大型植保机喷杆刚架的有限元建模及形变控制

发布时间：2020-08-12 15:11

【摘要】：随着农业技术的发展,传统农业生产方式已经逐渐被现代农业生产方式所取代。而在现在农业生产中,化学防治成为了植物保护、提高产量的重要方式。大型植保机械的运用,提高了植物保护过程中的喷药效率,其可靠性、高效性、安全性已经被业内认可。但是由于农田作业环境复杂,喷杆系统的减振和平衡效果,成了喷杆喷雾量分布均匀性的关键因素。大型喷杆喷雾机在田间作业时,由于田间的复杂情况所造成的喷杆的俯仰,滚动和偏航会使喷杆产生振动并偏离最佳的施药位置。由于喷杆喷雾机的大型化,振动也会使喷杆产生弹性形变。这极大的影响了喷雾机的喷药质量,导致过喷、漏喷,严重的振动和形变甚至可以使喷杆刮伤农作物,导致严重的损失。本文针对大型植保机喷杆所常用的刚架结构喷杆,将喷杆刚架结构的弹性形变考虑在内。将24m长的喷杆刚架结构分为27个节点,并采用有限单元法进行了模型的建立。根据振动情况的不同,本文将喷杆刚架的垂直振动和水平振动分开考虑,以减少建模时考虑的自由度的数量,提高计算效率。在建模之后,针对田间情况对喷杆的扰动所产生的振动频率范围(垂直方向0-10Hz,水平方向0-3Hz),对喷杆刚架进行了在此频率范围内的自由振动分析,并通过模态振型图找到了各节点的振幅,决定采用1,14节点来评判控制的有效性。针对植保机喷杆田间作业时产生的振动所引起的弹性形变,本文采用了线性二次型最优控制方法,对所建立的植保机喷杆刚架垂直方向振动模型进行了控制器的设计。针对不同的施加控制力的位置,进行了仿真,验证了控制器的有效性。接着采用了更贴进工程的模态控制方法,将植保机喷杆刚架水平振动模型进行了模态变换,变成模态空间。并针对在对应频率范围内的模态进行了控制,验证控制方法的有效性。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S49;TP273
【图文】：

频率低，阻尼小，植保机行进时，受到不均匀的土壤，转向，速度变化等外部激励会所产生振动及弹性形变的情况，喷杆动态特性由这种情况来描述。图1.1 常见的植保机喷杆刚架结构Fig1.1Commonplantprotectionmachineboomframestructure喷雾机吊杆的不必要的水平和垂直运动会造成喷雾液体的局部欠量或过量，从而导致无法获得所需效果的情况和化学残留物残留在作物和土壤中的情况[5-12]。由于悬臂的垂直平移和滚动，喷嘴与地面之间的距离与所需（或最佳）距离不同。喷嘴喷雾锥体的重叠受到干扰，喷雾液体沿着喷杆重新分布。在滚动的情况下，这种现象在长臂的尖端最明显，其中在轧制过程中，喷嘴甚至可能接触土壤，因此大田作物的一些部分未被处理，而其他部分则接受大量过量[13]。在繁荣的另一端，喷嘴和大田作物之间的距离增加，使喷雾更容易漂移。水平悬臂运动导致喷嘴的不等向前速度，导致在行驶方向上喷射沉积的速率不同。虽然拖拉机一侧的吊杆以比拖拉机更高的速度前进，但另一侧的吊杆几乎静止不动。结果，一侧的喷雾浓度比另一侧的喷雾浓度低得多。不均匀的喷雾分布会使对农作物的施加药物的剂量响应曲线变平

4喷杆被固定在拖拉机身，或被拖拉机牵引，拖拉机通过轮胎与土壤相连。由于轮胎不影响拖拉机机体的自由度，所以整个喷杆有六个自由度：三个平移和三个旋转，如图1.2。图1.2 喷杆自由度示意图Fig1.2Schematic diagramofthe degreeoffreedomoftheboom围绕 x，y 和z 轴的旋转分别为喷杆的俯仰，滚动和偏航运动，如图 1.3。图1.3 喷杆的俯仰，滚动，偏航运动示意图Fig1.3Boompitch,roll,yawmotion图1.3 中，虚线为喷杆在产生俯仰，滚动和偏航前的平衡位置，实线为由于俯仰，滚动和偏航产生的振动引起的喷杆弹性形变后，喷杆的位置。拖拉机的行驶速度，方向和轮胎的特性决定的土壤不均匀度的扰动传递到拖拉机车身，并产生激励从而导致了喷杆的振动，喷杆的振动引起了喷杆的弹性形变。田间实验和模型仿真实验表明，喷杆振动是导致喷雾量在受保护植物上分布不均的主要因素

Fig1.2Schematic diagramofthe degreeoffreedomoftheboom围绕 x，y 和z 轴的旋转分别为喷杆的俯仰，滚动和偏航运动，如图 1.3。图1.3 喷杆的俯仰，滚动，偏航运动示意图Fig1.3Boompitch,roll,yawmotion图1.3 中，虚线为喷杆在产生俯仰，滚动和偏航前的平衡位置，实线为由于俯仰，滚动和偏航产生的振动引起的喷杆弹性形变后，喷杆的位置。拖拉机的行驶速度，方向和轮胎的特性决定的土壤不均匀度的扰动传递到拖拉机车身，并产生激励从而导致了喷杆的振动，喷杆的振动引起了喷杆的弹性形变。田间实验和模型仿真实验表明，喷杆振动是导致喷雾量在受保护植物上分布不均的主要因素，这种情况可以造成喷雾量过低或喷雾过量，且造成的喷雾剂量不足或过量的变化范围很大。对于宽幅喷杆喷雾机，由于喷杆的长度很长（20m 以上）

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本文编号：2790693