :85-88.
[4]袁会珠.液力式喷头类型及靶标适应性[J].植保技术与推广, 1998, 18 (2) :34-36.
[5]侯国义, 殷岗.喷杆喷雾机使用技术[J].农村科技, 2010 (10) :69-70.
[6]李红岩, 朱维羡.喷杆喷雾机工作参数的确定[J].农机使用与维修, 2010 (4) :101-102.
[7]叶连民, 吕天峰, 崔为善.喷杆式喷雾机全面喷雾作业雾量分布均匀性分析[J].佳木斯工学院学报, 1994, 12 (2) :110-113.
[8]陈志刚, 吴春笃, 杨学军.喷杆喷雾雾量的分布均匀性[J].江苏大学学报, 2008, 29 (6) :465-468.
喷杆式喷药机 篇3
液体晃动产生的附加作用力会影响整个载液系统的动力学行为。P. K. Panigrahy[1]设计了一套带有曲柄连杆机构的试验装置激励平放矩形液箱,测量分析了不同深度液体晃动对箱壁施压的情况。Zhou L[2]分析指出部分充液的阻尼卫星在外界干扰下液体晃动会导致卫星运行轨迹的明显不平衡,并仿真验证了阻尼卫星的混沌运动现象。液体晃动问题在液罐车运输领域有广泛的研究。刘奎等[3,4]采用VOF模型对罐车液体的晃动进行数值模拟,计算了制动和转向时罐车的受力与轴荷分布,提出应加设防波板遏制罐内液体的晃动。王云鹏[5]分析了液罐车侧倾时的受力情况,在ADAMS平台上仿真分析了不同载液量和行驶速度下液罐车的转向和移线工况,结果表明: 载液量和行驶速度的增加都会加大液罐车侧翻的风险。而对于药箱占比很大的小型喷杆式喷雾机未见相关研究。喷杆式喷雾机高重心、窄轮距、宽喷杆、载液重的特点使其作业姿态更易受到自身药箱内液体晃动力的影响,降低其行驶稳定性,增加驾驶员的操作难度和危险。而喷雾机的机组运动又直接影响喷雾沉积均匀性[6,7]。因此,喷杆式喷雾机药箱药液晃动问题不可忽略,对其研究具有重要实际意义。
本文提出一种基于应变测量原理[8,9]的喷雾机药箱药液晃动力测量方法,设计了三向力传感器,通过田间试验采集了各工况下的药液晃动三向力信息,以期为今后喷杆式喷雾机的设计开发提供依据。
1 三向力传感器的设计
1. 1 试验样机
试验样机选择3WPJ - 500D喷杆式静电喷雾机,主要参数如表1 所示。液体晃动的动压力难以直接监测,本传感器的设计思路是通过测量药箱的受力来间接获取药液晃动的附加作用力。对喷雾机药箱药液晃动进行力学分析,如图1 所示。
由于喷雾机在田间行驶时药箱内药液呈三维运动[10],药箱在各个方向上都会受到药液的冲击。考虑到液体质心在三维坐标系下的变化,这里重点关注药箱所受的3 个轴向力Fx、Fy和Fz。因此,首先要求所设计传感器要在承载药箱的基础上接受药液晃动传递给底盘的作用力,其次对喷雾机原有结构改动小以免使测量结果失真,即满足强度和安装两个要求。
1.药箱2.药箱支架3.喷杆机架4.传感器5.底盘机架
1. 2 三向力传感器的结构设计和布片
根据喷雾机药箱药液晃动力学模型,此传感器的结构和布片不仅要满足3 个轴向测量方向灵敏度,还应尽量减少非测量力矩的干扰并减小各测量力之间的耦合。传感器结构与桥路组合如图2、图3 所示。
Ux、Uy、Uz.x、y、z方向桥路的输出电压E.直流电源
传感器是由上板、侧板和下板组成的整体对称结构。上板作为加载端与药箱支架相连,下板作为固定端与底盘机架相连,连接方式为螺栓连接,4 块侧板作为应变梁接受晃动力并产生应变,4 块侧板两两垂直保证对不同方向力不同的敏感程度。其中,4 块侧板的厚度为3mm,上板的厚度为10mm,下板厚度为8mm,以减小受力时加载端和固定端的变形,保证应变主要发生在4 块侧板上。传感器弹性体材料选择Q235,此钢材的强度、塑性和焊接等综合性能较佳。传感器的主要结构尺寸如图4 所示。
应变片R1、R2贴于x方向侧板外表面的竖直对称线中心处,组成领臂半桥测量Fx;R3、R4贴于y方向侧板外表面的竖直对称线中心之上2.5cm处,组成领臂半桥测量Fy;R5、R7贴于y方向侧板外表面的竖直对称线中心之下2.5cm处,与两补偿片R6、R8组成对臂全桥测量Fz。当传感器受到纵向力Fx时,纵向布置的两块侧板的刚度远小于比横向布置的侧板刚度,弹性形变主要发生在纵向的侧板上,因此应变片R1、R2粘贴处的两侧应变梁产生弯矩,R1、R2一个受拉应力、一个受压应力阻值变化相反,x方向力测量桥路的输出电压[11];同样,Fy作用时y方向测量桥路输出;当传感器受到垂直向力Fz时,R6、R8都受压应力,z方向桥路输出电压,而此时x、y桥路上的应变片同时受压,每个应变片产生的电阻变化相同在各自的桥路中相减相消,桥路平衡。同理,当传感器受力矩Mx和My时,由于传感器的对称结构,各应变片距上板中心处的力臂相等,根据力矩的可传递特性,力矩对应变片产生的应变相等,即所有应变片产生的电阻变化相等,桥路平衡。由于箔式应变片自身横向效应对阻值影响甚微[11],因此认为Fx和Fy对彼此桥路输出的带来的变化很小。
2 三向力传感器的标定解耦
2. 1 三向力传感器的耦合分析
尽管在传感器结构设计和布片方式等方面已经考虑了力与力之间的干扰问题,但实际上,力的相互作用不可能完全靠结构或布片消除。因此,在实际测量之前必须通过标定找到所测力与传感器电压输出之间的关系,以便在对测量量进行换算时修正或消除干扰[12,13]。传感器的输出电压和三向力的实际关系为
其中,Ux、Uy、Uz为各桥路电压输出,令式( 1) 中的3 阶矩阵为解耦矩阵C,Cxx、Cxy、…、Czz为C中元素。其中,Cxx表示x方向施加的载荷与x方向输出电压间的系数; Cxy表示x方向施加的载荷与y方向输出电压间的系数,其他系数以此类推。因此,解耦矩阵C中的9 个元素可以通过静态标定获得。
2. 2 三向力传感器的静态标定
本标定试验在江苏大学现代农业装备与技术教育部重点试验室进行,方法是依次在传感器的x、y、z3 个方向上加载和卸载定值砝码[14],记录每次加载( 卸载) 时3 个桥路上的电压输出,正负方向各重复标定3次; 采样频率为100Hz,放大倍数10。
传感器x方向标定结果如图5 所示。x方向桥路输出电压的绝对值Ux( m V) 与纵向载荷Fx( N) 的线性关系为
相关系数R2= 0. 998 。此时,y方向桥路输出电压及z方向桥路输出电压与纵向载荷的关系分别为y= 0. 012x + 0. 108 ,y = 0. 045x + 1. 492 。
传感器y方向标定结果如图6 所示。y方向桥路输出电压的绝对值Uy( m V) 与横向载荷Fy( N) 的线性关系为
相关系数R2= 0. 991 。此时,x方向桥路输出电压及z方向桥路输出电压与纵向载荷的关系分别为y= 0. 012x + 0. 107 ,y = 0. 045x + 1. 492 。
传感器z方向标定结果如图7 所示。y方向桥路输出电压的绝对值Uz( m V) 与横向载荷Fz( N) 的线性关系为
相关系数R2= 0. 992 。此时,x方向桥路输出电压及y方向桥路输出电压与纵向载荷的关系分别为y= 0. 043x - 2. 720 ,y = 0. 024x - 2. 276 。
故根据各方向标定数据的拟合曲线,得到传感器的输出电压和三向力间的关系为
3 喷雾机药箱药液晃动三向力测量试验
3. 1 试验方案设计
试验测量喷杆式喷雾机0 ~ 500L( 步长100L) ,6种加液量,I挡( 2. 59km /h) 、II挡( 3. 40km /h) 、III挡( 4. 78km /h) ,3 种速度直线行驶工况下的药液晃动三向力,行驶速度在试验前进行标定[15]。
试验场地为江苏省镇江市一块100m × 200m的闲置田块。用米尺量出100m长度作为数据采样区,前后各留出20m的范围供喷雾机加减速和转弯。试验场地设计如图8 所示。
与三向力传感器配套使用的数据采集仪和动态应变仪通过纤维绳固定在喷雾机上,并在其与喷雾机之间加垫隔震材料。三向力传感器通过螺栓安装在药箱支撑架正下方的喷雾机底盘机架上,安装时各螺栓给予一定的预应力。测量装置的布置如图9 所示。
1.三向力传感器2.喷雾机底盘机架3.药箱支架4.数据采集仪5.桥盒6.动态应变仪7.手提电脑
3. 2 试验结果与分析
试验数据经50Hz低通滤波处理并按式( 5) 换算后,得到的结果显示喷雾机药箱药液晃动三向力是一种呈随机变化的交变载荷。当药箱加液量为0L时传感器也有一定的输出,这是水箱支架和药箱自身造成的,此时的输出量最小。总体上药箱药液晃动三向力有随加液量和速度的增加而增大的趋势,但其峰值是随机出现的。x方向力的峰值出现在喷雾机III挡( 4. 78km /h) 速度行驶,加液量400L的工况下,值为2 025N; y方向力的峰值出现在喷雾机在III挡( 4. 78km / h) 速度,加液量500L的工况下,其值为1 817N; z方向力的峰值出现在喷雾机在III挡( 4. 78km /h) 速度,加液量500L的工况下,其值为- 596N。因此,药箱药液晃动三向力的最大值出现在x方向,其大小相当于喷雾喷雾机满载质量的25. 3% 。图10 为满载( 500L) 加液量,III挡( 4. 78km /h) 速度工况的三向力时域数据。
可见,最大载液量和最高速度工况的x方向力最值为1 939N,y方向力最值为1 817N,z方向力最值为- 596N。但是,三向力最值出现的时刻不完全一致。对该工况下的三向力数据求合力,有
其中,Fi为某时刻药液晃动力( N) ; F1、F2、F3分别对应药箱药液晃动的x方向力、y方向力和z方向力; F0为该时刻合力值( N) 。500L加液量,III挡( 4. 78 km /h) 速度工况下合力的计算结果如图11 所示。
从药箱药液晃动三向力的合力计算结果可知:500L加液量、4. 78km / h行驶速度时合力的最大值为2 155N。虽然同一工况下同一次测得的药箱药液晃动三向力最值的出现有时刻差别; 但是,由于药箱内药液的晃动是一个整体连续的过程,药液在各个方向上的晃动同时发生,可见三向力时域数据中主要的波峰和波谷的出现在相位上是相近的。
4 结论
1) 设计了一种用于测量喷杆式喷雾机药箱药液晃动力的应变式三向力传感器,并通过田间试验测得喷雾机药箱药液晃动三向力是一种交变载荷。喷雾机药箱药液晃动三向力有随加液量和速度的增加而增大的趋势,但峰值随机出现。其最大值为III挡( 4. 78km /h) 速度行驶、加液量400L的工况下的x方向力,幅值为2 025N,相当于喷雾机满载整机重量的20. 3% 。
2) 500L加液量、III挡( 4. 78km / h ) 速度工况下,三向力合力的最大值为2 155N。相同工况下同时测量的药箱药液晃动三向力数据最值的出现时刻不完全一致,但各方向力时域数据中主要的波峰和波谷相位接近。
摘要：针对3WPJ-500D喷杆式喷雾机在生产实践中出现的操控稳定性差问题,从喷雾杆式喷雾机在田间作业时药箱内药液晃动产生的附加作用力入手探索,研制了专用的三向力传感器。通过田间试验测量3WPJ-5 0 0 D喷杆式喷雾机在3种行驶速度和6种加液量情况下的药箱药液晃动三向力。药箱药液晃动三向力是一种交变载荷,总体上随加液量和行驶速度的增加而增大。其中,x方向力的峰值为2 025N,出现在400L加液量、4.78 km/h速度工况下;y方向力和z方向力的峰值分别为1 8 1 7 N和5 9 6 N,均出现在5 0 0 L加液量、4.7 8 km/h速度工况下。经计算,喷雾机500L加液量、4.78km/h速度行驶时的药箱药液晃三向力的合力最大值达到2 155 N。试验结果表明:相同工况下同时获得的药箱药液晃动三向力数据的峰值出现的时刻并不一致,但主要的波峰和波谷在相位上接近。该研究可为进一步研究药箱药液晃动力对喷雾机运动的影响以及新型喷雾机的设计提供依据。