樊桂菊，王永振，仉 利，楊慶璐，張曉輝，王 勇

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；3.山東華興機(jī)械股份有限公司，山東 濱州 256500)

0 引言

在現(xiàn)行果園種植模式下，由于不同區(qū)域之間、同一區(qū)域不同地塊之間，以及同一地塊不同果園之間存在種植密度、行距、品種特性的變化[1-3]，特別是行距的多樣性成為影響果樹(shù)植保作業(yè)的主要因素。在現(xiàn)代化的果樹(shù)生產(chǎn)中廣泛采用的噴霧方式，在我國(guó)大部分地區(qū)的傳統(tǒng)果園中的應(yīng)用極大地受到果樹(shù)農(nóng)藝栽培技術(shù)的制約[4-5]。

我國(guó)目前從事風(fēng)送式噴霧機(jī)的研究和生產(chǎn)的單位很多，按動(dòng)力類型分為車載式、自走式及牽引式等幾種形式，按噴射距離又分為遠(yuǎn)程和近程，按控制方式分為手動(dòng)和遙控等方式[6]。其中，以車載式遠(yuǎn)程風(fēng)送式噴霧為主，主要是應(yīng)用在市政和道路兩側(cè)植被樹(shù)木的病蟲害防治，其它用于果園植保的機(jī)械主要是用戶自己在農(nóng)用三輪車等運(yùn)輸車輛上自行改裝的簡(jiǎn)易噴霧裝置[7-8]，而對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)種植的果園或者葡萄園等應(yīng)用的植保機(jī)械相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)和規(guī)模生產(chǎn)投資力度小、使用的機(jī)具可靠性較低、生產(chǎn)質(zhì)量難以得到保證[9-10]。

為此，在充分調(diào)研市場(chǎng)的基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)了HX300F-240履帶風(fēng)送式噴霧機(jī)，該機(jī)設(shè)計(jì)科學(xué)、結(jié)構(gòu)新穎、操作方便、使用安全可靠、工作高效快捷，適合不同種植行距的果園植保作業(yè)及當(dāng)前果園植保應(yīng)用的發(fā)展方向。該機(jī)有效減少了動(dòng)力消耗，節(jié)省了勞動(dòng)力，提高了噴藥過(guò)程中的噴施效果，減少了噴藥量，提高了果樹(shù)產(chǎn)量，是一種新型的高效果園植保機(jī)械。

1 噴霧機(jī)總體構(gòu)成及工作原理

履帶風(fēng)送式噴霧機(jī)由機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)、行走裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.操縱臺(tái) 2.發(fā)動(dòng)機(jī) 3.隔膜泵 4.藥箱 5.噴頭 6.噴頭支撐桿 7.風(fēng)機(jī) 8.底盤 9.履帶 10.換向器 11.驅(qū)動(dòng)輪 12.離合器手柄圖1 履帶噴霧機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the tracked sprayer

機(jī)架作為整個(gè)支撐機(jī)構(gòu)，下與履帶底盤連接，上與傳動(dòng)系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)等連接；行走裝置包括履帶、驅(qū)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向輪和托鏈輪等，風(fēng)動(dòng)系統(tǒng)包括離心式風(fēng)機(jī)、導(dǎo)風(fēng)板等，噴霧系統(tǒng)包括藥箱、隔膜泵及噴頭等。

履帶風(fēng)送式噴霧機(jī)以噴霧系統(tǒng)作為一次霧化，以風(fēng)送系統(tǒng)作為二次霧化。噴霧系統(tǒng)由隔膜泵作為動(dòng)力源，抽取藥箱的藥液，通過(guò)輸液管將藥液送到各個(gè)噴頭，實(shí)現(xiàn)一次霧化；風(fēng)送系統(tǒng)由離心式風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力源，產(chǎn)生的高壓氣流通過(guò)導(dǎo)風(fēng)板對(duì)霧滴進(jìn)行二次霧化，由原來(lái)的噴霧變成彌霧，增加了農(nóng)藥附著率，達(dá)到防病治蟲的效果。該噴霧系統(tǒng)采用圓錐霧噴頭，霧化效果好，果樹(shù)冠層葉面附著率高，且通過(guò)增加兩側(cè)雙噴桿進(jìn)行噴霧，可實(shí)現(xiàn)雙側(cè)扇形噴頭單獨(dú)控制，針對(duì)不同靶標(biāo)開(kāi)啟單側(cè)或雙側(cè)噴霧，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)靶控制。

2 總布局及關(guān)鍵零部件的選擇設(shè)計(jì)

該機(jī)采用多功能田園管理機(jī)改裝底盤，底部通過(guò)前后一體整體結(jié)構(gòu)式機(jī)架和驅(qū)動(dòng)裝置、離合裝置、變速裝置、行走裝置、噴霧裝置、風(fēng)機(jī)部件，以及藥箱、管路等連接；驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)一路離合裝置傳遞動(dòng)力至變速箱，經(jīng)齒輪系統(tǒng)減速通過(guò)差速器將行走動(dòng)力傳遞給履帶行走裝置；驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)還經(jīng)過(guò)一路鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)噴霧裝置的隔膜泵運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)輸出一路動(dòng)力，經(jīng)過(guò)離合器傳動(dòng)給減速換向箱，再經(jīng)過(guò)傳動(dòng)軸將動(dòng)力向機(jī)器后部傳遞，最終通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)工作。

2.1 動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)和選型

果園大多分布在丘陵山區(qū)，而目前噴霧機(jī)仍以牽引式為主，通過(guò)性不強(qiáng)，針對(duì)此現(xiàn)狀設(shè)計(jì)為履帶自走式噴霧機(jī)。該機(jī)具有接地面積大，傾翻穩(wěn)定性好，通過(guò)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

因此，根據(jù)樣機(jī)總體設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)準(zhǔn)則，以噴霧機(jī)滿載時(shí)機(jī)質(zhì)量900kg為總重力，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)為機(jī)重的0.6～0.7倍，取0.7，可計(jì)算出履帶式噴霧機(jī)驅(qū)動(dòng)力為5 400N。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為

(1)

發(fā)動(dòng)機(jī)功率計(jì)算公式為

(2)

其中，T為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；Fq為履帶行走驅(qū)動(dòng)力；r為驅(qū)動(dòng)輪半徑；η為機(jī)械效率；i1為變速箱傳動(dòng)比；i2為最終傳動(dòng)比；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

選用離心式風(fēng)機(jī)功率為3 kW，隔膜泵功率為4.2 kW，加上功率損耗，得出系統(tǒng)總功率消耗為

N=Ndp+Nfj+Nb+Ngh=12.2kW

(3)

其中，Ndp為履帶行走功率消耗；Nfj為風(fēng)機(jī)功率消耗；Nb為隔膜泵功率消耗；Ngh為功率損耗。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)是動(dòng)力系統(tǒng)與行走系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)的連接紐帶，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、帶輪、減速箱、傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器和張緊輪等組成。

根據(jù)作業(yè)需求，傳動(dòng)系統(tǒng)主要分為3路：一是發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)支架連接到底盤的整體式機(jī)架上，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)帶輪通過(guò)2根A型張緊式離合帶傳到主傳動(dòng)減速箱的輸入軸帶輪上，然后經(jīng)過(guò)傳動(dòng)箱體內(nèi)部的全齒輪傳動(dòng)和變速系統(tǒng)進(jìn)行減速換向等傳遞給主變速箱輸出軸。輸出系統(tǒng)采用的是差速傳動(dòng)輸出，兩個(gè)半軸可分別傳遞動(dòng)力并且可以保證差速傳動(dòng)，經(jīng)過(guò)安裝有剎車裝置的聯(lián)軸器將動(dòng)力分別傳遞給兩側(cè)履帶行走裝置的驅(qū)動(dòng)輪。二是風(fēng)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶輪，再通過(guò)2根A型帶和張緊裝置組成的離合器傳遞給換向減速箱體，然后通過(guò)車架底部的長(zhǎng)軸將動(dòng)力傳遞到整機(jī)后部，最后通過(guò)帶傳動(dòng)系統(tǒng)將速度進(jìn)一步提高后帶動(dòng)風(fēng)機(jī)中心軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)。三是隔膜泵動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng),經(jīng)過(guò)主變速箱的輸入軸另一端經(jīng)鏈條傳動(dòng)傳遞給噴藥泵。

2.3 噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

履帶噴霧機(jī)噴霧系統(tǒng)由藥箱、總開(kāi)關(guān)、過(guò)濾器、隔膜泵、壓力調(diào)節(jié)閥、分配器和噴頭等組成，如圖2所示。

圖2 噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Spray system design diagram

隔膜泵通過(guò)鏈輪獲取發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，隔膜泵從藥箱中抽取藥液分成兩路，一路通過(guò)輸液管到達(dá)噴頭完成噴霧作業(yè)，另一路經(jīng)回液管流回藥箱，對(duì)藥箱內(nèi)的溶液進(jìn)行攪拌，保證藥液混合均勻。

2.4 風(fēng)機(jī)的選擇

風(fēng)機(jī)對(duì)于履帶風(fēng)送式噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，直接影響霧滴二次霧化的效果。目前，果園噴霧機(jī)大多利用軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)力大，對(duì)霧滴附著率有一定影響，導(dǎo)致附著不均勻，噴霧效果不理想，近處可能導(dǎo)致藥滴反彈，遠(yuǎn)處可能無(wú)法附著，造成農(nóng)藥浪費(fèi)，污染環(huán)境[11-13]。為解決以上問(wèn)題，本設(shè)計(jì)利用噴藥泵通過(guò)管路從安置在機(jī)架中間的容積為200L的不銹鋼藥液箱吸取藥液，從隔膜泵的輸出端輸出具有一定壓力的藥液，加注到藥液分配器，然后經(jīng)分配器的多路輸出端分別流向風(fēng)送式噴頭或噴桿端噴頭，當(dāng)幾個(gè)輸出端不需要噴霧時(shí)，藥液經(jīng)安全閥端流回藥箱，減少了藥液浪費(fèi)及環(huán)境污染。

2.4.1 風(fēng)量的確定

根據(jù)幾何運(yùn)動(dòng)模擬及現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算初步確定風(fēng)機(jī)圓形風(fēng)道直徑為φ550mm，額定轉(zhuǎn)速為3 000r/min，風(fēng)送式噴霧機(jī)中風(fēng)量的確定通常采用置換原則和末速度原則。噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)，風(fēng)筒吹出的風(fēng)量應(yīng)為氣體體積再乘上一個(gè)系數(shù)K，即

Q=HLV0K

(4)

其中，Q為風(fēng)量(m3/s)；H為噴頭到植株近端距離(m)；L為噴幅(m)；V0為噴霧機(jī)行進(jìn)速度(m/s)；K為考慮到風(fēng)量損失而設(shè)定的系數(shù)，K=1.2～1.5。

根據(jù)實(shí)際調(diào)查獲得，取H=0.5m。設(shè)單個(gè)噴頭的噴幅為0.5 m，則L=3m。根據(jù)以上計(jì)算知Vmax=0.47m/s，取V=0.45m/s，K=1.5，則Q=3 645m3/h。

2.4.2 風(fēng)機(jī)風(fēng)速V1和植株端風(fēng)速V2

根據(jù)理論風(fēng)機(jī)風(fēng)速V1=Q/F1=1.01/πR2=4.26m/s確定了風(fēng)量Q以后，還與氣流到達(dá)作物時(shí)的風(fēng)速V2有關(guān)。若V2過(guò)小，氣流失去翻動(dòng)枝葉的能力；若V2過(guò)大，則氣流直接穿透植株，造成霧滴漂移，浪費(fèi)農(nóng)藥污染環(huán)境。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)可得，V2應(yīng)根據(jù)作物的密集程度選擇不同的風(fēng)速。假設(shè)履帶式噴霧機(jī)單位時(shí)間內(nèi)行走距離為B，導(dǎo)風(fēng)板出口風(fēng)速為V1，則經(jīng)過(guò)作物近端平面的風(fēng)量應(yīng)等于導(dǎo)風(fēng)板出風(fēng)口風(fēng)量再乘上一個(gè)系數(shù)K。即

Q=LBV2=F1V1K

(5)

其中，V2=F1V1K/LB,又知L=3 m，B=0.45m/s，

則滿足條件的最小V2=2.68m/s。

所以，到達(dá)植株端的風(fēng)速V2為2.68m/s，接近3級(jí)風(fēng)速，可使枝葉搖擺適合接受噴霧符合設(shè)計(jì)要求。綜上所述，設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸、工作參數(shù)及所選用設(shè)計(jì)的各系統(tǒng)符合設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用要求。

3 試驗(yàn)與分析

依據(jù)GB/T17997-2008《農(nóng)藥噴霧機(jī)(器)田間操作規(guī)程及噴灑質(zhì)量評(píng)定》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)履帶風(fēng)送式噴霧機(jī)進(jìn)行了噴霧量測(cè)定[14-15]。樣機(jī)如圖3所示。

圖3 履帶風(fēng)送式噴霧機(jī)Fig.3 Caterpillar air-assisted orchard sprayer

試驗(yàn)介質(zhì)為清水。試驗(yàn)用液體的溫度和試驗(yàn)地點(diǎn)的氣溫為16℃，噴頭出風(fēng)口風(fēng)速設(shè)計(jì)為21m/s，在出風(fēng)口20cm出風(fēng)速為10m/s，自然風(fēng)速小于1 m/s。

試驗(yàn)用液體選用不含雜質(zhì)的清水，啟動(dòng)履帶風(fēng)送式噴霧機(jī)，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)旋鈕和壓力表，調(diào)整噴霧系統(tǒng)壓力分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7MPa；打開(kāi)噴霧系統(tǒng)，開(kāi)始噴霧。利用秒表計(jì)時(shí)60s，收集各個(gè)噴頭噴出的液體，試驗(yàn)重復(fù)10次，將收集的液體用電子秤稱量各個(gè)噴頭噴出的液體質(zhì)量并做好記錄。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出：隨著壓力的上升，噴頭噴霧量有所提高，但是變化幅度不大，各噴頭噴霧量總體恒定，變異系數(shù)均小于5%。

表1 不同壓力下噴頭噴霧量

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

1)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用立體式全方位噴霧，避免了單機(jī)多次進(jìn)地；履帶結(jié)構(gòu)避免了壓實(shí)土地的缺陷，同時(shí)適應(yīng)果園坡地起伏不平的狀況，通過(guò)性好，也減少了輪式行走可能存在的趴窩等動(dòng)力消耗過(guò)大情況；在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了輕型化和合理化設(shè)計(jì)，使噴霧機(jī)的整機(jī)能效比達(dá)到了較高的水平。主要通過(guò)各機(jī)構(gòu)布置合理、各零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理兩方面來(lái)降低機(jī)器質(zhì)量和成本，同時(shí)又考慮到適應(yīng)行距的作業(yè)允許空間。

2)整機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)。對(duì)各傳動(dòng)連接軸、各傳動(dòng)連接件、各支架和底盤及零件機(jī)構(gòu)進(jìn)行了變形設(shè)計(jì)及增加了強(qiáng)度；

3)操控機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用遠(yuǎn)離噴霧端且中間布置駕駛位及主離合器操縱手柄、變檔手柄、油門控制手柄、轉(zhuǎn)向操縱手柄、風(fēng)機(jī)離合手柄和布置在噴藥機(jī)一側(cè)的多路分配器相應(yīng)手柄，所有手柄都在駕駛員手臂可操縱范圍內(nèi)。另外，配有輔助式高度、傾斜角度可調(diào)式座椅，方便控制調(diào)節(jié)。

4)噴霧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。將藥泵、藥箱、管路、風(fēng)機(jī)及噴桿等在機(jī)架上的位置進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，又方便操作。藥泵排量預(yù)留較大空間，以方便后期可更換較大流量噴頭或增加噴頭數(shù)量；藥箱容積設(shè)計(jì)盡可能在有限空間最大化，對(duì)風(fēng)送式彌霧噴頭和兩側(cè)噴桿單獨(dú)設(shè)計(jì)管路和開(kāi)關(guān)，提高機(jī)器效率，減少藥液浪費(fèi)；彌霧噴頭均可調(diào)向，噴桿可上下左右和角度調(diào)整。風(fēng)機(jī)選用風(fēng)量大的多扇葉風(fēng)扇，控制轉(zhuǎn)速使風(fēng)機(jī)生成小于35m/s的風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速，形成梯度氣流使枝葉扭轉(zhuǎn)與退讓，可使霧滴的穿透性和樹(shù)內(nèi)沉積量增加，提高了作業(yè)質(zhì)量和機(jī)組生產(chǎn)率。

5)履帶行走及控制裝置設(shè)計(jì)。履帶在通過(guò)性和自重方面進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，并采用差速轉(zhuǎn)向和手動(dòng)剎車設(shè)計(jì)，行走速度匹配果園噴霧需要的基礎(chǔ)上配套發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱體檔位，考慮雙向行走均衡，較窄履帶寬度適應(yīng)整機(jī)結(jié)構(gòu)和果園較窄空間的通過(guò)性要求。

6)整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。充分考慮最大動(dòng)力需求，合理配比各部件利用度，保證行走平穩(wěn)、噴霧高效，最大利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率并保證安全系數(shù)。

4.2 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種距離可調(diào)和方向可控的定向?qū)Π袊婌F機(jī)。根據(jù)果樹(shù)高度和樹(shù)冠大小，調(diào)節(jié)噴頭位置和噴施方向，利用離心式風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)陣列式送風(fēng)對(duì)霧滴進(jìn)行二次霧化。根據(jù)噴施要求控制噴頭開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同靶標(biāo)精確對(duì)靶，減少農(nóng)藥使用量和環(huán)境污染，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。通過(guò)噴霧量測(cè)定，各個(gè)噴頭噴霧量變異系數(shù)均小于5%，符合設(shè)計(jì)要求。

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AbstractID:1003-188X(2018)05-0117-EA