第４２卷第５期 ２０１６年ｌ０月 农业装备技术 Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ＿４２ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２０ｌ６ 农用超声喷雾变幅杆的结构设计与分析 张 臣，严 宇，孙福华，张程，江城，杨 峥，葛迅一 ２２５０００） （扬州大学机械工程学院，江苏扬州摘要：超声喷雾应用于植保机械具有重要意义，农用变幅杆是超声喷雾纵振系统的关键组成部 分。根据简单机械振动和超声波传播的原理，对农用超声喷头变幅杆进行理论设计。同时，利用有限 元分析软件ＡＮＳＹＳ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈｌ５．０求得农用超声变幅杆三维模型的固有频率，仿真出压电陶瓷激 振下喷头的振动幅值，与动力学方程计算的结果进行比较，得出理论计算与仿真分析的误差值，最 后通过试验比较验证了超声喷雾效果好于气力式喷雾。 关键词：超声喷雾；变幅杆；理论设计；有限元仿真 Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｐｒａｙ ｈｏｒｎｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｚｈａｎｇ Ｃｈｅｎ，Ｙａｎ Ｙｕ，Ｓｕｎ Ｆｕｈｕａ，Ｚｈａｎｇ Ｃｈｅｎｇ，Ｊｉａｎｇ Ｃｈｅｎｇ，Ｙａｎｇ Ｚｈｅｎｇ，Ｇｅ Ｘｕｎｙｉ （Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ ２２５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｐｒａｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｌａｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｍａｋｅ ｇｒｅａｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ，ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｐｒａｙ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｎｏｚｚｌｅ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ＡＮＳＹＳ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈｌ５．０，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｏｂｔａｉｎ ｎａｔｕｒａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｈｏｒｎ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｚｚｌｅ ｓｈｏｃｋｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｉｃ ｒｃｅｒａｍｉｃｓ，ｔｈｅｎ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ．ｇｅｔ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｖａｌｕｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ， ｖｅｒｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｐｒａｙ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｐｒｅｓｓ ｓｐｒａｙ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｐｒａｙ；ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｏ引 言 目前，国内外植保机械领域中普遍通过压力喷 雾器对农作物进行施药，雾滴在农作物上附着率低， 农药利用率只有３０％左右（农用超声雾化换能器）， 大部分农药都沉降到土地和飘移到周围环境。 超声喷雾原理是利用压电陶瓷激振，振动通过 变幅杆将振幅放大，当液体喷射（液体喷雾学）到快 速振动的变幅杆管道中，在表面就会形成一层波状 点，可有效提高农药利用率，减少农药使用导致的环 境污染问题，超声雾化的雾滴本身含负离子，有利于 雾滴在植物上的吸附，从而实现植保机械中精确施 药和低量喷雾的要求。 农用超声变幅杆是配合激振源改变超声波振动 幅度的功能组件。它在振动系统中的主要作用是把 机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集 中在较小的面积上即聚能，因此完善超声变幅杆设 薄膜，当到达一定值时，波的顶部就会变得不稳定并 破裂，从管道表面喷射出大量细小的雾状液滴。 超声雾化平均喷雾粒径可控制在１６ ｍ以内， 具有雾滴尺寸小、分布均匀、雾化效果容易控制等特 计技术对农用超声喷头的应用起重要推动作用。 １ 农用超声变幅杆的理论设计 阶梯形农用超声变幅杆是由两段不同截面积的 均匀杆组成，理论模型如图ｌ所示。 总第１９５期 农业装备技术 建、 ——— 锥的模 简化处理成为分忻 果足 准确ｆ＇ｌ＂Ｊ ・———一 酉嘤条什 存农川ｌｌ芏ｉ』｛ｉ啖霹 幅十Ｉ：仃 元分析懊Ｊ 的建、 过程ｒｆ１， ‘圯埘 体儿¨ ，Ｉ 进仃迅“｛ 简化，ｌｑ－Ｊ￣择合适的ｔ＿’ｆ１．无类Ｊ 然Ｊ ，定义材料的属 ，１———十 ’——一 行ｆｆ｛ ｒ 施加条件，最终扶 农川趟Ｊ㈨ 劣 幅ｆｆ： 构彳ｒＩｊ艮了 分析十ｌ！， 图１ 阶梯型超声变幅杆 ２．１ 材料选择及划分网格 ｌ 程材料数４￣，ｉ－Ｉ ｒｆ１创建新数据 ｒｆｌ添加 波动力‘程为： 乓一＋Ｋ ∈＝（） 边界条件： ，＝ ，及ｓ。 ＝ＪＪ＝ Ｅ 新材料４０（ ｒ铡，定ｌ义材料属性惭 为７ ８００ ｋｇ／）－ ，＝０ 一 杨 模 为２００（ １，｝ｌ，ｌ松比为（１．３ ｊｔ－Ｇ． 格划分而 板，ｔ１的 ｌ ＿ＨＩ ｒ没 为１００１ ２＿２模态分析 将边界条件代入波动方程的解，求得模Ｊ 的质 点位移Ａ ＋Ｆ 设 求解频牢Ｉ 为２５ ０００～５０ ０００ ｔｔｚ．求解 阶数为６阶，求解结粜如 ３所示 Ｂ＾＝一 ２（ ｉ ｋｂ＋ｊ— Ｌ ｎ ６） 位移节点：ｘ Ｆｌ，， ， Ｉ】＝ａ＝一｝时， 点 Ｘｏ＝０，即存中心位置、 考虑刮节点在农朋超声变，￣４ｃｔ：的ｒ 【Ｊ’、位 ， 处横截面的振幅为０，¨Ｉ丁设置法 定，成为振动系 统的支撑，＿小文采用两个 ｉ电陶瓷片作为激振源，『从ｊ 个压电片巾问夹销电极，该何置横截而的振幅亦为 鼙 薯 一０ ＿ 零，冈电极无法与法 位越重合，需没 在支撑的附 近 本文没汁农Ｈｊ超声变幅杆的材料为４０ｃｒ钢，ｌ 作频率为２８ ３５ ｋＨｚ．结合超声波传播速度、共振Ｋ 度、过渡网弧等特性，没计变幅朴的大端而 径 Ｄ．＝４０ ｉｒｌｍ，唢嘴端面Ｄ！＝２２ １ＴＩＩＴＩ，具体Ｊ 寸如 ２所 不： ｔ 》 一 （Ｉ・）４阶（３Ｉ ８４４ Ｉｌｚ） 图３各阶频率对应的振型 ２．３谐响应分析 图２农用超声变幅杆尺寸设计 谐响应分析 指迎过结构存少 频率下的响应 ｊｔ得剑一 响应 埘频率的曲线，－Ｉ丁以确定线 ｌ＇ｔ！Ｐｉ 构存乐受随时川按 弦舰律变化的载简的稳怠响 应小史采用 响直分析中的充个法进行仿真，它不 必芙心 何选择主ｒ１『｝ｌ度和振｝ 算…所仃的化移响幢 ２农用超声变幅杆的有限元分析 建立仿真分布分析时模型与真实结构存力学特 征卜的相似程度决定了有限元分析结果的准确性 仵一次汁算ｌ Ｉ汁 总第１ ９５期 张Ｉ＿ 等：农川超一ｆ喷鳟变幅”的结构没汁‘ 分析 农用超声变幅朴设计 寸等于超声波在Ｃｒ４０ 表面活性剂。捕集从喷嘴中喷ｆ｛｛的液滴并［占１定其形 态 ５为气力喷雾雾滴存 微镜下的成像｝冬１ ６为 普通气力式喷、大 “Ｉ『超 雾滴分布不均匀钢巾传播的１／４正弦波长，故存变幅杆大端面的任何 一个横截面施加与其 仃频率相等的激振，变幅』：ｌ－ｌ￣ｊ ．ｊ仿真的准确性，存农川超声变幅杆大端面一侧施加 超声喷雾雾滴在 微镜下的成像的雾化粒径存８０ ｍ左右端面质点位移都能达到各闩振幅的峰值，为方便操作 正弦的位移激励，幅值为９ ｍ 没置强制频率范 ２９ ５００～２９ ｇ００ Ｈｚ，选择频率响应的几何体为变幅朴 的喷嘴端面。求解结果如 ３所示，在喈振频率为２９ ５３０ Ｈｚ时．最大振幅为２１．２９６ Ｉｌｌ 声雾化喷头的平均雾滴粒径存２０ Ｉｎ左右，雾滴分 市均 Ｊ，效果好、同时可以看…， 管加＿，表面活 剂，但捕集液 雾滴两种液体会仃所融合． 微成像 的液体边缘不够清晰． 蟊篮蕊翟蕊翟罄盛蕊鬣 ｆＳｃｏｐｉｎｇｉ￣ｔｈｏｄ ｉＧ㈣ｅｔｒｖ ｛ＧｅｏｍｅｔｒｙｓｅＩｔ ｉｏｎ ；ｉ Ｆａｃｅ 纽 ０ ＩＳｐａｔｉａｌＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆ＿】ｌ Ｄ● ｎｉ抽ｈ ｌＵｓｅＡｖｅｅａｇｅ ｝’ｒｙｐｅ ｌＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｉ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉ×Ａｘｉｓ ｝……——………一… …一……～—一 ｛Ｓｕｐ口ｒ． ！Ｎｏ 【＿¨ｏ，■Ⅲ ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒａｎｇｅ ｝Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｆｒｍｑｕｅｎｃｙ Ｄｉ……｛Ｕｓｅ Ｐａｒｅｎｔ ｊ ２９５∞Ｈｚ ｝２９啪Ｈｚ ｌ旦 ！ 一… ｛一！【 ！哟 一… … ～ ……一一一．．．…．一一… ！…Ｍ…ａ…ｘｉｍ，…ｕｍ…Ａ一ｎ…ｌｐ ｌ ｔｕ Ｊ墨警 曼：曼曼 ……一一一 ：ｅｎ ． …ｌ： ～一……～…一 ａｙｓｐｌ… ～～… 图６超声喷雾雾滴在显微镜下的成像 Ｐｈａｓｌ＿ｅＡｎｇｌｅ Ｒｅａｌ ；ｉｎａ ｛一 ：一一一一 ３结语 Ｌ！ 曼螋Ｌ 一 竺竺…… ～ 没计农用超声变幅杆时，理论计算 有限元分 析结果存＿存一定的误雄，所以仅作为变幅杆的原始 设计，对丁是否还需要精确设汁，可以利用ＡＮＳ￣ｔＳ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ１５．０中的谐响应分析模块来进行验证，并 图４谐响应分析结果 唢嘴端面位移频率响应见『皋］４，从 ４巾得¨｛：没 黄强制频率范同２９ ５００～２９ ８００ Ｈｚ时，振幅随频率增 大而减小 存谐振频率刮达［古ｌ 频率２９ ６８３ Ｈｚ附近 时，即农用超声变幅杆纵振情况下，喷嘴端面的位移 通过激振试验进行测量一本文依据农州超声喷头振 幅影响喷雾粒径的规律，通过超声变幅朴的原理对 约为２ｌ ｔｘ ｍ，理论计算放大系数为大小端面的横截面 比值３．３０５，彳丁限元分析结果放大系数为２．３３，放大系 农用超声变幅杆进行＿卡ＪＪ步尺寸没汁。并州模态分析 法汁算ｆＩＩ变幅朴固有频焉莲与Ｔ作频率，利用谐响应 分析法分析变幅杆固有频率时农刚超声变幅杆的放 数的没计误差为２９％ 在理论、ｌｌ‘箅时。没有考虑网弧 过渡因素，故有限元的结果更接近于实际值。 ２．４试验 大系数足否满足实际需要，并 理论设汁的误 值 相比较，为农朋超声变幅朴设汁的进一步完善提供 依据最后本文通过试验比较验ｉ止了超，｛ 喷雾效果 对本文设计的超声雾化喷头进行雾滴粒径测 试，测试方法为侵入法。存浅玻璃容器中放置乙醇ｉｊ 女 于气力式喷雾 参考文献： 【１１张缱佻．义晟 ：定心，等．越卢雾化 衄低谴喷劣ｆｌ１的心川 ｝ｉｉ『景【Ｊ１．『ｔｌ同似 导刊，２０１４（１０）：６７—７０． 水混合而成的捕集液，在其表面加入甲基纤维作为 『２Ｉ高建 ，等．微Ｊ 指数振ｒ低频超，｛ｉ，髯化喷火ｆ１％￣ｆ￥－０搜喷 雾试验１．Ｉ１．农业ｒ程学撤．２０１４（４）：４０—４６． 『３１曹建『１月．液体喷雾ｅＴ＂ＩＭ］一Ｅ京人学ｍ版仆．２０１３． 【４ｌ林仲忮．趟声变『 ｆｒ－ｌｆｏ，／￣（理和没计ＩＭＩ．科学ｆｆ；版社，１９８７． 【５ｌ祭耀ｔＩ１．等．珩筚析法没汁阶梯 变 朴 ｌ『靠 铆ｆ究ＩＪ１．ｆＪ【 械｝ 徉与一动化．２０１４（３）：３—４． 『６ｌ张 ．ＡＮＳＹＳ Ｗｌｌｌ・ｋｂｅｎｆ・ｔｌ １５．０有 ＪＣ分析从入Ｉ’】到精 图５气力喷雾雾滴在显微镜下的成像 通ＩＭ１．机械１－、 Ｙ．“ Ｉ版｝ ．２０１６． 总第１９５期