自動折疊噴灑臂的設計及運動學特性

吳哲，湯躍，余聰，湯玲迪

(江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

卷盤噴灌機是一種適合中國耕地面積復雜、地貌類型多等特點的移動式機械灌溉機械，操作簡單、維護方便，現(xiàn)已成為中國最具發(fā)展前景的灌溉機械之一[1-3].其噴灌時通過卷盤回卷PE管進而拉動噴灌車實現(xiàn)[4]，故噴灌車的便利性、靈活性對其自動化程度有著較大的影響.由于國外的核心資料不對外公開，國內(nèi)廠商將其購買并仿制，故國內(nèi)僅有兩大類型的機型，一種需要高入機水壓的單噴頭噴灌車，其不僅會對植物造成損傷，而且超出有效射程后，噴霧出現(xiàn)漂移，性能明顯下降，使得灌溉的均勻性變得較差.另一種是對入機壓力要求較低的桁架式噴灌車，其作業(yè)前需耗費較多的人力拼接桁架，作業(yè)效率低.

為了改善噴灌車的性能，國內(nèi)外學者展開了較為豐富的研究工作.陳子財?shù)萚5]發(fā)明了一種由對稱的左右翼桁架組成的折疊式雙翼噴灌機桁架.湯躍等[6]通過虛擬樣機軟件ADAMS對噴灑車的爬坡能力和爬坡性能進行了仿真試驗研究并做出優(yōu)化，使噴灑車的爬坡角度提高了21.48%.YUKI等[7]研制了基于CAN總線的拖拉機噴灑裝置，并對噴灑裝置的性能試驗進行了討論.溫浩軍等[8]發(fā)明了一種用于高功率機車上的超寬幅噴桿式噴霧機，該噴霧機有效地減輕了大型噴霧機在運輸和工作時對障礙物的碰撞.湯躍等[9]發(fā)明了一種高度自動化的伸展式噴灌車，該噴灌車通過蝸輪傳動機構將噴管轉(zhuǎn)動到豎直位置，使噴管在自身重力作用下實現(xiàn)回收.ENG等[10]通過ANSYS對噴桿式噴霧器集料板多角度進行模擬，從而找出最佳角度范圍，使不同大小肥料和風機的風速更好地得到分配.余聰?shù)萚11-12]設計了一種三折疊噴灑臂桁架結(jié)構，并結(jié)合ADAMS動力學仿真技術對結(jié)構進行分析改進，使其桁架安裝更具合理性.

綜上所述，當前噴灌車上的噴灌裝置主要適用于大型噴灌機，自動化水平較低且主要適用于較為平整的大面積土地的噴灌作業(yè)，然而中小型噴灌車需要配套較小跨幅的噴灌裝置.故中小型噴灌車噴灑裝置無法自動折疊的問題未很好地得到解決.文中在撲翼機構的改進基礎上，設計一種適用于中小型卷盤噴灌機噴灌車的基于電動缸驅(qū)動的自動折疊噴灑臂機構，并通過矢量方程法建立噴灑臂的運動學模型，借助Simulink分析運動特征，以驗證設計的合理性.

1 結(jié)構設計

1.1 折疊機構

圖1為基于撲翼機構[13]改進后的類撲翼折疊機構簡圖，該機構由2組四連桿機構ABCD及EBFG耦合而成.機構的自由度F計算公式為

F=3(n-1)-2PL-PH+vP,

(1)

式中：n為總構件數(shù)；PL為低副個數(shù)；PH為高副個數(shù)；vP為由移動副構成的獨立回路個數(shù).

從圖1可知，整個機構由6個構件、7個轉(zhuǎn)動低副組成，結(jié)合式(1)可得該機構的自由度為1，故該機構只需驅(qū)動單構件即可驅(qū)動整個折疊機構.

圖1 類撲翼折疊機構

1.2 驅(qū)動機構

參考隨車液壓提升裝置中平臺升降機構[14]，通過一組四連桿機構配合曲柄滑塊機構進行驅(qū)動.由于液壓裝置的四連桿尺寸過大，如果將液壓推桿鉸接于四連桿的短連架桿上，液壓推桿的運動行程將變得很大.

根據(jù)類撲翼折疊機構的特點，若將液壓推桿作為驅(qū)動裝置，則需重新設計液壓控制系統(tǒng)，這使得原有結(jié)構變得更為復雜，制造成本提高，而且體積較小的噴灑臂也不適合裝配該類型驅(qū)動，故采用體積相對較小的電動缸作為驅(qū)動裝置，并通過鉛蓄電池進行供能，同時電動缸可以通過成本較小的單片機控制，進而實現(xiàn)遠程自動化控制的目的.圖2為自動折疊噴灑臂的結(jié)構簡圖.

圖2 結(jié)構簡圖

1.3 噴管連接方式

噴灑臂關節(jié)連接處的常用連接方式有軟管鉸鏈和軸承式旋轉(zhuǎn)接頭連接.軟管鉸鏈旋轉(zhuǎn)結(jié)構雖起到固定的作用，但當噴灌直徑較大時，會使得關節(jié)處水的質(zhì)量變得很大，若結(jié)構材料剛度不夠，運動到位后定形隨機性較大.而軸承式旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構雖然剛度較強，轉(zhuǎn)動性能較好，但由于成本較高，不適合運用在農(nóng)業(yè)機械上.

基于上述2種連接方式的利弊，設計了一種通過鉸鏈配合端面密封的端面密封鉸鏈結(jié)構，其三維結(jié)構如圖3所示.該結(jié)構的一側(cè)鉸鏈焊接在裝有密封圈溝槽的法蘭上，另一側(cè)鉸鏈焊接在裝有密封圈的法蘭上.當該結(jié)構閉合時，結(jié)構上的密封圈溝槽剛好與密封圈相緊貼，并借助電動缸的推力擠壓，從而實現(xiàn)噴管連接處密封.

圖3 端面密封鉸鏈結(jié)構

圖4為噴灌車兩側(cè)的自動折疊噴灑臂的三維結(jié)構，由3根長度為1 400 mm、直徑為50 mm的噴管通過端面密封鉸鏈連接，并通過電動缸驅(qū)動.

圖4 自動折疊噴灑臂的三維結(jié)構

由圖4可知，當噴灑臂完全展直時，3個端面密封鉸鏈能夠緊貼并借助電動缸的推力擠壓實現(xiàn)密封而不漏水的功能；當噴灑臂折疊時，所有噴管逐漸緊貼并完全收攏于機架兩旁.為了避免構件之間在折疊、展開時發(fā)生運動干涉，2個連桿在安裝時需與噴管保持一定高度，這也為后面噴管上安裝噴頭預留足夠的空間.噴管3需與連桿2焊接固定，而連桿1和2則通過普通鉸接安裝.

由于自動折疊噴灑臂跨度較大，故采用密度小、強度適中的鋁合金材料加工焊接.

2 參數(shù)設計

2.1 折疊機構參數(shù)

由于噴灑臂的關節(jié)處采用端面密封鉸鏈連接，而只有當左右2個鉸合運動到接合位置時，該端面密封鉸鏈才能實現(xiàn)較好地密封，故在設計時需把鉸鏈的左右鉸合寬度d考慮在內(nèi).同時需考慮各鉸鏈關節(jié)的轉(zhuǎn)動方向，以保證各個關節(jié)最終能有效地閉鎖.

圖5為折疊機構狀態(tài)圖.其中A，B，F(xiàn)為端面密封鉸鏈連接；E，G，C為普通鉸鏈連接.AD1，AA1，BB1，BC1，F(xiàn)F1，F(xiàn)G1分別為端面密封鉸鏈A，B，C的左右鉸合.

圖5 折疊機構狀態(tài)圖

為了保證折展機構組在運動時不發(fā)生干涉，將鉸鏈E進行偏心安裝設計，同時添加短桿H1I1把桿GH1與桿G1H1進行相連.

當折展機構組完全折疊時，AD1與AA1呈90°夾角，BB1與BC1呈180°夾角，F(xiàn)F1與FG1呈180°夾角；完全展開時，端面密封鉸鏈A，B，F(xiàn)的左右鉸合相合攏.以鉸鏈D為坐標原點，建立直角坐標系，根據(jù)機構幾何關系，得到折疊和伸展狀態(tài)時的各桿件函數(shù)關系式：

(2)

(3)

各端面密封鉸鏈的左右鉸合寬度d均相等，且與噴管直徑有關，同時為了避免干涉，各桿件需滿足以下約束：

(4)

以噴管自身參數(shù)為基準，根據(jù)各桿件幾何關系及約束，可得各桿件長度L，見表1.

表1 各桿件長度

2.2 驅(qū)動機構參數(shù)

圖6 電動缸狀態(tài)圖

根據(jù)圖6幾何關系可知，電動缸推桿的行程S滿足如下公式：

(5)

由式(5)可得到電動缸行程S與電動缸距離鉸接E的安裝距離lHI關系圖，如圖7所示.當安裝距離lHI增大到300 mm后，S始終保持在300 mm左右.當電動缸開始收縮時，電動缸的缸體到鉸鏈J的距離不斷減小，故避免了缸體與鉸鏈J在折疊時發(fā)生運動干涉.缸體的安裝距離lHI需滿足使用要求，故初選缸體安裝距離lHI=600 mm，電動缸推桿行程S=305 mm.

圖7 推桿行程與安裝距離的關系

3 運動學分析

運動學分析中，矢量解析法計算方便，分析流程清晰，因此采用矢量方程法對噴灑臂進行運動學分析.

3.1 整體建模

噴灑臂折疊與展開是通過電動缸推桿的伸縮實現(xiàn)的，故需定義電動缸推桿全局坐標下的轉(zhuǎn)角及運動參數(shù)來分析噴灑臂的運動特征[15].

由上文可知，圖2中各桿件尺寸li為已知量，定義桿li與x軸正向的夾角，取逆時針為正，故電動缸推桿運動過程轉(zhuǎn)角為θ8.定義電動缸推桿向外運動的位移、速度、加速度分別為S，v，a.

噴灑臂封閉回路ABCD和EBGF的位置矢量環(huán)方程為

(6)

以復數(shù)表示位置矢量環(huán)方程，進行歐拉變換后得

(7)

式中：θ2，θ3，…，θ6分別為桿AB，BC，CD，F(xiàn)G，EG的角位移；θ′2，θ′3分別為桿EB，BF的角位移.

將位置矢量環(huán)方程對時間一次求導，可得到各桿件的角速度關系，對時間二次求導，可得到各桿件的角加速度關系.

3.2 Simulink運動仿真及分析

圖8為噴灑臂運動仿真框圖，根據(jù)各桿件的角加速度關系編寫Function主函數(shù)[16-17].各桿件運動的角速度由角加速度一次積分后所得，其不僅作為反饋信號傳遞到Function主函數(shù)的輸入端，又再次積分成為各桿件的角位移信號進行輸出.整個仿真過程的輸入量是電動缸推桿的參數(shù)：角位移θ8、位移S、速度v、加速度a，輸出結(jié)果為噴灑臂各桿件角位移θ、角速度ω以及角加速度α.

圖8 噴灑臂運動仿真框圖

結(jié)合實際工況，電動缸推桿在啟動時為正向加速運動，臨近結(jié)束時為正向減速運動，所以電動缸推桿的運動參數(shù)可以通過如圖9所示的正弦信號進行替代仿真，不僅簡便，而且還能較好地還原電動缸推桿的真實運動情況.

圖9 推桿運動模擬曲線

仿真得到各桿件的角位移、角速度以及角加速度變化情況，如圖10所示.

由圖10可知，噴灑臂在實際展開過程，噴管1開始運動時與水平方向垂直，呈90°夾角，當完全展開時與水平方向一致；噴管2和3完全展開后與噴管1在同一水平直線方向上；3個噴管在展開過程中總體運動較為平穩(wěn)，當推桿運動結(jié)束后，3個噴管也相應地順時針轉(zhuǎn)動了90°.與此同時，噴管之間的端面密封鉸鏈也旋轉(zhuǎn)到位而密封，關節(jié)處的密封圈因電動缸的推力擠壓而不發(fā)生漏水現(xiàn)象.

由于電動缸在啟動和臨近結(jié)束時的瞬間加速度過大，使得各桿件在1.5～2.0 s和8.5～9.0 s時間段的運動存在較大的波動，這對桿件的穩(wěn)定性有著不利的影響.故在實際工況下，為了減少驅(qū)動結(jié)構中各桿件在運動時的受力大小，需降低啟動和臨近結(jié)束時的電動缸推桿加速度.

圖10 各桿件運動情況

4 結(jié) 論

1) 以類撲翼折疊機構為基礎，設計了一種基于電動缸驅(qū)動的自動折疊噴灑臂，并基于傳統(tǒng)連接方式的利弊做出改進，創(chuàng)新設計了一種通過鉸鏈配合端面密封的端面密封鉸鏈結(jié)構；同時根據(jù)噴灑臂在完全折疊、完全展開時的幾何關系建立了各桿件的參數(shù)約束方程，確定了各桿件的長度.

2) 通過Simulink仿真平臺，建立起噴灑臂結(jié)構運動仿真模型.結(jié)果表明，噴灑臂從完全折疊到完全展開的過程中，各桿件運動總體較為平穩(wěn)，噴灌之間的端面密封鉸鏈轉(zhuǎn)角能從0°運動到90°，說明噴灑臂的運行性能符合要求，端面密封鉸鏈在運動到位后可以實現(xiàn)自密封；由于電動缸推桿在啟動和臨近結(jié)束時加速度過大，使得各桿件產(chǎn)生運動沖擊，故應降低啟動和臨近結(jié)束的電動缸推桿的加速度，以提高桿件運動的穩(wěn)定性.