殷梦杰，宋帅帅，杨 欣，左厚泽

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071000)

0 引言

近几年，国内外相关机构针对高地隙喷雾机的平稳性问题进行了大量研究，石河子大学许超、陈永成等人及江苏大学陈树人、韩红阳、陈刚等人针对行走平稳性问题对高地隙喷雾机的底盘、机架等部分进行了相关研究，但对喷雾支架部分的研究涉猎较少[1-2]。而作为高地隙喷雾机，喷雾支架的稳定性是十分重要的，其性能决定了施药效果的好坏。双平行四杆机构是构成举升机构喷雾支架的重要组成部分，在作业过程中能够根据作物情况进行高度调节，其性能决定了施药效果的好坏。为了解决高地隙喷雾机械行走平稳性的实际问题，通过对初始样机进行分析，找到杆件薄弱的位置并对杆件进行加强。通过数次优化，使样机整体的平稳性得到更好的改善。

1 喷雾吊杆的设计

1.1 双平行四连杆机构的设计

双平行四连杆机构主要包括喷杆连接件、下摆动杆、升降油缸、底盘连接件、上摆动杆、结构加强板及加强横杆，如图1所示。喷杆连接件、摆动杆、喷杆连接件组成一个平行四边形。底盘连接件与高地隙底盘前横梁相连接，升降油缸两端分别与平行四边形结构的摆动杆相连接，通过升降油缸的伸缩推动摆动杆较小的行程即可完成很大的摆动角，从而使喷杆支撑架得到足够大的位移行程。由于该四连杆机构为平行四边形结构，底盘连接件固定在底盘横梁上，当升降油缸通过伸缩驱动摆动杆进行升降，另一端的喷杆连接件可以与地面始终保持垂直状态；当喷杆支撑架悬挂在连接杆上时，喷头可以一直与地面保持垂直状态，从而保证了喷头可以在不同地面情况下始终保持高效的喷洒作业，从而提高喷雾效率。

1.喷杆连接件 2.下摆动杆 3.升降油缸 4.底盘连接件 5.加强横杆 6.结构加强板 7.上摆动杆图1 平行四连杆机构Fig.1 Double parallel four-bar mechanism

1.2 双四连杆机构的有限元建模、应力分析和优化

1.2.1 双四连杆机构几何模型的建立

本文采用有限元的方法研究双四连杆机构的受力情况。双四连杆机构的几何模型是采用AIP三维设计软件建立的[4]，并将构成双四连杆机构的主要钢管厚度定义为变量，初始值为双四连杆机构实际结构的钢管厚度(见表1)，其余非主要部件厚度按实际结构定义为定量，最终在其workbench模块进行应力分析。

表1 双四连杆机构模型主要变量的初始参数

1.2.2 有限元模型参数定义与网格划分

双四连杆机构材料为Q235钢，则定义模型的参数:密度ρ=7.85×103kg/m3，弹性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.25。把AIP三维设计软件导入其Workbench模块并对其进行自由网格划分，网格设置参数如图2所示。最终所得有限元模型元素为63 766，节点数为120 208。

图2 网格设置参数Fig.2 The grid settings

1.2.3 双四连杆机构应力分析

双平行四连杆结构是连接高地隙底盘和喷杆的重要结构，起到支撑和调节高度的作用。施加载荷和约束：双四连杆机构通过底盘连接件与高地隙地盘相连，故将底盘连接件设置为固定，考虑到喷杆质量约为300kg，故分别在喷杆连接件上施加2 000N的力。

表2列出了初始双四连杆机构应力分析结果，相应云图如图3所示。

当安全系数大于1才能满足要求[3]。 由表2知:双四连杆机构的安全系数为 0.8，即双四连杆机构稳定性较差。

表2 初始双四连杆机构应力分析结果

(a) 等效应力

(b) 位移

(c) 安全系数图3 初始双四连杆机构应力分析图Fig.3 The initial stress analysis diagram double four-barmechanism

1.2.4 双四连杆机构优化

考虑到双四连杆机构的外形结构不应有重大的改变，故将摆动杆、连接杆及加强板所用钢管或钢板的厚度定义为设计变量，部件优化结果如表3所示。参数优化结构如表4所示。由表3可知：在双四连杆机构总质量增加2.4%的情况下，其安全系数从0.8增加到了1.16，满足设计要求。

表3 双四连杆部件优化结果

表4 双四连杆参数优化结果

2 带有双平行四杆结构的吊杆结构模态分析

2.1 有限元模型的建立

采用AIP三维设计软件建立带有双平行四杆结构的喷雾吊杆结构有限元模型，并对模型进行了以下优化：

1)对喷雾吊杆结构静动态特性影响很小的构件予以忽略。

2)把喷雾吊杆结构的弯曲杆件简化成直梁杆件。

3)将喷雾吊杆结构上的圆弧过度简化为直角过度。

4)对于喷雾吊杆结构上的孔结构，如果孔的尺寸相对于其所在部件相对较小，则可忽略；如果孔的尺寸相对于其所在部件比较大，则看是否对会对局部结构的刚度和强度产生影响，如果产生影响则要予以保留。

5)对于喷雾吊杆结构上有一些主要起到连接或固定作用的附件，针对这些不承受力或承受力较小以至于可以忽略的零件，在不影响分析的精度的情况下，对其进行简化以减小占用计算空间和缩短分析时间。

2.2 有限元模型参数定义与网格划分

喷雾吊杆结构材料为Q235钢，则定义模型的参数:密度ρ=7.85×103kg/m3，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.25。把AIP三维设计软件导入其Workbench模块并对其进行自由网格划分。最终所得有限元模型元素为518 784，节点数为959 962。

2.3 有限元模态分析

模态分析主要确定部件的固有频率与振型，从而确保一定频率范围内不会发生共振[9]。为了对喷杆的动态特性进行研究，将底盘连接件设置为固定并采用分块兰索斯法(Block Lanczos)提取喷杆模型前8阶模态，图4所示为前2阶模态振型。

Clijmans指出，由于轮胎具有低通滤波性，行走底盘在田间作业时受到的激励一般小于10Hz[5-6]。由于杆与高地隙底盘之间无悬挂装置，不平路面对高地隙底盘的激励会直接传递给喷雾吊杆，由于该喷雾吊杆的一阶模态频率为12.49Hz，大于10Hz(见表5)，故本喷雾吊杆结构在田间作业时相对稳定,不易产生变形。

(a) 1阶振型

(b) 2阶振型图4 喷雾吊杆数值模态分析的前2阶振型Fig.4 First two mode shapes of spray boom by modal calculation表5 喷雾吊杆前8阶模态频率Table 5 The spray boom before 8 order modal frequency

模态阶数频率值/Hz模态阶数频率值/Hz112.49212.53313.42415.72515.80623.88727.63833.80

3 试验

经过上述计算和分析，双平行四杆改进结构参数最终确定，主要参数如表6所示。根据表6参数，生产厂家对样机进行了生产制造，并根据载荷与作业情况进行了性能试验，如图5所示。

表6 喷雾吊杆最终结构参数

图5 田间喷雾试验Fig.5 Field experiment

从喷雾吊杆展开到施药喷雾的整个试验过程中可知，喷雾吊杆施药过程可靠稳定，双平行四杆结构设计合理，并达到了设计要求。

4 结论与展望

4.1 有限元模态分析

带有双平行四杆结构的喷雾吊杆作为主要研究对象，应用AIP软件对其进行了三维建模设计，对双平行四连杆机构进行了应力分析，对喷雾吊杆整体进行了模态分析。结果表明：初始双平行四连杆机构安全系数不满足要求，优化后双四连杆机构总质量增加了2.4%，安全系数从0.8增加到了1.16满足了要求；喷雾吊杆的1阶模态频率为12.49 Hz，大于10Hz，满足田间作业激励要求，验证了其结构设计合理性。由于采用三维参数化设计方法，对于加工制造过程中提出的问题能够及时快速修改，缩短了设计时间，提高了样机开发效率。

4.2 展望

本文对高地隙喷雾机的重要部件进行了理论研究、结构设计与仿真分析，通过改善双平行四杆结构，改善了喷雾吊杆的平稳性，提高了喷雾机械的喷洒作业效率，对今后高地隙喷雾机的发展起到了一定的促进作用。

参考文献：

[1] 韩红阳, 陈树人,邵景世，等.机动式喷杆喷雾机机架的轻量化设计[J].农业工程学报,2013(3):47-53，293.

[2] 许超,陈永成,李瑞敏，等.高地隙自走式喷杆喷雾机的设计与研究[J].中国农机化学报,2016(1):51-54.

[3] 唐湘民.Autodesk inventor 有限元分析和运动仿真详解[M]. 北京:机械工业出版社, 2009.

[4] 陈伯雄.Autodesk Inventor Professional 2008机械设计实战教程 [M].北京:化学工业出版社,2008.

[5] Clijmans L, Ramon H, de Baerdemaeker J. Structural modification effects on the dynamic behavior of an agricultural tractor[J].Transactions of the ASAE,1998, 41(1) :5-10.

[6] Kennes P,Anthonis J, Clijmans L, et al.Construction of a portable test rig to perform experimental modal analysis on mobile agricultural machinery[J].Journal of Sound and Vibration,1999,228(2):421-441.