水田高地隙喷杆喷雾机设计及试验研究

摘要

我国严重落后的水田施药技术与我国高速发展的制药水平极不相称，已严重影响了水稻病虫草害的防治，增加了农民的水稻种植经济成本及劳动强度，打击了农民对水稻种植的积极性，造成了大量的水田闲置，不利于水稻生产的可持续发展。本着农机与农艺相结合的原则，设计一种适应于南方地区水稻种植特点的高地隙喷杆喷雾机，包括总体结构、配套动力、传动系统、承载机架和喷施系统等，解决我国水田植保机具集中单一、施药分布不均匀、施药量超标及利用率低等问题。
　　在水田喷雾机的传统设计中，在产品定型量产之前需经过“样机设计—样机制造—样机装配—样机测试—样机优化”的循环过程，无形中增加了开发成本，还使得产品上市周期延长，降低了产品竞争力。然而国内开始运用CAD进行并行设计与虚拟装配;运用CAE进行仿真分析，随着计算机技术的快速发展，仿真结果也越来越接近实际结果，节省了研发成本，缩短了研发周期。由此可见将CAD及CAE技术应用于水田高地隙喷杆喷雾机的研发，对提高自主开发能力和增强市场竞争力具有重大的现实意义。
　　本课题首先在保证整机具有足够的动力前提下，设计整体传动系统方案，合理分配行走传动系统和喷施传动系统的传动比;利用Pro/E软件对所设计的整体传动系统进行参数化设计及装配;将整个装配模型导入ADAMS软件中进行仿真分析，传动系统各级转速、受力及激振频率的仿真结果与对应的理论计算结果及实验结果之间相吻合，验证了所设计的传动系统的可行性、准确性及可靠性。
　　根据要求设计水田高地隙喷杆喷雾机的机架，结合机架的力学结构特性，综合考虑所建有限元模型的准确性及后续仿真计算效率，对机架进行了合理适当地简化，运用Pro/E及HyperWorks软件分别建立该机架的几何模型与有限元模型，利用HyperWorks的Radioss求解器求解机架的前六阶固有频率和振型。利用ModalView软件进行该机架的自由模态分析，通过对其仿真（理论）模态与试验模态的对比分析，验证了所建机架有限元模型的准确性;再利用Radioss求解器计算典型工况下机架的应力分布及位移变形，结果表明机架的力学结构特性符合设计要求。
　　在综合机架在典型工况下有限元分析的基础上，合理选择设计变量、约束函数及目标函数，利用HyperWorks的Optistruct求解器对该机架进行了结构尺寸优化设计，优化后整个机架质量减少了41.61％;虽然结构尺寸优化后的机架在典型工况下强度及刚度有所降低，但其最大应力仍远小于材料的许用应力，最大变形量也在允许范围之内，表明机架的结构尺寸优化方案的合理可靠性。
　　对水田高地隙喷杆喷雾机喷施系统进行设计，包括喷头和药泵的选取、喷头间距的计算及喷杆的设计。在喷雾机静态实验中，对单只喷头喷量与喷雾压力关系进行测定，不同位置的喷头流量相差不到5％，并且符合喷头的压力-流量曲线;在喷雾机动态实验中，各喷头在不同高度及不同速度的参数组合下变异系数都不超过10％，说明喷雾机喷雾效果非常均匀一致，而且在喷嘴高度为0.8m时各喷头在不同速度下的变异系数最小，说明在此参数组合下喷雾机喷雾均匀性最好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景、目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本课题的主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 本章小结

第二章 水田高地隙喷杆喷雾机总体设计

2．1 总体设计

2．1．1 喷雾机组成

2．1．2 工作原理

2．1．3 设计参数

2．2 需要解决的关键问题

2．3 本章小结

第三章 水田高地隙喷杆喷雾机传动系统设计及仿真分析

3．1 传动系统参数化设计

3．1．1 渐开线形成原理

3．1．2 直齿锥齿轮的参数化设计

3．1．3 直齿圆柱齿轮的参数化设计

3．2 传动系统的仿真分析

3．2．1 ADAMS软件简介

3．2．2 传动系统模型的导入

3．2．3 施加约束及驱动

3．2．4 仿真模型的验证

3．2．5 运动学仿真

3．2．6 动力学仿真

3．3 本章小结

第四章 水田高地隙喷杆喷雾机机架有限元分析

4．1 机架几何模型的建立

4．2 机架有限元模型的建立

4．2．1 HyperWorks软件概述

4．2．2 机架模型的几何清理

4．2．3 机架有限元单元类型的选取

4．2．4 机架有限元网格的划分及质量检查

4．3 机架有限元模型的验证

4．3．1 有限元模态分析

4．3．2 试验模态分析

4．3．3 有限元模态分析与实验模态分析对比分析

4．4 机架的工况分析

4．5 机架结构优化设计

4．5．1 结构优化设计的理论基础

4．5．2 OptiStruct求解器及其迭代算法

4．5．3 机架尺寸优化设计过程

4．5．4 尺寸优化结果分析

4．6 本章小结

第五章 喷施系统设计与试验

5．1 喷施系统设计

5．1．1 喷头的选择

5．1．2 喷头间距的计算

5．1．3 喷杆的设计

5．1．4 柱塞药泵的选择

5．2 喷雾机速度的测量

5．3 喷施试验

5．3．1 单只喷头喷量与喷雾压力关系的测定

5．3．2 喷施均匀性测定

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间取得的科研成果及参与的项目