水田喷杆喷雾机喷雾装置优化设计与试验
作者单位：东北农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：王金武
授予年度：2019年
摘 要：水稻作为中国主要粮食作物之一,兼具“粮—经—饲三元结构属性,在粮食作物中占据着极其重要的地位。随着中国水稻种植规模化和产业化发展,在保证水稻种植面积相对均衡的前提下,减少农业生产要素大量投入以减轻农业面源污染,推进水稻产业的绿色发展已成为水稻生产安全的首要任务。静电喷雾技术可通过不同的充电方式使药液雾滴带上极性电荷,同时与喷雾目标之间产生静电场,然后在静电场力和其他外力的联合作用下做定向运动而吸附在目标的各个部位,高效均匀的完成植保作业。该技术具有提升喷雾对靶命中率、减少农药施用量、提高雾滴覆盖率、对植株叶片不同部位均具有良好附着效果的优点,与我国绿色农业发展的国家战略相匹配,对提升化学农药利用率、提高农作物产量和品质、减轻农业面源污染具有极其重要的意义。喷杆喷雾机是应用最广泛的植保机具,其向大功率、高地隙、宽喷幅方向的发展,可有效提高机具作业效率、降低作业时对作物的损害。传统喷杆喷雾机采用机械式喷杆结构,其折叠展开时通过多个液压油缸完成动作,存在机构同步协调操作性差、制造成本高、机具使用可靠性低等问题,在田间喷雾及道路转移时,外部激励会使喷杆产生振动。尤其是在等于喷杆固有频率的条件下,喷杆与外部激振频率发生耦合,严重影响喷雾质量。针对上述问题,结合水田种植模式和植保农艺要求,综合考虑作业效率、施药均匀性及普遍适用性等因素,本文通过查阅国内外参考文献,将理论分析、计算机虚拟优化设计、有限元仿真分析、模态测试及田间性能试验等多种方法相结合,开展水田喷杆喷雾机喷雾装置优化设计及试验,以期解决水田植保作业过程中存在的实际问题。本研究为水田喷杆喷雾机喷雾装置轻简化设计及喷雾系统合理配置提供参考。研究主要内容如下:(1)水田喷杆喷雾机喷雾装置的设计依据解析法确定喷杆多折叠机构各部分杆长,在此基础上,以钢管厚度为影响因素,质量和1阶固有频率为试验指标,采用虚拟正交试验设计方法建立因素与指标间的数学模型,对不同钢管的壁厚进行优化设计。根据虚拟试验结果,综合考虑对质量及1阶固有频率影响的主次因素及较优水平组合,得到当圆钢管壁厚、矩形钢管壁厚和方钢管壁厚分别为2mm、2mm和2mm时,喷杆多折叠机构质量较小且动态特性较优,其质量为62.85kg,1阶固有频率为14.84 Hz。阐述感应式静电喷头的工作原理,并对喷雾系统进行选型与合理配置。(2)喷杆多折叠机构模态分析与试验以设计的喷杆多折叠机构为研究对象,运用ANSYS Workbench软件建立喷杆的有限元模型,并对其进行自由状态下(即释放所有自由度)的模态分析。为进一步验证有限元模态仿真分析的合理性,采用多输入多输出的方法进行力锤激励模态试验,通过模态试验与仿真分析结果的对比表明,二者较为接近,最大误差为7.14%,各阶阵型也基本一致,验证数值模型的可靠性。(3)喷雾装置性能测试与试验研究对所设计喷雾装置进行性能测试以保证其具有良好的密封性能、调压卸荷性能、喷头防滴性能、喷头喷雾均匀性和沿喷杆方向喷雾均匀性。结果表明,喷雾装置喷头喷雾量均匀性变异系数与沿喷杆喷雾量均匀性变异系数均随系统喷雾压力的增加先减小后增大,且当系统喷雾压力为0.3MPa时,喷雾装置喷头喷雾量均匀性变异系数较小为2.55%,沿喷杆喷雾量均匀性变异系数较小为13.61%,其密封性能、调压卸荷性能、喷头防滴性能测试结果均满足国家标准。(4)水田喷杆喷雾机配置与田间试验为进一步探究水田喷雾装置主要工作参数对其沉积均匀性的影响规律,验证所设计喷雾装置田间应用作业质量及可靠性,以高地隙折腰式水田多功能动力底盘为载体,搭载本文所设计的喷雾装置配置一款应用于水田的喷杆喷雾机,对其开展田间性能试验。选取系统喷雾压力、机具前进速度及喷杆离地高度为试验因素,覆盖率变异系数为评价指标,开展田间作业性能优化试验,建立沉积均匀性指标与试验参数间的数学模型,运用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行优化验证,得到最佳工作参数组合。试验结果表明,当系统喷雾压力为0.7MPa,机具前进速度为5.56km/h和喷杆离地高度为697.51mm时,喷雾装置覆盖率变异系数最小,即装置雾滴沉积均匀性能最优,其覆盖率变异系数为21.53%。
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