《Agronomy》：Design and Experimental Study of a Semi-Active Boom Vibration Damping System for a Shielded Soybean-Maize Sprayer
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针对大豆-玉米带状间作模式下，安装防飘移屏蔽罩改变了屏蔽罩喷雾机喷杆的质量和惯性特性，使其在复杂田间激励下易于产生剧烈振动，从而影响喷洒均匀性和操作安全的问题，研究人员设计并试验了一种基于磁流变阻尼器（MR damper）的半主动喷杆减振系统。首先，建立了考虑
针对大豆-玉米带状间作模式下，安装防飘移屏蔽罩改变了屏蔽罩喷雾机喷杆的质量和惯性特性，使其在复杂田间激励下易于产生剧烈振动，从而影响喷洒均匀性和操作安全的问题，研究人员设计并试验了一种基于磁流变阻尼器（MR damper）的半主动喷杆减振系统。首先，建立了考虑附加质量和刚度变化的喷杆等效力学模型，并明确了道路谱和启停冲击等激励源特性。其次，基于Bouc–Wen模型对磁流变阻尼器进行了选型并设计了其输出力边界，确定行程为80–110 mm，压缩行程和回弹行程的最大阻尼力分别为1.15 kN和3.44 kN。此外，开发了以LK3U-14MT PLC为核心控制器的半主动减振系统。最后，通过仿真分析、自由振动衰减试验、越障试验和田间作业试验验证了所开发半主动系统的减振性能。田间试验结果表明，在典型作业速度3–5 km/h下，半主动减振系统使喷杆末端最大垂直振幅降低28.6–43.1%，最大倾角降低12.2–55.6%，有效改善了屏蔽罩喷雾机喷杆的姿态稳定性和抗侧倾能力。
**论文解读：基于磁流变阻尼器的半主动喷杆减振系统设计与试验验证**
**研究背景与问题**
大豆-玉米带状间作（soybean-maize strip intercropping）是一种提高土地利用效率、保障大豆供应和粮食安全的重要种植模式。在该模式下，大豆和玉米交替分布，两者对除草剂的敏感性和耐受性差异显著。传统喷杆喷雾作业易造成侧向飘移、行间飘移及非靶标作物药害。因此，使用具有物理隔离能力的屏蔽罩喷雾机（shielded sprayer）是实现带状间作模式下靶向施药和减飘作业的重要技术途径。然而，在屏蔽罩喷雾机喷杆下方安装多组防飘移屏蔽罩后，喷杆系统的质量分布、转动惯量和质心位置发生显著变化。屏蔽罩作为刚性附加质量连接在喷杆下方，使喷杆在田间作业时更易受到地面不平度、速度波动、底盘冲击和启停惯性等多源激励的影响，诱发垂直起伏、横向摆动和绕纵轴侧倾等复杂振动。喷杆姿态失稳不仅导致喷施高度波动和施药均匀性下降，还可能引起屏蔽罩与地面接触、机械损伤作物，甚至导致喷杆结构疲劳失效。因此，设计并试验验证屏蔽罩喷雾机喷杆的减振系统具有重要的工程意义。
目前，喷杆减振方法主要包括被动减振、主动控制和半主动减振。被动减振系统结构简单可靠，但其阻尼和刚度参数固定，难以适应随机田间激励和不同行驶速度下的复杂工况。主动控制系统可实现高控制精度，但通常需要较大能量输入和复杂执行机构，在农业作业环境中可靠性和维护成本受限。半主动减振技术以较低能耗调节系统阻尼特性，兼具被动系统的结构可靠性和主动系统的可调性。其中，磁流变阻尼器（magnetorheological damper, MR damper）具有响应快、阻尼力可调范围宽和良好的失效安全性能，适用于抑制农业机械的低频、大振幅和随机振动。现有研究主要集中于传统裸喷杆或常规宽幅喷雾机的被动悬架参数优化、主动液压调平或喷杆仿形控制，但针对大豆-玉米带状间作屏蔽罩喷雾机，屏蔽罩作为刚性附加质量改变了喷杆系统的质量分布、质心位置和惯性特性，使得喷杆更易在低频随机田间激励下发生大幅垂直振动和侧倾姿态变化，且屏蔽罩离地间隙的波动进一步增加了屏蔽罩触地、机械损伤作物和施药不均匀的风险。因此，不能简单移植传统喷杆的主动调平方法，必须针对屏蔽罩喷杆结构的特殊动力学特性，设计和验证专用的半主动减振控制系统。
**关键技术方法（不超过250字）**
研究人员采用以下主要技术方法开展研究：第一，建立喷杆等效力学模型和有限元模型，基于欧拉-伯努利梁理论和集中质量法，分析屏蔽罩附加质量对喷杆静力学、模态和瞬态响应的影响。第二，基于Bouc–Wen模型描述磁流变阻尼器的非线性迟滞特性，通过余弦定理推导阻尼器行程（80–110 mm），并根据力矩平衡和动态载荷放大系数确定压缩行程最大阻尼力（1.15 kN）和回弹行程最大阻尼力（3.44 kN）。第三，开发以LK3U-14MT PLC为核心控制器的半主动减振系统，集成超声波传感器（UBX400-GM30-DI-H5，测量范围200–4000 mm）和倾角传感器（JXBS-3001-QJ，双轴±90°，精度±0.01°），采用PID控制算法，基于复合位移误差反馈调节阻尼器电流。第四，通过仿真分析、自由振动衰减试验、田间越障试验（在江苏大学平坦广场进行，32.21° N, 119.52° E）和田间作业试验（在中国徐州大豆-玉米带状间作核心示范基地进行，34.22° N, 117.07° E）验证系统性能。
**研究结果**
**3.1. 磁流变阻尼器影响因素仿真分析**
基于C50-117E阻尼器恒速静力试验数据建立Bouc–Wen模型，并进行参数识别和模型验证。在固定频率5 Hz、位移幅值20、30、40 mm以及电流0、1、2、3 A条件下，获取力-位移和力-速度迟滞曲线。结果表明：阻尼器耗散能量随激励幅值增大而显著增加，且随电流增大而整体上移，显示磁流变效应可可控增强耗能能力。最大阻尼力随电流和幅值增大而增大，表明阻尼器具有良好的机电耦合特性。等效阻尼系数随电流增大而增大，但在相同电流下随幅值增大而减小，体现幅值依赖性。
**3.2. 减振衰减试验**
对喷杆末端施加500 mm垂直初始位移，在1、1.5、2、2.5、3 A五组初始电流下记录自由振动衰减曲线。结果表明：随电流增大，喷杆末端振幅衰减加快，等效衰减率从11.3 mm/s（1 A）增至18.9 mm/s（3 A），最大振幅从431.1 mm（1 A）降至344.9 mm（3 A），验证了半主动系统在不同阻尼状态下的减振能力。
**3.3. 田间越障试验**
在江苏大学平坦广场进行，设置行驶速度3、4、5 km/h，减速带高度5、6、7 cm，以及是否启用减振系统为变量。结果表明：在低速和中障碍高度下减振效果最显著，如3 km/h过5 cm减速带时，最大振幅从314.8 mm降至202.7 mm（降幅35.6%），最大倾角从4.99°降至2.90°（降幅41.9%）。在高速和高等障碍激励下，减振幅度减小，但仍能提供基本缓冲和抑制（如5 km/h过7 cm减速带时，振幅降幅8.0%，倾角降幅13.6%）。系统在中低强度冲击下表现出优异的能量耗散和姿态稳定性能。
**3.4. 田间试验**
在徐州大豆-玉米带状间作基地进行，选择50 m连续试验段，设置行驶速度3、4、5 km/h和是否启用减振系统。结果表明：启用半主动减振系统后，在3 km/h时最大振幅从217.6 mm降至123.9 mm（降幅43.1%），最大倾角从2.29°降至2.01°（降幅12.2%）；4 km/h时振幅从262.5 mm降至164.3 mm（降幅37.4%），倾角从3.95°降至2.38°（降幅39.7%）；5 km/h时振幅从334.0 mm降至238.6 mm（降幅28.6%），倾角从7.82°降至3.47°（降幅55.6%）。系统在整个测试速度范围内有效适应复杂地面激励，显著减弱垂直振动能量，并大幅提高喷杆在高强度激励下的抗侧倾能力。
**总结与讨论**
研究结论部分指出：针对屏蔽罩喷雾机因安装防飘移屏蔽罩导致喷杆质量和惯性增大、田间作业振动加剧的问题，本研究设计了基于磁流变阻尼器的半主动喷杆减振系统。通过喷杆等效建模、磁流变阻尼器选型和基于PLC的控制系统设计，结合仿真分析和多工况试验，系统验证了所提方法在抑制喷杆振动和改善姿态稳定性方面的有效性。主要结论如下：
（1）针对大豆-玉米带状间作屏蔽罩喷雾机，建立了考虑附加质量和刚度变化的喷杆等效力学模型。有限元分析揭示了多源耦合激励下喷杆末端位移和应力的非线性响应特性，明确了结构低阶固有频率（高于4.79 Hz）与主导低频道路激励频带（≤3.96 Hz）的分离关系，为减振设计提供了理论依据。
（2）基于Bouc–Wen模型完成了磁流变阻尼器的非线性特性分析和参数辨识，确定所需行程范围为80–110 mm，力边界为压缩行程最大压缩力约1.15 kN和回弹行程最大拉伸力约3.44 kN，据此选型C50-117E阻尼器。仿真结果表明，电流从1 A增至3 A时，喷杆末端最大振幅从431.1 mm降至344.9 mm，等效衰减率从11.3 mm/s增至18.9 mm/s。
（3）开发了基于磁流变阻尼器的屏蔽罩喷杆半主动减振系统，并通过仿真分析、自由振动衰减试验、田间越障试验和田间作业试验验证了其减振性能。结果表明，在典型田间作业速度3–5 km/h下，喷杆末端最大垂直振幅分别降低43.1%、37.4%和28.6%，最大倾角分别降低12.2%、39.7%和55.6%。所提出的喷杆半主动减振系统能够改善喷杆的姿态稳定性和抗侧倾能力，为提升带状间作条件下喷雾作业安全性提供了实际应用价值。
