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        風(fēng)幕式高地隙噴桿噴霧機(jī)研究與設(shè)計(jì)

        2018-07-03 08:29:56吳彥強(qiáng)林立恒侯加林劉雪美劉向峰
        農(nóng)機(jī)化研究 2018年7期
        關(guān)鍵詞:噴桿噴霧機(jī)藥箱

        吳彥強(qiáng),林立恒,侯加林,苑 進(jìn),劉雪美,劉向峰

        (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.山東華盛農(nóng)業(yè)藥械有限責(zé)任公司,山東 臨沂 276017)

        0 引言

        玉米是我國重要的糧食作物,2016年全國種植總面積約3 717萬hm2。玉米生長中后期植株高大、枝葉交叉造成田間郁閉,常規(guī)植保機(jī)具存在底盤較低無法進(jìn)地、霧滴飄失及在玉米冠層沉積不均勻等問題,從而使病蟲害加劇,玉米產(chǎn)量與質(zhì)量下降,影響農(nóng)戶收入與國家糧食安全[1-2]。為了解決玉米生長中后期病蟲害防治問題,王波等[3]結(jié)合吊桿噴霧裝置與橫噴桿設(shè)計(jì)了門式噴霧系統(tǒng),提高了霧滴在玉米不同冠層高度的沉積量及沉積均勻性。范國強(qiáng)等[4]設(shè)計(jì)了可配套噴霧裝置的四輪菱形布置農(nóng)用高地隙作業(yè)機(jī)。秦維彩等[5]研究了無人直升機(jī)作業(yè)高度和噴幅等作業(yè)參數(shù)對霧滴在玉米中后期植株上沉積量和分布均勻性的影響。

        氣流輔助式防飄噴霧技術(shù)能夠有效防止霧滴飄移,改善霧滴在玉米冠層沉積分布,提高農(nóng)藥利用率,減少農(nóng)藥霧滴對非靶標(biāo)區(qū)域的污染[6-9]。嚴(yán)荷榮等[10]研制了風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī),通過性能試驗(yàn)和田間試驗(yàn)證明風(fēng)幕系統(tǒng)具有很好的防飄效果。楊學(xué)軍等[11]針對經(jīng)濟(jì)作物如棉花、大豆等中后期病蟲害防治研制了自走式高地隙風(fēng)幕噴桿噴霧機(jī)。張鐵等[12]對超高地隙風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)并分析了相關(guān)參數(shù)對霧滴沉積量、沉積量均勻程度及飄移率的影響。王俊等[13]利用3WQ-3000型牽引式風(fēng)幕噴桿噴霧機(jī)進(jìn)行玉米田間試驗(yàn),研究了風(fēng)幕式氣流輔助噴霧系統(tǒng)搭配不同類型噴頭對霧滴沉積與覆蓋規(guī)律、農(nóng)藥利用率和地面流失率的影響。劉雪美等[14-15]研制了3MQ-600型導(dǎo)流式氣流輔助噴桿彌霧機(jī)并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)具的減飄及霧滴沉積性能。

        上述研究為本文提供了參考,但存在田間通過性、施藥安全性較差及施藥效率較低等問題。隨著農(nóng)村土地規(guī)模化經(jīng)營步伐的加快,現(xiàn)代玉米全程機(jī)械化植保作業(yè)環(huán)節(jié)對大型、高效、安全農(nóng)機(jī)具的要求也在不斷提高。為此,本文針對玉米植保作業(yè)研制了高地隙底盤與風(fēng)幕式防飄技術(shù)相結(jié)合的大型風(fēng)幕式高地隙噴桿噴霧機(jī),并對其噴霧作業(yè)效果進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。

        1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

        1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

        風(fēng)幕式高地隙噴桿噴霧機(jī)主要由駕駛室組件、高地隙靜液壓底盤、噴桿架組件、噴霧系統(tǒng)和風(fēng)幕系統(tǒng)等組成,如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。其中,藥箱分置于機(jī)器兩側(cè),通過提高兩側(cè)機(jī)架高度和采用大直徑車輪來提升底盤離地間隙。整高地隙靜液壓底盤主要由發(fā)動機(jī)組件、龍門式機(jī)架、行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成。

        (a) 整體圖

        (b) 左視圖

        參數(shù)數(shù)值外形尺寸/mm8600×2900×4100結(jié)構(gòu)質(zhì)量/kg9300配套動力/kW113驅(qū)動方式四輪驅(qū)動/二輪、四輪、蟹型轉(zhuǎn)向輪距/mm2280~3300軸距/mm2400駕駛室高度/mm500~3000作業(yè)幅寬/mm24000噴霧高度/mm500~3000

        續(xù)表1

        1.2 工作原理

        如圖2所示:噴霧機(jī)工作時,發(fā)動機(jī)動力帶動3組液壓泵工作,分別為行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輪邊馬達(dá)和轉(zhuǎn)向油缸、噴霧系統(tǒng)的主藥泵和攪拌泵馬達(dá)、風(fēng)幕系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)馬達(dá)、駕駛室升降油缸、噴桿架組件的升降油缸、噴桿架組件的折疊展開油缸及調(diào)平油缸等工作部件提供動力。主藥泵從主藥箱中抽取藥液,加壓后一部分經(jīng)過噴霧壓力控制閥和噴霧開關(guān)電磁閥組輸送至五段噴桿上面噴嘴噴出;另一部分回流到主藥箱起回水?dāng)嚢枳饔茫瑑蓚€攪拌泵分別從一側(cè)藥箱中抽水加壓后經(jīng)管路送入另一側(cè)藥箱,對兩側(cè)藥箱藥液進(jìn)行射流攪拌。風(fēng)幕系統(tǒng)風(fēng)機(jī)馬達(dá)驅(qū)動風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高速氣流,經(jīng)風(fēng)筒及風(fēng)囊下方出風(fēng)孔吹出,形成一道風(fēng)幕,從而隔絕或減弱自然風(fēng)的影響,降低霧滴飄失,高速氣流還可以脅迫霧滴定向加速飛向靶標(biāo),增加了霧滴對植株冠層的穿透性[23-25]。

        2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

        2.1 龍門式機(jī)架的設(shè)計(jì)

        龍門式機(jī)架是風(fēng)幕式高地隙噴桿噴霧機(jī)高地隙靜液壓底盤關(guān)鍵部件之一,主要由發(fā)動機(jī)支架、左側(cè)和右側(cè)機(jī)架總成、前輪和后輪立柱、前后轉(zhuǎn)向油缸、前輪距和后輪距調(diào)節(jié)油缸等組成,如圖3所示。左右側(cè)機(jī)架總成分別安裝在發(fā)動機(jī)支架兩側(cè),左側(cè)機(jī)架總成與右側(cè)機(jī)架總成可以沿著發(fā)動機(jī)支架上的前輪距調(diào)節(jié)缸套和后輪距調(diào)節(jié)缸套左右伸縮來改變輪距,由前、后輪距調(diào)節(jié)油缸同步控制調(diào)節(jié)前、后輪輪距。駕駛室組件與噴桿架組件分別通過相應(yīng)平行四邊形升降機(jī)構(gòu)安裝在前掛架底座與后掛架底座上,駕駛室組件與噴桿架組件升降由各自液壓油缸控制,兩者升降高度在500~3 000mm可調(diào)。兩側(cè)機(jī)架下方中部,前輪立柱與后輪立柱之間安裝藥箱。整機(jī)工作時,玉米植株從機(jī)架中間經(jīng)過,減少了機(jī)器對玉米植株的損壞??紤]到所設(shè)計(jì)駕駛室寬度及我國北方地區(qū)玉米種植行距情況,同時兼顧其它大田作物(如小麥、棉花等)作業(yè),龍門式機(jī)架輪距調(diào)節(jié)范圍為2 280~3 300mm,最小離地間隙為2 400mm。

        圖2 風(fēng)幕式高地隙噴桿噴霧機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

        (a) 軸測圖 (b) 主視圖

        2.2 噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        噴霧系統(tǒng)主要包括主藥箱、輔藥箱、混藥器、主藥泵、攪拌泵、過濾器、安全閥、組合噴頭、噴霧智能控制器、流量傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、電控壓力閥、噴霧電磁閥組,以及管路等,噴霧系統(tǒng)管路連接如圖4所示。該噴霧系統(tǒng)可以完成由主藥泵向主藥箱和輔藥箱中加水、利用混藥器向主藥箱和輔藥箱加藥、主藥箱和輔藥箱中藥液的攪拌和混合,以及根據(jù)車速變化智能變量施藥等功能。整機(jī)噴桿段分5段,共有48個組合噴頭,每個組合噴頭可安裝3個噴嘴,組合噴頭安裝間距為0.5m,噴幅為24m。

        1.輔藥箱 2.混藥器 3.手動球閥Ⅰ 4.安全閥 5.流量傳感器 6.速度傳感器 7.電控壓力閥 8.三級過濾器 9.噴霧電磁閥組 10.噴桿段 11.組合噴頭 12.壓力傳感器 13.外部水源 14.主藥泵 15.二級過濾器 16.手動球閥Ⅱ 17.主藥箱 18.攪拌泵

        噴霧機(jī)工作時,首先控制手動球閥Ⅰ和Ⅱ向兩側(cè)藥箱中加水,然后按照農(nóng)藝要求將一定量的農(nóng)藥通過混藥器注入兩側(cè)藥箱進(jìn)行加藥與混藥;主藥泵從主藥箱中抽取藥液加壓后一部分經(jīng)安全閥、流量傳感器、電控壓力閥、噴霧電磁閥組等送達(dá)各噴桿段上的組合噴頭噴嘴噴出,另一部分經(jīng)安全閥回路、電控壓力閥回路及噴霧電磁閥組回路回流至主藥箱,對主藥箱進(jìn)行回水?dāng)嚢?。攪拌泵設(shè)有兩個,分別從一側(cè)藥箱抽取藥液加壓后注入另一側(cè)藥箱,對另一側(cè)藥箱藥液進(jìn)行射流攪拌。主藥泵及攪拌泵由相應(yīng)液壓馬達(dá)驅(qū)動,根據(jù)不同防治對象所選用的噴嘴類型和噴嘴數(shù)量且考慮到主藥箱回水?dāng)嚢?、向兩?cè)藥箱注水等功能,主藥泵選用AR-280BP隔膜泵(意大利艾熱公司),其最大流量為277.8L/min。根據(jù)藥箱射流攪拌流量為藥箱容量的0.1~0.2[16],單側(cè)藥箱容積為1 300L,因此攪拌泵選用AR-135BP隔膜泵(意大利艾熱公司),其最大流量為132L/min。為滿足智能變量施藥控制要求,本機(jī)選用了Teejet公司844-E智能噴霧控制器以及98600-C-433E噴霧控制單元,通過采集速度、壓力、流量傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后與設(shè)定的每公頃噴量進(jìn)行比較,根據(jù)車速的不同自動調(diào)整噴霧壓力,保證精量施藥。噴霧開關(guān)、噴霧量及噴霧壓力的設(shè)定均由其控制。

        藥泵液壓馬達(dá)選型計(jì)算如下:

        驅(qū)動藥泵所需扭矩為

        (1)

        式中Tm—藥泵馬達(dá)驅(qū)動扭矩(N·m);

        Pm—藥泵額定功率(kW);

        Nm—藥泵額定轉(zhuǎn)速(r/min)。

        藥泵馬達(dá)排量計(jì)算公式為

        (2)

        式中Vm—藥泵馬達(dá)排量(cm3/r);

        Δp—進(jìn)、出油口壓差(Pa);

        ηmm—液壓馬達(dá)機(jī)械效率,取0.95。

        主藥泵與攪拌泵額定功率分別為9.48、5kW,轉(zhuǎn)速皆為550r/min,液壓系統(tǒng)工作壓力取12MPa。主藥泵馬達(dá)及攪拌泵馬達(dá)回油口直接接回油箱,出口壓力為零,帶入式(1)和式(2)計(jì)算得主藥泵與攪拌泵馬達(dá)所需排量分別為90.89、47.93cm3/r。考慮動力儲備,主藥泵馬達(dá)選用1個BMSY100擺線馬達(dá),攪拌泵馬達(dá)選用2個BMP63擺線馬達(dá)。

        2.3 風(fēng)幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        風(fēng)幕系統(tǒng)主要包括軸流風(fēng)機(jī)、驅(qū)動馬達(dá)、風(fēng)筒與兩側(cè)風(fēng)囊等。參考現(xiàn)有風(fēng)幕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計(jì)了如圖5所示的風(fēng)幕系統(tǒng)。

        1.風(fēng)幕系統(tǒng)安裝底座 2.風(fēng)機(jī) 3.風(fēng)筒 4.風(fēng)囊

        其中,風(fēng)幕系統(tǒng)風(fēng)筒和風(fēng)囊下方設(shè)有一系列出風(fēng)孔,出風(fēng)孔為圓形,直徑為35mm,間隔60mm,共設(shè)404個。為減少風(fēng)量損失,保證各出風(fēng)孔風(fēng)速一致,采用收緊風(fēng)囊設(shè)計(jì)方式,風(fēng)囊與風(fēng)筒靠近一端為大端,風(fēng)囊尾端為小端,大端直徑為520mm,小端直徑300mm。在風(fēng)筒內(nèi)安裝有金屬液壓螺旋油管,利用高速氣流對液壓油進(jìn)行降溫。

        2.3.1 風(fēng)量的確定

        風(fēng)量是軸流風(fēng)機(jī)重要參數(shù)之一,風(fēng)量大小直接影響風(fēng)幕系統(tǒng)工作效果,同一時間段內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)該等于風(fēng)筒與風(fēng)囊下方出風(fēng)孔吹出的氣體總量,即

        Q=NπD2V/4

        (3)

        式中Q—軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量(m3/s);

        N—出風(fēng)孔數(shù)量;

        D—出風(fēng)孔直徑(m);

        V—出風(fēng)孔氣流速度(m/s)。

        帶入各參數(shù)數(shù)值,為保證風(fēng)幕系統(tǒng)具有良好的防飄效果,借鑒文獻(xiàn)[11],取V=20m/s,求得Q=7.77 m3/s。

        2.3.2 風(fēng)壓的確定

        風(fēng)機(jī)的全壓主要由動壓損失和靜壓損失組成,而靜壓損失又包括局部壓力損失和沿程壓力(摩擦壓力)損失。

        動壓損失為

        (4)

        式中PdF—風(fēng)機(jī)動壓損失(Pa);

        ρ—空氣密度(kg/m3);

        v—?dú)饬魉俣?m/s)。

        摩擦壓力損失為

        (5)

        式中Pm—風(fēng)機(jī)摩擦壓力損失(Pa);

        λ—?dú)饬髋c氣囊內(nèi)壁摩擦因數(shù),取0.1;

        R—輸送管道半徑(m);

        L—風(fēng)囊長度(m)。

        局部壓力損失為

        (6)

        式中Pj—風(fēng)機(jī)局部壓力損失(Pa);

        ζ—局部阻力系數(shù),取0.3。

        風(fēng)機(jī)全壓為

        PtF=PdF+Pm+Pj

        (7)

        式中PtF—風(fēng)機(jī)全壓(Pa)。

        各參數(shù)取值:ρ=1.29 kg/m3,v=30m/s,R=0.4m,L=24m,求得風(fēng)機(jī)全壓PtF=1 625.4Pa。

        2.3.3風(fēng)機(jī)軸功率

        風(fēng)機(jī)軸功率Psh計(jì)算式為

        (8)

        式中Psh—軸流風(fēng)機(jī)軸功率(kW);

        ηi—葉輪效率,取0.98;

        ηm—機(jī)械效率,取0.9。

        帶入各參數(shù)數(shù)值,計(jì)算得Psh=14.32kW。

        參考式(1)和式(2),計(jì)算得風(fēng)機(jī)驅(qū)動馬達(dá)排量37.66cm3/r,最終選用CMG2040齒輪馬達(dá)。

        3 性能試驗(yàn)

        為測試樣機(jī)額定工況下霧滴沉積性能及防飄性能,采用高度為2m的仿真玉米和水敏紙(瑞士先正達(dá)作物保護(hù)公司)進(jìn)行了霧滴沉積分布試驗(yàn)。試驗(yàn)時間為2016年10月,試驗(yàn)地點(diǎn)為山東華盛農(nóng)業(yè)藥械有限責(zé)任公司試驗(yàn)場,試驗(yàn)液體為常溫下不含固體懸浮物的清水,發(fā)動機(jī)為額定狀態(tài),試驗(yàn)地點(diǎn)氣溫20℃,相對濕度60%,自然風(fēng)速1~2m/s。試驗(yàn)步驟如下:

        1)因兩側(cè)噴桿性能一致,僅對左側(cè)噴桿進(jìn)行試驗(yàn),如圖6所示。在空地上沿與噴桿平行方向設(shè)置3個采樣區(qū)域,每兩個采樣區(qū)域間隔4m,每個采樣區(qū)域布置9棵仿真玉米,按照行距60cm、株距30cm布置3行3列,取每個采樣區(qū)域中間的仿真玉米為采樣植株,依次編號為A~C,試驗(yàn)前在采樣植株離地80、140、180cm左右的上、中和下層的葉子正、反面布置水敏紙。

        圖6 試驗(yàn)方案示意圖

        2)在距離采樣區(qū)域50m處啟動樣機(jī),調(diào)整噴霧壓力為0.4MPa,打開藥泵及噴頭(選擇Teejet公司XR110-03噴嘴),以6km/h的速度在有輔助氣流與無輔助氣流的情況下對采樣區(qū)進(jìn)行噴霧,待水敏紙晾干后立即收集并用自封袋密封,做好標(biāo)記,帶回實(shí)驗(yàn)室處理。

        3)將收集的水敏紙用掃描儀掃描為圖片后,利用DepositScan軟件對水敏紙分析,得到霧滴在仿真玉米冠層的覆蓋率并記錄。

        4)重復(fù)步驟2)及步驟3)3次并計(jì)算平均值,圖7為試驗(yàn)現(xiàn)場,結(jié)果如圖8所示。

        圖7 霧滴沉積分布試驗(yàn)現(xiàn)場

        (a) 葉片正面

        (b) 葉片反面

        由圖8可以看出:霧滴在仿真玉米上、中、下層覆蓋率依次降低,同一冠層高度下,葉片正面覆蓋率顯著高于葉片背面。有風(fēng)幕時,玉米整個冠層葉片正面和反面霧滴平均覆蓋率分別為59.17%和12.29%;無風(fēng)幕時,玉米整個冠層葉片正面和反面霧滴平均覆蓋率分別為43.02%和2.39%,無風(fēng)送情況下玉米葉片反面霧滴幾乎無法沉積。有風(fēng)送較無風(fēng)送霧滴在玉米整個冠層平均覆蓋率提高了57.37%,說明輔助氣流改善了霧滴在中、下層正反兩面的沉積效果,提高了霧滴在玉米冠層的穿透性,降低了霧滴飄移,從而提升了噴霧質(zhì)量。

        4 結(jié)論

        1)針對玉米中后期病蟲害防治難及普通噴桿噴霧機(jī)霧滴飄失嚴(yán)重等問題,設(shè)計(jì)了風(fēng)幕式高地隙噴桿噴霧機(jī)。該機(jī)采用了高地隙龍門式機(jī)架,輪距可調(diào),藥箱分布于整機(jī)兩側(cè),降低了整機(jī)重心,提高了機(jī)器的穩(wěn)定性;駕駛室與噴桿高度可調(diào),滿足了對不同高度作物和不同地勢的適用性;集成智能施藥噴霧控制系統(tǒng)、風(fēng)幕防飄移技術(shù),提高了施藥均勻性與霧滴穿透性,減少了霧滴飄失,降低了對環(huán)境的污染。

        2)性能試驗(yàn)表明:有風(fēng)幕時,玉米整個冠層葉片正面和反面霧滴平均覆蓋率分別為59.17%和12.29%;無風(fēng)幕時,玉米整個冠層葉片正面和反面霧滴平均覆蓋率分別為43.02%和2.39%,有風(fēng)送較無風(fēng)送霧滴在玉米整個冠層覆蓋率提高了57.37%。由此可見,風(fēng)幕系統(tǒng)對于增加霧滴在玉米冠層沉積及減少霧滴飄失作用明顯。

        參考文獻(xiàn):

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