基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】

基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,含有限元,說明書+CAD+PROE,基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,基于,ansys,噴霧器,噴嘴,仿真,研究,鉆研,有限元,說明書,仿單,cad,proe 2010年12月 農(nóng)機(jī)化研究 第12期 噴霧器可靠性試驗(yàn)臺設(shè)計(jì) 王洪明，汪友祥，曾文進(jìn) (湖南省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站，長沙410006) 摘要：噴霧器質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到操作者的生命安全，也關(guān)系到農(nóng)作物的生產(chǎn)安全和綜合效益。我國手動 噴霧器量大面廣，應(yīng)用普遍。為考核噴霧器的耐久性，檢驗(yàn)其工作可靠性，設(shè)計(jì)了專門試驗(yàn)臺。該試驗(yàn)臺采用調(diào) 速電機(jī)直聯(lián)高傳動比的蝸輪減速器驅(qū)動曲柄連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械代替人工的自動化作業(yè)。該試驗(yàn)臺還設(shè)置機(jī)具 過載保護(hù)控制電路和自動計(jì)數(shù)顯示功能。試驗(yàn)臺具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕小方便、運(yùn)行平穩(wěn)和使用可靠等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：噴霧器；試驗(yàn)臺；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；過載保護(hù)；自動計(jì)數(shù) 中圖分類號：s491 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003188X(2010)12009204 0 引言 植保機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、生態(tài)環(huán)境 及操作者人身安全有重大影響。產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題， 如出現(xiàn)藥液滲漏或射程滿足不了需要，安全防護(hù)設(shè)施 和措施不力，農(nóng)藥的有效利用率低等，會對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì) 量安全、生態(tài)環(huán)境及操作者人身安全造成危害。輕者 導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品藥物殘留較多，品質(zhì)較差，對生態(tài)環(huán)境造 成輕度污染，并對操作者人身安全造成一定損害；重 則會嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，引起食品中毒和操作者人體 中毒或者作物停止生長和死亡。 建立質(zhì)量安全型、資源節(jié)約型、環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)， 與農(nóng)藥和植保機(jī)械的推廣應(yīng)用有很大關(guān)系。糧食增 產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)與植保機(jī)械的推廣應(yīng)用關(guān)系也比較大，而且 從農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全方面來看，要抓關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵技 術(shù)。這些都與植保機(jī)械關(guān)系密切。因此，提高噴霧器 產(chǎn)品作業(yè)性能質(zhì)量和使用可靠性有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 噴霧器是我國廣大農(nóng)村常用的植保機(jī)械。手動植 保機(jī)械約有35個品種，全國保有量約6 000多萬臺， 占總植保機(jī)械的80左右，擔(dān)負(fù)全國農(nóng)作物病蟲、草 害防治70以上面積。其中，手搖背負(fù)式噴霧器應(yīng)用 最為普及，幾乎家家戶戶都有，因此手搖背負(fù)式噴霧 器產(chǎn)品質(zhì)量直接涉及到千家萬戶的切身利益，其工作 可靠性和耐久性是設(shè)計(jì)者與生產(chǎn)廠家最關(guān)注的實(shí)際 問題。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JBT 66612006噴霧器中，可 靠性(有效度)設(shè)為A類指標(biāo)，是最重要的項(xiàng)目。為考 核機(jī)具的耐久性和測量工作可靠性，需為噴霧器(也 收稿日期：20100420 作者簡介：王洪明(1962一)，男，湖南漣源人，高級工程師，(Emall) wml 124126eom。 92 只有手搖噴霧器需要)設(shè)計(jì)一個可靠性試驗(yàn)臺，即設(shè) 計(jì)一個機(jī)械手來模擬人工作業(yè)并能有效控制的裝置。 目前，國外無同類手動噴霧器試驗(yàn)臺，國內(nèi)雖有相似 的裝置，但體積較龐大，結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。另外，搖桿上下 往復(fù)運(yùn)動的位置也受到限制，對測試性能有諸多要 求，不能完全反映噴霧器的性能。為了解決手動噴霧 器可靠性試驗(yàn)問題，湖南省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站研制了 3W型噴霧器可靠性試驗(yàn)臺，如圖1所示。它采用電 磁調(diào)速電機(jī)直聯(lián)高傳動比的蝸輪減速器驅(qū)動曲柄連 桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械代替人工的自動作業(yè)。整個試驗(yàn)臺 結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)用可靠。 1噴霧器2控制器3調(diào)速電機(jī)4聯(lián)軸器5曲柄連桿機(jī)構(gòu) 圖1噴霧器町靠性試驗(yàn)臺 Fig1 Sprayer reliability test bed 1試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu) 所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺由電機(jī)、聯(lián)軸器、蝸輪減速器、噴 霧器以及曲柄連桿機(jī)構(gòu)試驗(yàn)部件等組成，結(jié)構(gòu)原理如 圖2所示。工作時，電機(jī)通過聯(lián)軸器將動力傳遞到減 速器，減速器連接曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動噴霧器手柄，計(jì) 數(shù)器統(tǒng)計(jì)手柄的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，當(dāng)噴霧器藥箱空氣室壓力 萬方數(shù)據(jù) 2010年1 2月 農(nóng)機(jī)化研究 第12期 過大時，本試驗(yàn)臺可自動過載保護(hù)。 1電機(jī)2聯(lián)軸器3減速器4曲柄5連稈6噴霧器手柄 圖2試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖 Fig2 Structural graph of test table 11 電機(jī)的選用 常見的噴霧器外形尺寸(長寬高)為350mm 170mm400mm，手柄長工為400mm。 為確定噴霧器測試實(shí)驗(yàn)裝置用電機(jī)功率，先任選 正常勞力2人(甲、乙)對常用兩種型號噴霧器進(jìn)行 10min左右的模擬操作，分別測量手柄上下往復(fù)運(yùn)動 過程中最大的作用力及一般搖速，測得平均手搖擺角 為26。，兩人手搖時測試數(shù)據(jù)如表1所示。 表1 噴霧器手搖力的試驗(yàn)數(shù)據(jù) Tab1 Experimental data of the sprayer stirring force 功率計(jì)算公式為 P=M。n9 549 (1) 式中P_一功率(kW)； M。扭矩，M，=FxL(Nm)； ，l一手搖頻次(rrain)。 測算兩種型號噴霧器平均驅(qū)動功率分別為 0025kW和0026kW。為了調(diào)節(jié)測試范圍，考慮到 YCT系列電磁調(diào)速異步電動機(jī)是一種交流恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 電機(jī)，工作時通過可控硅控制達(dá)到均勻無級調(diào)速，具有 速度負(fù)反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)系統(tǒng)，無失控區(qū)，調(diào)速范圍最大可 達(dá)10：l，控制功率小，便于自控、群控或遙控，啟動性能 好，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動平滑和使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，故 選用電磁調(diào)速電動機(jī)(型號YCTll24A，功率 93 055kW，額定轉(zhuǎn)矩36Nm，調(diào)速范圍1251 230r min，轉(zhuǎn)速變化率25)。 12減速箱選擇 植保機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，手搖式噴霧器手搖頻 次小于30次rain。根據(jù)電磁調(diào)速電動機(jī)的調(diào)速范圍 和噴霧器的工作速率要求，考慮扭矩配比需要，根據(jù) 現(xiàn)有研究，減速器在不超出減速機(jī)額定扭矩的前提 下，降速時按速比提高了輸出扭矩，按速比的平方降 低了負(fù)載的慣量。蝸輪蝸桿減速機(jī)具有反向自鎖功 能，有較大的減速比，輸入和輸出既不同軸又不在同 一平面，呈正交輸出。為使試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)緊湊，選取傳 動比為40：1的蝸輪減速箱(型號為WPA8040)，以 滿足設(shè)計(jì)要求。 13聯(lián)軸器 由于無其它特殊要求，本設(shè)計(jì)選用牙嵌式普通剛 性聯(lián)軸器。 14曲柄連桿機(jī)構(gòu) 將輸出構(gòu)件所受驅(qū)動力的方向與構(gòu)件上作用點(diǎn)的 速度方向之間的銳角稱之為壓力角ix，其最佳值為00 (這時傳動角7為90。)。當(dāng)壓力角大于45 o時，輸出 構(gòu)件上作用的有害分力將大于有效分力。為了保證 機(jī)構(gòu)良好的傳力性能，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動平順，小功率或低 速運(yùn)行機(jī)構(gòu)一般壓力角設(shè)計(jì)不超過50。(a。50。， Y。i。40。)。如受力很小或不常使用的操縱機(jī)構(gòu)，允 許傳動角較小，只要不發(fā)生自鎖即可。設(shè)計(jì)步驟為： 1)按比例(選比例u=10)在平面上繪出搖桿的 極限位置c。D和G2D，如圖3所示。 2)依據(jù)行程速度變化系數(shù)k62(取k=112)，按 極位夾角公式 p=黯180。 (2) 計(jì)算出極位夾角0=100。 3)過C：點(diǎn)做一條直線與C。c2連線的夾角為 90。一0=80。，該直線與c，和G的中垂線的交點(diǎn)D 即為K圓的圓心。 4)以O(shè)為圓心、0C2的長度為半徑做K圓，則A 點(diǎn)必在K圓的c。點(diǎn)至c：點(diǎn)的優(yōu)弧(大于半圓的弧) 上。為使極限位置中點(diǎn)有最小壓力角a，得AD值(AD =450 mm)。 5)當(dāng)搖桿AB和連桿BC夾角為180。時，AC。= 曰，ClABl，或搖桿AB和連桿BC夾角為0。時，AC2= B2c2十AB：，可計(jì)算出曲柄AB，連桿BC的長度為 AB=(AC2一AC。)2 (3) BC=(AC2+AC，)2 (4) 萬方數(shù)據(jù) 201 0年12月 農(nóng)機(jī)化研究 第12期 求得AB=80mm，BC=430mm。 若連桿曰c長度設(shè)計(jì)可調(diào)整，則極位DC。和DC： 可以偏移。 根據(jù)AD的數(shù)值確定D點(diǎn)與A點(diǎn)的相對位置，來 確定試驗(yàn)臺平臺高度、夾持位置及噴霧器安放位置。 圖3曲柄連桿設(shè)計(jì) Fig3 Cranklink 141 連桿 設(shè)計(jì)采用小汽車方向機(jī)構(gòu)萬向節(jié)，中部有螺紋， 長度可調(diào)整，適合本實(shí)驗(yàn)臺工作。 142曲柄 按曲柄長度(AB=80ram)設(shè)計(jì)為圓盤式。為了適 應(yīng)不同的噴霧器，在圓盤上按漸開線排列設(shè)置數(shù)孔， 以適應(yīng)不同曲柄長度的調(diào)節(jié)需要。 噴霧器擺桿(手柄)的上下往復(fù)運(yùn)動并不是勻速 的，但速度和加速度均較小，在構(gòu)件上形成的有害分 力也小，不影響機(jī)構(gòu)平順運(yùn)動，可以忽略。擺桿的速 度和加速度為 0)3=攔獎嬰， (5)2蕊而而1 L)J c，jzlcos(9l一92)+；z2一；f3(妒3一妒2)島21忑百i廠一 當(dāng)極位時，9l=驢2，3=0。 山；z1+2；12一(【，；f3(60392) 63 2 (6) (7) 式中f。，Z2，23一搖桿AB、連桿BC和擺桿CD的長度。 9。，9：，9，一搖桿A曰、連桿Bc和擺桿cD的轉(zhuǎn) 角(即與AD的夾角)。 1，2，3一搖桿AB、連桿BC以及擺桿CD的 角速度。 占，一擺桿的角加速度。 143手柄裝夾機(jī)構(gòu) 手柄裝夾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為鐵皮半圓抱箍對合，螺紋緊 94 固，與連桿鉸接。 15控制電路 在噴霧器管路系統(tǒng)中引入壓力傳感器，設(shè)置控制 電路，機(jī)具過載時實(shí)施保護(hù)。 工作原理如圖4所示。當(dāng)壓力小于限值 (05MPa)時，輸出量為0，即S處于閉合狀態(tài)，三極管 Q處于截止?fàn)顟B(tài)，基極電流為0，繼電器K的觸點(diǎn)l和 2處于閉合狀態(tài)，電動機(jī)正常工作。 當(dāng)壓力大予或等于限值時，輸出量為1，即S處于 打開狀態(tài)，三極管Q處于放大區(qū)，繼電器K的觸點(diǎn)1 和3處于閉合狀態(tài)，電動機(jī)停止工作。 圖4過載保護(hù)控制電路 Fig4 Overload controlling circuit 16計(jì)數(shù)系統(tǒng) 在曲柄圓盤上裝一磁鐵塊，與霍爾傳感器保持一 定間距(4ram)。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)一圈時產(chǎn)生一個脈沖信號， 傳感器通過光電隔離芯片及數(shù)字編碼芯片與單片機(jī) 通用IO引腳及外部中斷引腳相連。對脈沖信號進(jìn) 行累積可獲得總運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)，結(jié)合實(shí)時時鐘模塊可獲得 噴霧器搖動頻次。計(jì)數(shù)系統(tǒng)如圖5所示。 一犧童薹夏：埡張煎 單片機(jī) 一 按鈕(塹崾 圖5計(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)框圖 rig5 Blockgraph of the counting and display system 其中，CPU采用AVR高性能單片機(jī)，具有豐富的 擴(kuò)展接口。內(nèi)置的EEPROM用于意外掉電時保存數(shù) 據(jù)。顯示屏采用LCD大屏幕，具有漢字顯示功能。傳 感器采用接近型霍爾開關(guān)，安裝方法如圖6所示。 萬方數(shù)據(jù) 2010年12月 農(nóng)機(jī)化研究 第1 2期 1機(jī)架2螺栓3數(shù)據(jù)線4傳感器支架5傳感器 6調(diào)節(jié)螺母7瞌柄鬩盤 圖6霍爾元件安裝原理圖 Fig6 Installing components of hall units 2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 噴霧器可靠性試驗(yàn)臺調(diào)試完后，于2008年lO月 12日一22日在國家水田機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心植保 機(jī)械試驗(yàn)室，對3WB一16型背負(fù)式手動噴霧器進(jìn)行了 10萬次的可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)為清水，試驗(yàn)時噴桿 噴頭插在藥液桶內(nèi)，循環(huán)用水，試驗(yàn)全過程戈需加水。 在9d(每天約8h)試驗(yàn)中，機(jī)具搖桿接頭有疲勞斷裂 現(xiàn)象，經(jīng)焊接修復(fù)，試驗(yàn)臺其它系統(tǒng)工作正常。隨后， 在2009年3月和4月，又先后對2臺3WBS一16N型 噴霧器各進(jìn)行了70h的可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)臺的測試性 能和工作可靠性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果證明，該試 驗(yàn)臺完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JBT 66612006噴霧器中 對可靠性試驗(yàn)的要求。 參考文獻(xiàn)： 汪友祥遙控機(jī)滾船的研究J農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005， 36(3)：152154 徐灝機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(1)K北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1989 孫杰，杜瑞成，蔡善儒移動式流體噴射試驗(yàn)裝置的研 制J山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，21(1)： 15一19 柳平增，丁為民，薛新字，等植保噴頭綜合性能測試專 用數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J計(jì)算機(jī)測量與控制，2006，14 (12)：16021604 陸泳平植保機(jī)械技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J湖南農(nóng)機(jī)， 200I(5)：911 Design of Sprayer Reliability Test-bed Wang Hongming，Wang Youxiang，Zeng Wenjin (Hunan Agricultural Machinery Experiment Identify Station，Changsha 4 10004，China) Abstract：The quality of the sprayer has the direct relation with the life safety of the operator，also with the crop produce safety and its synthesis benefits。China has large number and widespread application manual sprayer，In order to inspect the durability and reliability of the sprayerthe special testbed was designedIt used direct highspeed electric trans mission ratio of turbinedriven cranklinkage reducer to achieve the autooperationinstead of the manual operationIt also has set up overload protection setup and automatic counting displaying，and the whole testbed is compact structure， dapper and convenience，steadily running，reliable Key words：sprayer；testbed；structural design；overloading protection；autocounting 95 1J 1J 1J 1J 1J l 2 3 4 5 rL rL rL rL rL 萬方數(shù)據(jù) 噴霧器可靠性試驗(yàn)臺設(shè)計(jì) 作者： 王洪明， 汪友祥， 曾文進(jìn)， Wang Hongming， Wang Youxiang， Zeng Wenjin 作者單位： 湖南省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站,長沙,410006 刊名： 農(nóng)機(jī)化研究 英文刊名： JOURNAL OF AGRICULTURAL MECHANIZATION RESEARCH 年，卷(期)： 2010,32(12) 參考文獻(xiàn)(5條) 1.陸泳平 植保機(jī)械技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢期刊論文-湖南農(nóng)機(jī) 2001(05) 2.柳平增;丁為民;薛新宇 植保噴頭綜合性能測試專用數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)期刊論文-計(jì)算機(jī)測量與控制 2006(12) 3.孫杰;杜瑞成;蔡善儒 移動式流體噴射試驗(yàn)裝置的研制期刊論文-山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） 2007(01) 4.徐灝 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(1) 1989 5.汪友祥 遙控機(jī)滾船的研究期刊論文-農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 2005(03) 本文鏈接：http:/