噴霧機(jī)內(nèi)藥液晃動(dòng)橫向力測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊亞飛，張肖柯，楊金歌，鄧武清，金 濯

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

機(jī)械施藥作為現(xiàn)階段植保作業(yè)的主要手段。噴桿式噴霧機(jī)具有作業(yè)效率高、防治效果好的特點(diǎn)，已成最重要的大田施藥裝備。2013年開始，我國農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼目錄中加大了噴桿式噴霧機(jī)補(bǔ)貼力度[1-2]。

對于噴桿式噴霧機(jī)而言，為了保證作業(yè)時(shí)的通過性，噴霧機(jī)行走底盤離地間隙較高，附加的橫向力會(huì)增加噴霧機(jī)側(cè)翻危險(xiǎn)的發(fā)生概率。由于田間地塊的不規(guī)則性，噴桿式噴霧機(jī)在作業(yè)時(shí)，藥箱內(nèi)液體會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，而藥箱內(nèi)液體和噴霧機(jī)機(jī)體屬于液固耦合連接，晃動(dòng)產(chǎn)生的附加載荷會(huì)影響噴霧機(jī)整機(jī)性能。因此，研究噴霧機(jī)藥箱內(nèi)液體晃動(dòng)載荷對噴霧機(jī)底盤技術(shù)、整機(jī)安全性能及噴霧作業(yè)性能的提升有著重要意義[3-5]。

為了得到噴桿式噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)橫向力規(guī)率，同時(shí)研究附加的橫向力對噴霧機(jī)作業(yè)性能的影響，為噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，本文設(shè)計(jì)了一種測量藥箱藥液晃動(dòng)橫向力的測量系統(tǒng)。

1 噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)的力學(xué)分析

由于藥箱藥液晃動(dòng)問題具有復(fù)雜性，為了準(zhǔn)確測量出藥箱藥液晃動(dòng)橫向力，構(gòu)建一種正確的測量系統(tǒng)，對噴霧機(jī)藥箱進(jìn)行受力分析如圖1所示。

圖1 藥箱藥液晃動(dòng)力學(xué)模型

噴桿式噴霧機(jī)在作業(yè)時(shí)，會(huì)受到路面的激勵(lì)q1、q2，使藥箱中液體晃動(dòng)，會(huì)對藥箱產(chǎn)生附加作用力。藥箱橫向晃動(dòng)會(huì)使液體產(chǎn)生沿y方向的動(dòng)壓力Fy，使藥箱受到附加的橫向力；同樣，藥箱橫向晃動(dòng)會(huì)導(dǎo)致液體質(zhì)心偏移，使藥箱產(chǎn)生附加力矩Mx。藥箱縱向晃動(dòng)，藥箱橫向晃動(dòng)會(huì)使液體產(chǎn)生沿x方向的動(dòng)壓力，使藥箱受到附加的橫向力Fx，同樣會(huì)使藥體質(zhì)點(diǎn)偏移導(dǎo)致液箱產(chǎn)生附加的力矩My。在z軸方向，藥箱受液體的重力mg。

同樣，藥箱受到晃動(dòng)液體對其施加的其他方向的力。包光偉[6]指出藥箱平動(dòng)只能激發(fā)儲(chǔ)液箱內(nèi)液體二維晃動(dòng)，即橫向晃動(dòng)和縱向晃動(dòng)。噴霧機(jī)田間作業(yè)時(shí)，對藥箱激勵(lì)使液體主要產(chǎn)生橫向和縱向晃動(dòng)。因此，認(rèn)為藥箱因液體晃動(dòng)而受到其他方向的力比較小，因而不做考慮。

2 藥箱藥液晃動(dòng)橫向力測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 橫向力測量系統(tǒng)主體

由于噴霧機(jī)藥箱與行走底盤機(jī)架相連，藥箱受到的附加力會(huì)傳遞到噴霧機(jī)行走底盤。通過上述分析，噴霧機(jī)行走底盤受到藥箱作用力。噴霧機(jī)安全性是第一位考慮因素，藥箱藥液晃動(dòng)橫向力會(huì)增加噴霧機(jī)發(fā)生側(cè)翻機(jī)會(huì)，同時(shí)橫向力會(huì)影響噴霧機(jī)行駛直線穩(wěn)定性，造成噴霧不均。因此，本測試系統(tǒng)研究目的在于測量作用于噴霧機(jī)行走底盤上附加的藥箱藥液晃動(dòng)橫向力Fy。

本系統(tǒng)主要由橫向力測量傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)、信號(hào)分析軟件及12 V直流電池組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。橫向力傳感器通過應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變大小的變化使測量電路產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，通過測量電壓信號(hào)測量相對應(yīng)的橫向力Fy。

圖2 藥箱藥液晃動(dòng)橫向力測量系統(tǒng)

橫向力測量傳感器應(yīng)變片測量電路和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀橋盒連接，將藥箱藥液晃動(dòng)橫向力作用產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)傳遞給動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀將應(yīng)變片測量電路中的輸出電壓經(jīng)過放大和低通濾波傳遞給數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)采集儀通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連，數(shù)據(jù)采集儀的采樣頻率、存儲(chǔ)路徑等功能通過信號(hào)分析軟件來設(shè)置，信號(hào)分析軟件將數(shù)據(jù)采集儀采集的電信號(hào)進(jìn)行分析后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。噴霧機(jī)自帶12 V直流電源給動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀供電。測量系統(tǒng)各部分實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 橫向力測量系統(tǒng)各部分實(shí)物圖

2.2 藥箱藥液晃動(dòng)橫向力測量力敏元件的設(shè)計(jì)

根據(jù)噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)力學(xué)模型，噴霧機(jī)除了受藥液晃動(dòng)橫向力外還受到其他方向的力。為了保證力敏元件既在主測量方向有足夠的靈敏度，還保證其他方向力的加載對力敏元件應(yīng)變片測量電路輸出信號(hào)的干擾要足夠小，這就要求力敏元件要有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布片方式，力敏元件的結(jié)構(gòu)和應(yīng)變片布片方式如圖4所示。

圖4 應(yīng)變片布片方式示意圖

為了使橫向力測量力敏元件對橫向力Fy反應(yīng)的靈敏度大于對縱向力Fx的靈敏度，所設(shè)計(jì)力敏元件尺寸d=11δ(δ為應(yīng)變片所安裝板材壁厚)。應(yīng)變片R1和R2布置在主變形體的豎直對稱線上，兩應(yīng)變片上下對稱，距離λ為100 mm。應(yīng)變片R1、R2與大小為120 Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻R連接成應(yīng)變片測量橋路。

當(dāng)R1=R2=R時(shí)，應(yīng)變片測量電路輸出電壓為

(1)

當(dāng)ΔRi≤R時(shí)

(2)

式中U0—供電電壓，mV；

ΔRi—各電阻變化值，i=1、2；

ki—電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)，i=1、2；

εi—應(yīng)變片的應(yīng)變，i=1、2。

當(dāng)力敏元件受到橫向力Fy時(shí)，由于橫向力Fy在R1和R2處的力臂不同，會(huì)使R1、R2產(chǎn)生不同大小的應(yīng)變，從而使應(yīng)變片測量橋路輸出相應(yīng)的電壓。當(dāng)力敏元件受到力矩Mx時(shí)，由于力矩的傳遞特性，力矩Mx使R1、R2產(chǎn)生相同的應(yīng)變，根據(jù)公式(2)，應(yīng)變片測量橋路輸出電壓為0。同理，當(dāng)力敏元件受到力矩My時(shí)，應(yīng)變片測量橋路輸出電壓也為0。當(dāng)力敏元件受到豎直方向重力mg時(shí)，認(rèn)為橋路上應(yīng)變片同時(shí)受壓，每個(gè)應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻變化相同，則測量橋路輸出電壓依然為0。

研究過程選擇浙江黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的BX120-3AA箔式應(yīng)變片，應(yīng)變片主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 應(yīng)變片主要技術(shù)參數(shù)

2.3 力敏元件的試驗(yàn)標(biāo)定

為了得到所設(shè)計(jì)的傳感器輸出電壓和測量方向橫向力之間的關(guān)系，以及傳感器的線性度、穩(wěn)定性和重復(fù)線靜態(tài)性能，對傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，標(biāo)定現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

將傳感器測量橋路與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀橋盒相連，連接示意圖如圖6所示，橋盒連接于動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀輸入通道，將動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀相應(yīng)的輸出通道通過BNC數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集輸入通道相連，數(shù)據(jù)采集儀通過USB接口連接計(jì)算機(jī)。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀接通電源，預(yù)熱30 min，打開數(shù)據(jù)處理軟件，識(shí)別采集儀數(shù)據(jù)采集通道，設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑和數(shù)據(jù)采集儀采樣頻率。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀選擇合適采樣頻率范圍，靈敏度放大倍數(shù)和校準(zhǔn)值，調(diào)平測量橋路。選擇的采樣頻率為300 Hz，采樣頻率范圍為0～100 Hz，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀靈敏度放大倍數(shù)為10，校準(zhǔn)值為900uε。

圖6 測量橋路與橋盒連接示意圖

將傳感器安裝在專用標(biāo)定架進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定力臂距長度為0.2 m，沿橫向y方向正反方向分別進(jìn)行加載和卸載進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定試驗(yàn)重復(fù)2次，記錄輸出電壓絕對值見表2。

表2 傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù) 單位：mV

采用最小二乘法對傳感器y方向和-y方向標(biāo)定的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，繪制的標(biāo)定曲線見圖7。擬合得到輸出電壓的絕對值y(mV)與橫向力x(N)的線性關(guān)系

圖7 藥箱藥液晃動(dòng)橫向力測量傳感器標(biāo)定曲線

y=0.743x+0.387

(3)

相關(guān)系數(shù)R2=0.995。根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)和擬合方程，該傳感器的線性度為0.915%F·S，重復(fù)性誤差為1.597%F·S，遲滯為0.83%F·S。

3 結(jié)論

分析了藥箱內(nèi)藥液晃動(dòng)橫向力測量要求，根據(jù)藥液晃動(dòng)橫向力測量要求，構(gòu)建了橫向力測量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了橫向力測量傳感器。并對其進(jìn)行標(biāo)定，該橫向力測量傳感器線性度為0.915%F·S，重復(fù)性誤差為1.597%F·S，遲滯為0.83%F·S。