梁澤芬，林小軍，王國宇，易湘斌

（1.蘭州工業(yè)學院 機電工程學院，甘肅 蘭州730050；2.蘭州市農(nóng)業(yè)技術推廣中心，甘肅 蘭州730030）

我國是農(nóng)業(yè)大國，尤其是西部地區(qū)，主要以農(nóng)業(yè)為主，近年來，雖然農(nóng)業(yè)機械化水平有所提高，但農(nóng)用噴霧器噴灑機械化水平明顯滯后[1-2]。目前我國大量使用的機械無論結構形式還是技術性能都很落后，導致耗水量大、防治效果不佳，農(nóng)藥用量大且利用率低，噴灑均勻度不高，給施藥者人身安全及農(nóng)產(chǎn)食品安全帶來威脅，因此，基于山地特征，以解決農(nóng)林果樹病蟲防治為出發(fā)點，研發(fā)適合于山區(qū)、坡地等復雜地形作業(yè)，并能推廣到各種地形作業(yè)的多功能一體化農(nóng)藥噴灑機械勢在必行[3-8]。

經(jīng)調(diào)查研究和實地考察，針對傳統(tǒng)粗放式施藥方式所導致的農(nóng)藥利用率低、殘留嚴重、土地污染嚴重以及山地施藥機械稀少等問題，研究了一款自走式農(nóng)用噴霧車。該農(nóng)用噴霧車主要由驅(qū)動系統(tǒng)、霧化裝置、曲柄搖桿機構、以及旋轉(zhuǎn)式前導輪機構組成，其結構三維造型如圖1所示。為能將藥液充分霧化后均勻地噴灑到蔬菜上，為該噴霧車設計一種噴頭轉(zhuǎn)向機構，配合噴頭及其他輔助機構完成農(nóng)藥噴灑，提高工作效率及使蔬菜充分的吸收藥份，即有效保證了噴灑區(qū)域又降低了對周圍環(huán)境的污染。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖1 噴霧車三維造型圖

1 工作原理

為了使藥液能夠充分的霧化，均勻的吸附到農(nóng)作物的表面，按照高壓空氣和低壓藥液相結合的原理對霧化系統(tǒng)進行設計，由空氣壓縮機提供足夠強度的壓縮空氣，經(jīng)高壓空氣與藥液混合后從特制的噴頭快速噴出；旋轉(zhuǎn)式前導輪機構和前導輪抬起機構的設計實現(xiàn)噴霧車在作業(yè)過程中換行問題和行間距的調(diào)節(jié)；噴頭轉(zhuǎn)向機構保證噴灑區(qū)域，使農(nóng)作物全方位受藥，噴頭轉(zhuǎn)向機構的關鍵部件包括曲柄、搖桿和噴頭手柄。

2 噴頭轉(zhuǎn)向機構的設計計算

噴頭轉(zhuǎn)向機構結構如圖2所示，曲柄25、搖桿11、連接螺栓、噴頭手柄12、噴霧頭13成為噴頭轉(zhuǎn)向機構主要組成部分；噴頭轉(zhuǎn)向機構的曲柄設置在減速箱18內(nèi)，搖桿11的一端連接曲柄，另一端從減速箱18伸出，并通過連桿銷分別連接噴頭手柄12，通過曲柄的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為搖桿做往復直線運動，從而實現(xiàn)噴頭手柄的旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)不同噴灑區(qū)域的覆蓋，同時，噴頭手柄12通過連接螺栓分別與噴霧頭13連接，噴霧頭經(jīng)輸水管與高壓空氣管連接藥箱。其工作原理為：為了限制噴頭手柄12的上下運動，利用定位銷28將其固定在前梁支架下，限制上下自由度；曲柄25的旋轉(zhuǎn)運動帶動搖桿11作往復直線運動，與搖桿11相連的連桿隨之開合，在連桿開合的運動下，噴頭手柄12繞定位銷28做水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，因此噴霧頭的自動搖臂機構可形成45°的扇形擺臂。擺臂半徑為300～700 mm，單頭有效噴射半徑為50～300 mm，可以充分覆蓋地膜面和整個作物行，從而保證噴灑區(qū)域。見圖3.

圖2 噴頭轉(zhuǎn)向機構

圖3 噴頭轉(zhuǎn)向的連桿

如圖 4所示，已知 CC′=AA′=DD″，OD 饒 O 點旋轉(zhuǎn)，所以當曲柄運動到C點時，推桿運動到A點，此時擺桿運動到B點，此時是一個極限值，同理，當推桿運動到A′時，擺桿運動到B″，這也是一個極限值，故點B″和B之間所掃過的范圍180°就是擺桿運動的角度。

圖4 噴頭轉(zhuǎn)向機構的角度分析

如圖4所示，根據(jù)計算得 AB=120 mm，AD=420 mm，CD=320 mm，BC ≤ CD+ （AD-AB），經(jīng)計算得BC≤620 mm，設計BC=620 mm.

上式中：∠B′BB″=180°，AB=120 mm，CD=320 mm

計算得∠C′CC″=68°

即噴頭噴灑的范圍是68°的扇形，故符合設計要求。

3 噴頭轉(zhuǎn)向連桿的優(yōu)化

連桿是噴頭轉(zhuǎn)向機構的主要受力部件，有限元法是一種比較高效的數(shù)值計算方法，故利用Solidworks軟件對連桿進行有限元分析得到的結構應力場和位移場可作為結構設計的原始判據(jù)或優(yōu)化改進的基礎，從而使機器達到正常工作的要求，如表1所示。

表1 噴頭工作工況

噴頭轉(zhuǎn)向的連桿采用AISI 1045鋼，通過Solidworks軟件對噴頭轉(zhuǎn)向連桿進行分析，噴頭轉(zhuǎn)向連桿的應力和變形云圖見圖5～圖7.由圖6可知，一級擺桿上存在應力集中現(xiàn)象較明顯，最大應力可達到17.68 MPa；由圖7可以看出，動力輸出桿的變形量大于一級擺桿，且最大位移量達到4.68 mm，小于許用值，由此可知連桿還可以通過調(diào)節(jié)長度尺寸參數(shù)進一步優(yōu)化。

圖5 連桿網(wǎng)格劃分

圖6 連桿應力云圖

圖7 連桿位移云圖

噴頭轉(zhuǎn)向動力輸出桿的原始長度為225 mm，一級擺桿（兩頭有孔）的原始長度為220 mm，通過調(diào)整動力輸出桿長度參數(shù)對其進行優(yōu)化，結果表明，動力輸出桿優(yōu)化后尺寸減小為215.7 mm，所能承受的應力減小為17.33 MPa，通過對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前的設計可以滿足要求，且能達到需要的結果。

4 結論

經(jīng)過設計及調(diào)試，該農(nóng)用噴霧車的噴頭轉(zhuǎn)向機構可實現(xiàn)調(diào)節(jié)行寬范圍為500～3 000 mm，單頭噴射角度為10°～60°，單頭有效噴射半徑為50～300 mm，擺臂半徑為300～700 mm，噴頭距地面高度為200～800 mm.因此，此噴霧車在田間可同時噴灑兩行作物，使農(nóng)作物全方位受藥，能夠噴灑低于1 m的農(nóng)作物，而噴灑范圍可適應市場上幾乎所有的地膜寬度。

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