噴桿噴霧機撥禾板固定支架優化設計

雷嘵暉 呂曉蘭 李雪

摘要：噴桿噴霧機是目前普遍使用的一種大田植保機械，為了增加農藥有效利用率和減少霧滴飄失，噴桿多加裝罩蓋裝置。針對噴桿噴霧機生產研發中出現的損壞問題，以山東綠田農業機械有限公司生產的罩蓋導流式噴霧機撥禾板固定支架為研究對象，利用有限元理論找出固定支架應力集中部位，并在其原有結構基礎上進行拓撲優化設計，以增強其結構強度。在受損情況最為嚴重的大豆田中，拓撲優化后固定支架最大應力由原來的652.4 MPa降至 123.8 MPa，降了81%，機械抗振性也有大幅度的增強。該結果為企業生產優質的撥禾板式噴桿噴霧機提供技術支持。

關鍵詞：噴桿噴霧機;撥禾板;固定支架;拓撲優化;應力分析;數字模型;仿真;優化設計

中圖分類號：S491 ? 文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）14-0243-05

田間施藥是大田作物種植管理中最重要的環節，可有效地預防田間作物病蟲草害的發生。目前國內大田施藥機械主要有2種：一種是以無線遙控多旋翼飛行器為載體的航空植保機械，一種是高地隙噴桿噴霧機。航空植保機械多適用于山區丘陵地區，以作業速度快、地形適應性強為特點，缺點是農藥霧滴易飄失、價格高昂且載藥量少[1-2]。高地隙噴桿噴霧機以平原作業為主，高地隙底盤設計可有效減少機具作業過程中對作物的碾壓傷害，為提高農藥的有效利用率及減少農藥霧滴的飄失，噴霧機噴桿多加裝風幕裝置[3]和罩蓋裝置[4]。

撥禾板導流式噴霧屬于罩蓋噴霧，是一種結構簡單、較風幕式噴霧價格便宜、可減少霧滴飄失的噴霧方法。它對高稈和低矮作物都適用。當裝載撥禾板的噴霧機作業于低矮作物時，撥禾板底端緊貼作物頂部，傾斜噴出的農藥藥液會穿透作物冠層;當機具作業于高稈作物時，撥禾板可以撥開作物冠層，減少上部冠層對農藥藥液的攔截，使藥液直接噴施于冠層下部。文獻[4]對撥禾板的安裝傾角及寬度都有詳細的定義，山東綠田農業機械有限公司參考文獻[4]研發設計一款撥禾板式噴桿噴霧機，但撥禾板與噴桿之間的固定支架作業時強度效果欠佳。本研究以山東綠田農業機械有限公司設計的撥禾板固定支架為研究對象，運用計算機拓撲優化理論對其進行優化設計。

1 模型建立

1.1 工作原理

撥禾板導流式噴桿噴霧機工作原理如圖1所示，噴霧機液壓驅動噴桿升降使得撥禾板置于作物冠層當中，噴桿在圖1中從左至右作業，噴桿帶動撥禾板、撥禾板固定支架以及噴頭整體移動，撥禾板在噴霧機的帶動下將作物冠層撥開，使得噴頭噴出的農藥霧滴噴施到作物冠層內部及下部。

1.2 數字模型

大田噴桿噴霧機多使用平面扇形霧噴頭進行作業，根據噴頭流量及扇面角度的不同，噴頭在噴桿上一般以0.5～1.0 m 為間隔等間距排列（本試驗研究固定支架單體間隔為0.8 m）。撥禾板式噴桿如圖2所示，撥禾板通過固定支架安裝于噴桿下方，噴頭安裝于撥禾板上方并與固定支架固接。為了增加結構強度，固定支架設計為平行四邊形結構，有時為了增加撥禾板作業靈活性，固定支架平行四邊形結構角度設計成可調節模式。

運用機械三維設計軟件PTC/Creo，根據實際尺寸對撥禾板固定支架進行建模。撥禾板式噴桿噴霧機固定支架（簡稱原模型）設計圖如圖3所示，單個支架質量為1.18 kg，寬度為30 mm。

1.3 作業工況分析

噴桿噴霧機作業過程中作物冠層主要對撥禾板施加水平向左的推力，當作物莖稈折斷時，阻力消失。以大田常見的秸稈種植作物（玉米、高粱、小麥、水稻、大豆、油菜）為研究對象，分析其種植密度和抗折力，為后續撥禾板支架的受力提供數據支持。有研究表明，玉米適合機械化作業且可增高其產量的種植密度范圍為7.5萬～9.0萬株/hm2[5-6]，主莖稈機械抗折力因施氮量不同而有所改變，最高可達 26.88 N[7]。高粱適宜的最大種植密度為14.66萬株/hm2[8]，主莖稈抗折力因品種的不同而有所不同，最大約 30 N[9]。小麥高產栽培的種植密度為240萬株/hm2[10]，主莖稈抗折力最大值為 6.2 N[11]。高密度栽植水稻的種植密度可達33萬株/hm2[12]，主莖稈抗折力最大為18.9 N[13]。大豆最大種植密度為 27萬株/hm2[14]，主莖稈抗折力最大為 87 N[15]。油菜最大種植密度為60萬株/hm2[16]，主莖稈抗折力最大為33.66 N[17]。經單位統一后，6種秸稈作物單位種植面積內最大抗折力總和如表1所示。由表1可知，大豆單位面積抗折力明顯比其他稈作物大。

2 仿真與優化

2.1 理論模型

2.2 原模型仿真分析

使用有限元商業分析軟件Hyperworks對原模型進行應力分析，以模型側面為基準，通過殼網格拉伸的方法繪制邊長為4 mm的六面體實體網格：網格單元總數2 198個，結點數 5 000個，網格質量良好。因噴霧機撥禾板固定支架材質為Q235，故所加載的材料屬性為楊氏模量2.08×105 MPa、泊松比0.277、密度7.86×103 kg/m3、屈服強度235 MPa。圖1中噴霧機水平向右行駛，若撥禾板完全深入到作物冠層中，則撥禾板受到作物莖稈水平向左的阻力最大，進而傳遞到各個固定支架底端。因撥禾板與地面成40°夾角，故單個固定支架受到寬度為B、長度為圖2中L（0.35×sin50°=0.27 m）的面積內作物阻力的作用。分析中以作物最大抗折力進行計算，固定支架所受作用力及支架產生的應力如表2所示。由表2可知，B=0.8 m 時，因應力超過屈服強度，固定支架在小麥、大豆、油菜田中不可作業;B=0.5 m時，固定支架在小麥、大豆、油菜田中不可作業。

固定支架在6種受力工況下的應力集中區皆出現在平行四邊形結構右上角噴桿連接處，圖4為支架在玉米田中最大受力時的應力云圖和位移云圖。固定支架玉米田中受力在6種作物中最小，但此時位移云圖中最大處已達17.98 mm，可見支架作業過程中位移變形量較大，需后續進行模態分析。

2.3 優化設計

考慮到原模型應力集中區出現在平行四邊形結構右上角噴桿連接處，設計如圖5-a所示毛坯件來進行優化設計，以彌補原模型中的不足。圖5-a在原模型基礎上增添了A區域和C區域，厚度與原模型相同，為30 mm。在Hyperworks軟件中對待優化毛坯件進行應力分析，材料屬性及固定約束設置與原模型相同，加載B=0.8 m時大豆田中作業的受力工況。毛坯件受力云圖及位移云圖如圖5-b、 圖5-c所示，毛

坯件最大應力為50.22 MPa，最大位移為0.23 mm，最大應力處未達到235 MPa，可進行拓撲優化設計。

在Hyperworks軟件Topology模塊中以最小化零件材料體積分數為優化目標，應力值不超過235 MPa為約束條件，對待優化毛坯件進行拓撲優化設計。經80步迭代計算后，得出如圖6-a所示的優化密度圖。從圖6可以看出，優化件相比于原模型，在平行四邊形結構內部增加了若干加強筋，而且在與噴桿連接處上方增加了1條加強筋。在Hyperworks軟件Post選項板中的OSSmooth模塊將圖6拓撲優化模型以*.iges曲面模型格式導出。在PTC/Creo中將上述優化曲面模型導入，參照導入曲面模型輪廓進行三維繪圖設計，優化模型設計完成后刪除原曲面模型并導出二維機械圖紙。考慮到加工難易程度，加工后的零件結構如圖6-b所示，質量為1.87 kg。

進一步對優化設計模型進行應力分析，材料屬性、固定約束設置與原模型相同，繼續加載B=0.8 m時大豆田中作業的受力工況，應力云圖和位移云圖如圖6-c、圖6-d所示。圖6顯示，最大應力為123.8 MPa，最大位移為3.9 mm，滿足設計要求。

2.4 模態分析

考慮到撥禾板固定支架原模型在作業過程中位移變形量較大，對原模型和優化模型進行前5階模態分析，以對比支架優化前后模態頻率變化情況，如表3所示。從表3可以看出，優化后支架模態頻率皆有大幅度提升，即支架的抗振性增強。

3 討論與結論

本研究運用機械有限元仿真軟件Hyperworks，針對生產中遇到的實際問題對撥禾板固定支架進行結構分析和拓撲優化設計。以大田作業受力工況入手，計算玉米、高粱、小麥、水稻、大豆、油菜6種作物單位面積抗折力，經過對固定支架原模型應力分析得出應力集中部位，并在此基礎上建立優化模型毛坯件，通過計算機拓撲優化設計得出固定支架優化模型。原固定支架不能在密集的秸稈作物中作業，尤其是莖稈抗折力大的作物冠層中。以B=0.8 m時抗折力最大的大豆為例，拓撲優化后單個固定支架質量雖然增至1.87 kg，比原支架增加了58.5%，但最大應力由原來的652.4 MPa降至 123.8 MPa，降了81%，機械抗振性也有大幅度的增強。本研究將工業機械設計中常用的有限元理論應用在農業機械上，不僅增強了材料的有效利用率，而且縮短了開發設計周期，具有重要的現實意義。

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