高射程喷雾机优化设计虚拟仿真实验教学
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摘要：作为林业高校林业机械专业的必修实验课，高射程喷雾机优化设计实验存在诸多实验教学难点。虚拟仿真技术的应用为解决这些教学难点提供了新的思路。文章阐述的高射程喷雾机优化设计虚拟仿真实验教学将分成三大模块，通过虚实结合的方式进行高射程喷雾机的设计、加工、组装和测试过程，帮助学生提升专业知识及专业技能。
关键词：高射程喷雾机;优化设计;虚拟仿真;实验教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）51-0271-02
高大林木病虫害防治亟待解决的两大难题是射程和覆盖率。高射程喷雾机优化设计实体实验针对这两大难题对喷雾机风筒内部结构进行优化设计，以改善风筒内部气流特性，减少风能损失，提高出口风速，将经过供药系统和喷雾系统雾化后的农药雾滴输送至防治目标;同时通过风筒的上下摆动，可实现高大林木树冠喷雾全覆盖，从而达到防治目的和防治效果。本文基于虚拟仿真技术对高射程喷雾机进行优化设计，设计模块包括实验简介模块、各组件优化设计模块、整机虚拟组装模块和性能测试模块等几大功能模块。
一、高射程喷雾机实体实验现状
高射程喷雾机优化设计实验在培养学生的设计能力、创新开发能力和综合运用能力方面发挥了积极作用。但林产过程装备实验耗时长，存在能耗大、高危险等问题，不适宜常规实验教学[1]。本实体实验无法有效开展的原因在于：（1）喷雾机设计、加工、组装历程长：每个学生都要经历设计、优化、加工、组装、林间验证过程，时间长达4—6个月。（2）空间受限，测试难度大：根据国家标准，喷雾高度应在静风条件下测试。本项目对应的实体实验需建设高度为50米以上的室内实验场地，目前国内外均无相应的实验条件。（3）病虫害发生季节性强，农药喷雾中毒风险高：实体实验无法随时随地检验施药防治病虫害的效果，环境和学生安全防护压力大。
因此，单纯依赖现有实体实验无法完成教学内容，更无法达到实验目的，可采用信息化手段和虚拟仿真技术，通过虚实结合的实验手段，针对不同的防治对象，实时、精准、直观地体现每一步骤的设计效果，从而缩短了实验周期，降低实验成本。虚拟仿真实验为学生独立自主地进行学习与实践创造了良好的条件，更有利于培养学生的实际应用能力和综合素质[2]。
二、实验设计思路及内容
本实验应用信息化技术，模拟实际的高射程喷雾机设计、加工、组装、操作全过程，带给学生身临其境般的实训体验，可有效提高实验教学效果和学生的学习效率，培养学生掌握林业机械设计及其加工技术的能力。高射程喷雾机实体实验为虚拟仿真实验提供后台数据库，该虚拟实验采用分模块化设计，各组件优化设计模块、整机虚拟组装模块和性能测试模块。
（一）各组件优化设计模块
高射程喷雾机由发电机组、喷雾系统、风送系统、供药系统、风筒摆动系统、控制系统等组成，具体包括风机、整流体、收缩筒、导流叶片、药泵、喷头组件、药箱、底盘、支架、风筒摆动机构、发电机组、控制器与操作面板、操作器、工具箱等部件。实验主要围绕“喷雾射程”和“喷雾覆盖率”两个终极目标对机器进行优化设计。
1.树木形态参数测量。以行道树实验场景为例，场景中出现大量虫害，亟待进行有效防治，在界面中，学生可任意选取一棵树，个性化隨机显示标尺测量出树高和冠高的具体数值。例：测得树高为20m，冠高为10m。学生随机点击测量树高，显示标尺测量出具体数值为15米到40米之间，明确防治装备设计要求：大型车载、移动速度可调、效率高、射程高、穿透性好，从而确定高射程喷雾机为适应的防治装备。
2.风送系统设计——确定风机型号。风机的风量和风压影响雾滴的大小和喷雾机的喷幅、射程，对改进风机结构、改善高射程喷雾机性能具有重要的意义[3]。
第一步是风筒直径的确定，风筒直径是确定风送系统最关键的参数，学生根据《林业机械》教材中的紊流自由射流理论相关计算公式计算出风筒直径，并进行圆整，根据直径系列进行选型。
学生通过风筒直径和风量的计算值，按风机第一优先系列进行选型。根据垂直射程和水平射程之间的关系：垂直射程一般为水平射程的2/3，判定初步选定的风机对应的射程能否满足树高喷雾要求，然后进行水平射程测试，测试过程中若“无法满足”，则需进行优化设计。
3.风送系统结构优化及效果测试——收缩筒角度确定。实验界面中设置“相关设计说明”栏，学生在设计之前“参看相关设计说明”可帮助学生获取不同收缩筒角度下的流场仿真，辅助学生进行收缩筒角度的优化，由气流场仿真图可知收缩筒角度的优化可有效提高风筒出风口风速。研究收缩筒角度和风筒出风口风速增量之间的关系，针对不同的收缩筒角度进行5次单因子实验，记录并填写实验数据。
将收缩筒角度值和风速增量值进行曲线拟合，学生通过拟合曲线研究风速增量和收缩筒角度之间的规律，从而判断收缩筒角度的优化范围，并确定优化值。
4.构优化及效果测试——整流体设计。基于CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真考查整流体形状对流场的影响，整流体设计分为不加整流体、加圆柱形整流体、加锥形整流体三种情况。
针对不同形状的整流体，系统进行水平射程的实时测试，提示学生当前的水平射程具体数值。
5.构优化及效果测试——确定导流叶片数量。导流叶片的设置可有效地将由风机产生的高速旋转气流的周向运动转化为轴向运动，从而降低能耗，提高风筒出口风速。学生在设计过程中，点击“参看相关设计说明”按钮可帮助学生获取不同导流片数量下的流场仿真情况。权衡整流效果及边界层效应的导流叶片数量设计，不仅要考虑风筒内部的流场变化，还应考虑实际生产成本，导流叶片数量越多，气流场越均匀可靠，但同时也增加了耗材，因此导流叶片的选取满足射程即可。 风送系统设计完成后进行总体优化效果检测实验。系统进行水平射程的实时测试，提示学生当前的水平射程具体数值，如射程达不到要求，可以重新进行相关装置的优化设计。
6.风筒摆动系统设计——摇杆机构设计。为满足高大林木喷雾覆盖面要求，必须对风筒摆动系统进行设计。根据树高、树冠等实验初始阶段获得的重要指标，计算风筒摆动机构的仰角上限、下限等关键参数，并根据《机械原理》中的平面连杆机构知识点和树木高度、树冠特征对摆动系统进行设计，实现风筒的上下摆动，达到树冠喷雾全覆盖的目的。
7.供药系统设计。供药系统分为喷头、药泵和药箱。学生根据喷头类型对应的喷雾特性，进行喷头选型设计;根据风筒直径计算最大喷药量，确定药泵型号，进行药泵选型;根据风筒直径计算最小喷药量，确定药箱容积。
8.整机动力设计——发电机组功率确定。综合考虑风机药泵、摇摆机构的动力，确定发电机组的功率。
（二）喷雾机整机组装
在完成各组件优化设计模块后，学生将对风送系统、供药系统、风筒摆动系统等各组件进行组装。
（三）达成度判别
达成度判别主要考查两个核心指标：一是喷雾射程（风送系统）是否达到要求，即风送系统设计得是否合理;二是喷雾覆盖面是否达到要求，即风筒摆动角度设计得是否合理，通过病虫害的防治效果检验喷雾对树冠的覆盖程度，从而考查曲柄摇杆机构（喷筒的摆动角度）的设计效果。
学生确认完成实验后，系统自动生成实验报告，包括各實验流程及设计参数值;同时生成学生课后习题界面，供学生对知识点的巩固及专业技能的提高。
三、结语
高射程喷雾机优化设计虚拟仿真实验涉及环节综合性强，关联度高，通过虚拟及网络技术直观地展现了高射程喷雾机的系统构成、整机及各部件的工作原理，能让学生实时体验优化设计效果，并通过整机的达成度检验验证学生对机器优化设计的成效，最后通过实验报告、实验习题等各种人性化服务环节使学生的专业知识和专业技能得到有效巩固和显著提升，更激发了学生对专业学习的兴趣，可大大提高专业的实际教学质量。
参考文献：
[1]陈青，蒋雪松，许林云，等.虚拟仿真技术在林业机械课程教学改革中的应用[J].当代教育实践与教学研究，2018，（3）.
[2]程思宁，耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013，（07）：94-97.
[3]刘秀娟，茹煜，郑加强，等.高射程喷雾机射流规律和射程的研究[J].农机化研究，2011，33（3）：143-145.
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