垂直摇臂式喷头摇臂运动规律研究
垂直摇臂式喷头是一种中、高压远射程喷头，具有结构简单、运行稳定的特点，广泛应用于工业防尘及农林喷灌等工作场合。摇臂的动力学分析及运动规律研究是保证垂直摇臂式喷头运行稳定性及可靠性的关键。本文采用理论与试验研究相结合的方法，分析垂直摇臂式喷头的运动特征，研究喷头及摇臂运动的基本原理，推导摇臂的驱动力及运动频率理论公式，分析摇臂力学特性及工作稳定性，探索摇臂运动频率与配重等工作参数之间的关系。通过对摇臂力学特性、导流器受水及摇臂运动规律的研究，为垂直摇臂式喷头的设计提供一定的理论基础。 本文主要研究内容包括: (1)研究垂直摇臂式喷头的基本工作原理，深入分析喷头的导流器受水、摇臂运动特性等动力学特征。建立垂直摇臂式喷头摇臂运动模型，分别从喷头摇臂上下运动及喷头左右转动过程对摇臂摆动驱动力、喷头运转驱动力进行分析，推导出摇臂在非自由及自由运动阶段中的运动时间，进而推导出摇臂运动频率计算公式。结果表明影响摇臂运动频率的参数主要有摇臂转动惯量、配重安装位置、工作压力、喷嘴直径及导流器结构参数等。 (2)搭建喷头力学性能测试试验台，研究水平及垂直两个方向导流器受水射流冲击特性，测量摇臂上下运动、喷头左右转动驱动力，同时与理论公式相比较。试验结果表明，驱动力随工作压力、喷嘴直径的增大而增大，其中，水平分力与工作压力成正比，而与喷嘴直径的平方成正比，垂直分力与工作压力、喷嘴直径成正比。通过试验结果与驱动力理论公式的对比，发现试验所得驱动力水平分力及垂直分力与理论公式计算值趋势相同，但由于理论推导公式中做了大量的假设，使得试验所测值均比公式计算值小。 (3)从摇臂的运动规律入手，采用高速摄影试验，研究Nelson SR100垂直摇臂式喷头的导流器受水射流冲击时的运动情况及摇臂运动过程，对工作压力、配重位置对喷头运转频率的影响情况进行试验研究;对比导流器非自由运动及自由运动时间试验结果与理论公式计算值，发现摇臂试验运动周期与理论公式吻合较好，进而为运动频率理论公式提供试验依据。在实际工作过程中可通过改变喷头工作压力及配重安装位置来改变摇臂的运动频率，来考察运动周期变化对喷头水力性能的影响，进而改善喷头近处喷灌强度及喷洒均匀性等水力性能。 (4)在喷头导流器受力分析的基础上，选择摇臂作为研究对象，对其进行简化处理及受力分析。利用ANSYS Workbench有限元分析软件，对摇臂进行有限元模态分析、静力学分析及疲劳可靠性分析。分析结果表明，摇臂导流器安装部位、配重安装位置处有较大的应力分布，摇臂各部位安全系数差别较大。可以通过加强薄弱部位设计，或改进局部结构、提高材料的力学性能来提高摇臂的工作稳定性与可靠性。
农业工程;垂直摇臂式喷头;摇臂运动规律;有限元分析;优化设计
江苏大学
硕士
化工过程机械
李红
2014
中文
S277.94
68
2014-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）