自動調(diào)平噴桿式噴藥機設(shè)計與試驗研究

王佳文，楊自棟

(1.山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博　255049；2.浙江農(nóng)林大學 工程學院，杭州　311300)

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自動調(diào)平噴桿式噴藥機設(shè)計與試驗研究

王佳文1，楊自棟2

(1.山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博255049；2.浙江農(nóng)林大學 工程學院，杭州311300)

摘要：針對耕地存在緩坡起伏及不同農(nóng)作物具有不同的植株高度的特點，設(shè)計一套能夠自由調(diào)節(jié)噴桿高度的噴桿式噴藥機。該機噴桿始終保持與地面平行，使噴藥機在田間工作時能夠通過液壓系統(tǒng)進行自由提升，且在田間工作時可利用機械部件完成噴桿的調(diào)平工作。系統(tǒng)利用動滑輪和液壓系統(tǒng)完成噴桿的提升，利用彈簧和阻尼器完成噴桿的機械調(diào)平工作。該噴藥機對提高農(nóng)藥的利用率、降低農(nóng)作物生產(chǎn)成本都具有積極的推動作用。

關(guān)鍵詞：噴桿式噴藥機;提升機構(gòu)；調(diào)平機構(gòu)；液壓系統(tǒng)

0引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是人類生存的根本，人類生存離不開農(nóng)作物。然而，農(nóng)作物在生長發(fā)育過程中，經(jīng)常遭受到病菌、害蟲、雜草等生物的侵害，因此農(nóng)藥噴灑是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工程中必不可少的環(huán)節(jié)[1]。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進步和高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展，越來越多的農(nóng)業(yè)機械被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，以提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)效率和降低工作強度。農(nóng)藥噴灑機械的發(fā)展，根據(jù)各國情況的不同各有其特點: 日本地塊較小、經(jīng)營分散，故以發(fā)展小型機動式噴灑機械為主; 為提高生產(chǎn)效率，近年來開始發(fā)展較大型植保機械，如自走式機動噴粉噴霧彌霧機[2]。美國、加拿大等國，因其土地面積較大且比較平坦，故以發(fā)展拖拉機配套的懸掛式和牽引式大型噴灑機械為主[3]。我國多山地丘陵，而且種植的農(nóng)作物種類繁多，不同的作物植株以及同一種作物不同生長時期植株高度不同[4]，而且由于我國耕地大多地勢不平，在噴藥過程中，難免會產(chǎn)生噴桿的傾斜。為此，設(shè)計了一種可以自由調(diào)整噴桿高度及能夠?qū)崿F(xiàn)噴桿調(diào)平的噴藥機械來滿足我國的國情需求。

1整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.13WP-1200型噴桿噴霧機結(jié)構(gòu)簡圖

3WP-1200型噴桿噴霧機與大于等于73.5kW備有后置輸出軸、液壓泵的拖拉機配套懸掛作業(yè)，適用于大田農(nóng)作物如玉米、小麥、棉花、大豆及馬鈴薯等病蟲草害防治，可噴施化學藥劑及液態(tài)肥等。

3WP-1200-21噴桿式噴藥機總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該型號噴藥機主要由大架總成、升降總成、側(cè)臂總成及水路系統(tǒng)等部分組成。

1.機架　2.藥液箱　3.清水箱　4.液泵　5.加藥箱

主要技術(shù)參數(shù)：配套動力為73.5～132.3kW，噴灑幅寬20 720mm，噴霧系統(tǒng)工作壓力0.2～0.5MPa；液泵為BM380型隔膜泵，最高轉(zhuǎn)速為540r/min，最大流量為210L/min；動力輸出軸轉(zhuǎn)速為540r/min,作業(yè)幅寬21m，藥液箱額定容量1 200L；噴頭為間距500mm的42個110°扇形噴頭，兩側(cè)噴藥臂展開時整機外形尺寸(長×寬×高)為20 720mm×1 780mm×2 990mm。

3WP-1200型噴桿噴霧機已經(jīng)研制生產(chǎn)出樣機，如圖2所示。

圖2　噴桿式噴藥機

1.2工作原理及工作過程

本噴藥機采用三點懸掛的方式與拖拉機連接，拖拉機的液壓系統(tǒng)與噴藥機液壓系統(tǒng)通過快換接頭的方式進行連接。拖拉機正常工作時，拖拉機的液壓油通過快換接頭進入噴藥機液壓控制系統(tǒng)中，使噴藥臂逐級展開；同時拖拉機駕駛員可以通過調(diào)節(jié)拖拉機液壓油的輸入量來調(diào)節(jié)液壓油缸的行程來控制噴藥機升降總成在噴藥機大架滑槽里的滑動位置，以此來達到控制噴桿的高度的目的；并通過調(diào)節(jié)一級噴藥臂油缸的行程來控制噴桿的角度，能夠通過控制幾個油缸的行程實現(xiàn)噴桿高度和角度的自由調(diào)節(jié)。

拖拉機的動力傳出軸將動力傳遞給噴藥機底部的隔膜泵，隔膜泵將加藥箱中的液體農(nóng)藥及清水箱中的清水進行加壓之后送入藥液箱之中；農(nóng)藥和清水在藥液箱中進行充分混合攪拌形成藥液，對混合好的藥液進行加壓之后經(jīng)噴藥控制系統(tǒng)進入噴藥臂上的水管中，經(jīng)噴頭噴灑至農(nóng)作物的施藥部位上。

2主要工作部件設(shè)計

2.1升降總成設(shè)計

升降總成主要由升降油缸、鋼絲繩、平衡油缸、噴桿調(diào)平裝置、固定滑塊及噴桿大臂等部分組成，如圖3所示。

圖3　升降組成三維示意圖

升降總成通過拉簧與大架總成的鋼絲繩固定板相連，兩條鋼絲繩的一端固定在固定板上，另一端固定在升降總成的兩側(cè)上，兩條鋼絲繩各繞過兩側(cè)上下4個動滑輪；通過控制液壓控制系統(tǒng)的液壓油進出升降油缸來控制升降油缸的行程，鋼絲繩帶動動滑輪位置的改變，固定滑塊在大架總成的滑槽里上下自由滑動，以此提升或者降低噴藥桿。這樣就可以實現(xiàn)噴藥桿高度的自由調(diào)節(jié)，來滿足不同農(nóng)作物的噴藥工作。

2.2大架總成

大架總成主要由拉簧、鋼絲繩固定板、藥液箱固定架、懸掛架、滑槽、水路系統(tǒng)固定板、油管支架，以及噴藥臂折疊固定板等部分組成，如圖4所示。

圖4　大架總成三維示意圖

大架通過拉簧與鋼絲繩固定板進行連接，升降總成的滑塊根據(jù)油缸行程的改變，在鋼絲繩的作用下在大架總成的滑槽里上下自由滑動，以此來改變噴藥桿的高度，實現(xiàn)對不同農(nóng)作物的噴藥工作，如圖5所示。

圖5大架總成和升降總成結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.5Schematic diagram of frame assembly and lifting assembly

2.3噴桿調(diào)平機構(gòu)

噴桿調(diào)平機構(gòu)主要由平衡油缸、彈簧及空氣阻尼器等部分組成，如圖6所示。噴藥機開始工作時，需要檢查平衡油缸是否升起，若未升起則操縱液壓分配器的伸展桿加壓，使之升起。只有將平衡油缸升起后，兩側(cè)噴藥臂和大架產(chǎn)生的四桿機構(gòu)在平衡油缸的作用下才能達到平衡狀態(tài)而不產(chǎn)生晃動；同時只有當平衡油缸升起時，平衡阻尼器才會產(chǎn)生作用。調(diào)平機構(gòu)固定在升降總成的大架上，兩側(cè)噴桿則通過連桿與調(diào)平機構(gòu)連接，使之成為一個整體；當噴桿產(chǎn)生傾斜時，調(diào)平機構(gòu)產(chǎn)生作用。

圖6　調(diào)平機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

噴藥機在田間正常工作時，由于地面不平整，很容易導致拖拉機產(chǎn)生傾斜，進而導致噴桿產(chǎn)生傾斜，噴桿一側(cè)低于預定噴藥高度，另一側(cè)高于預定噴藥高度，導致藥液不能夠準確到達施藥部位。此時，彈簧會產(chǎn)生阻礙一側(cè)噴桿高度的提升，使之保持原有的噴藥高度不變。但彈簧又容易產(chǎn)生簡諧運動，使兩側(cè)噴桿始終在上下顫動，此時平衡阻尼器開始作用，使這種簡諧運動的幅度降低，最終歸于平衡。

2.4行走速度的設(shè)定

拖拉機的噴霧行走速度，應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)情況首先測定噴頭流量，但作業(yè)區(qū)域內(nèi)的土地平整狀況也是重要影響因素。一般噴霧速度在3～8km/h[5]。

先向藥液罐內(nèi)加入適量清水，給系統(tǒng)加壓，觀察霧化情況和壓力表，一般工作壓力在0.2～0.5MPa。此時，接取一個噴頭1min的噴量，可用稱重法確定噴量，乘以噴頭間距500mm便是全噴幅1min的實際噴量。此時的壓力指數(shù)及噴量是一項重要數(shù)據(jù)，可參考《作業(yè)速度計算公式》制定出機組行走速度。

ν=600Q/(A·B)

式中ν—作業(yè)速度(km/h)；

B—噴頭間距(m);

Q—單個噴頭的噴量(L/min)；

A—施藥量(L/hm2)。

改變行走速度、噴霧壓力、噴頭大小，均可使公頃施藥量改變，用戶可根據(jù)具體情況靈活掌握。更換噴頭時應(yīng)選用正規(guī)廠家的產(chǎn)品，以免造成損失。噴頭必須是同一廠家、統(tǒng)一型式、同一標號的噴頭，并在作業(yè)前實測其噴量，以確定單位面積的施藥量。

需要注意的是，拖拉機行走速度的改變是依靠檔位的更換，不可靠油門大小控制速度，油門應(yīng)保持恒定。

3作業(yè)過程中主要工作部件的使用和調(diào)整

3.1加水

石羊河流域生態(tài)恢復路徑?jīng)Q策及實施效果分析……………………………………………… 賈小明，張永明(5.36)

向藥液箱加水時，若有外動力水源，則直接從上加水口處加入；若無外動力水源，則用噴藥機自身獨立的加水系統(tǒng)將水打入藥液箱。具體操作如下：

1)將吸水帶一端與噴藥機加水口相連接(見圖7)，另一端與水源相連接，或?qū)⑽^放入水中，避開水草雜物確認吸水頭完全浸入水面以下；水淺應(yīng)適當改變浮球繩的長度，防止吸水頭沉入泥中，注意吸水管路中不能進氣。

2)將A閥門置于“加水”位置， B閥門置于“加水加藥”位置，啟動拖拉機轉(zhuǎn)動隔膜泵，向藥液箱加水。

圖7　加水配藥閥門結(jié)構(gòu)示意圖

3.2配藥溶藥

在向藥液箱加水的同時進行配藥溶藥。藥液箱加水的同時，將D閥門置于“加水”位置，向溶藥箱內(nèi)放入適量水，再將所需藥品倒入溶藥箱溶解，待藥液箱水加注至1/2左右，將A閥門和、E閥門(見圖7左下角)置于“加藥”位置，將所溶藥液吸入；待溶藥箱內(nèi)藥液吸凈后，再將A閥門置于“加水”位置，D閥門置于“藥瓶清洗”位置，將空藥瓶嘴向下套于箱內(nèi)的清洗噴頭上，輕輕向下按壓3～5s，對藥瓶進行清洗，減少殘液對環(huán)境的污染；再按上述操作往溶藥箱中加清水對箱壁進行清洗，最后將清洗的殘液按上述加藥操作吸入藥液箱。

3.3攪拌

觀察液位指針，待加注至所需容量后，先停泵，再將A、B閥門置于“噴藥”位置，C閥門置于“攪拌”位置。同時，可根據(jù)藥劑的不同選擇攪拌量大小，順時針旋轉(zhuǎn)閥門C手柄，攪拌量變大；反之，變小，起動液泵開始攪拌。一般，噴藥前攪拌量較大，噴藥中攪拌量較小。徹底和仔細地攪拌農(nóng)藥是噴霧機作業(yè)的重要步驟之一，攪拌不勻?qū)⒃斐墒┧幜坎痪鶆颍瑢τ诳蓾裥苑蹌┮活愞r(nóng)藥，要一直攪拌到一箱藥液噴完為止。

3.4噴藥

機組行至作業(yè)地點，確定作業(yè)路線時應(yīng)觀察有無障礙物，如樹木、電桿、溝坎等，作業(yè)區(qū)域的坡度情況也應(yīng)引起重視。在地邊空曠區(qū)域先將噴桿展開，調(diào)整噴桿高度，使噴頭距目標物的距離為500mm；再查看閥門A、 B、F是否處于“噴藥”位置，若F閥門置于“回流”位置，則藥液直接流回藥箱；最后根據(jù)作業(yè)情況依次打開噴桿分配器開關(guān)(見圖8)；拖拉機根據(jù)預定擋位、油門、勻速前進，此時根據(jù)噴桿分配器打開路數(shù)的不同，旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥H，使噴霧壓力達到預定值。順時針旋轉(zhuǎn)，壓力增大，噴藥量增大；反之，壓力減小，噴藥量減小。一般，噴藥量的大幅度調(diào)整時，調(diào)整閥門H，微量調(diào)整時，則調(diào)整閥門G；同樣順時針旋轉(zhuǎn)，噴藥量增大，逆時針旋轉(zhuǎn)，噴藥量減小。每個噴藥嘴的噴藥量則由其所在路的調(diào)壓閥單獨調(diào)整，使每一個噴藥嘴的噴藥量相同。

圖8　噴藥閥門示意圖

4田間試驗

4.1場地試驗

本文仿照 Jeon 等[6]的試驗方案，讓牽引噴藥機的拖拉機一側(cè)的前輪和后輪先后通過階躍實驗路面，以此進行場地試驗，來檢驗噴桿式噴霧機噴桿調(diào)平機構(gòu)的有效性[7]。試驗方案如圖9所示。

(a)噴桿噴霧機后視圖 (b)噴桿噴霧機左視圖

1.階躍路面2.噴桿噴霧機3.噴桿

圖9噴桿噴霧機系統(tǒng)階躍過程示意圖

Fig.9Process of boom sprayer across the step track

為模擬田間實際情況，將階躍試驗路面的高度設(shè)為 0.1m，拖拉機的行駛速度設(shè)為田間正常作業(yè)速度4.9km/h,分別將噴桿的作業(yè)高度設(shè)定為1 000、1 100、1 200mm。駕駛拖拉機，使其左側(cè)前、后輪相繼駛上實驗路面，記錄左右兩側(cè)噴桿最遠端的離地高度值,如表1所示[8]。

表1　場地試驗結(jié)果

由表1可知：在噴桿調(diào)平機構(gòu)的作用下，噴藥機在通過試驗路面時，兩側(cè)噴桿的離地高度相對于作業(yè)高度并未改變太多，在噴藥工作的允許范圍以內(nèi)。

4.2田間試驗

使用噴桿調(diào)平系統(tǒng)，在德州樂陵市天成工程機械有限公司試驗田進行田間試驗，結(jié)果如表2所示。試驗場地為存在緩坡起伏地勢，拖拉機作業(yè)速度設(shè)為田間正常作業(yè)速度4.9km/h[9]。

由表2可見：在噴桿調(diào)平機構(gòu)的作用下，噴藥機在通過緩坡起伏的田間時，兩側(cè)噴桿的離地高度雖有起伏但相對于作業(yè)高度并未改變太多，在噴藥工作的允許范圍以內(nèi)，并未影響機器的正常噴藥作業(yè)。

表2　田間試驗結(jié)果

5結(jié)論

本噴桿式噴藥機能夠針對不同的農(nóng)作物，在機器允許范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)噴藥高度來滿足不同農(nóng)作物的噴藥工作；同時，在噴桿調(diào)平機構(gòu)的作用下，噴桿在緩坡起伏的田間雖偶有晃動，但能夠很快恢復平衡，未發(fā)生分行器底部觸地現(xiàn)象。

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Design and Experimental Research on Automatic Levelling Boom Sprayer

Wang Jiawen1，Yang Zidong2

(1.School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049,China;2.School of Engineering, Zhe Jiang A&F University, Hangzhou 311300，China)

Abstract：For the characters of undulating gentle slope of arable land and the different height of different crops, we design this boom sprayer.The spray bar could remain parallel to the ground.The boom sprayer could lift freely within the allowable range through the hydraulic system.The boom sprayer also could complete the leveling work in the field.The spray bar is lifted by the hydraulic system and movable block.The spring and balancing dampers are used to complete the mechanical leveling work of spray bar.The boom sprayer plays a positive role in Improving the utilization of pesticides and reducing crop production costs.

Key words：boom sprayer; lifting mechanism; leveling mechanism; hydraulic system

文章編號：1003-188X(2016)07-0162-05

中圖分類號：S491

文獻標識碼：A

作者簡介：王佳文(1989-),男，山東威海人，碩士研究生，(E-mail)wangjiawen_cool@yeah.net。通訊作者：楊自棟(1970-)，男，甘肅張掖人，教授，博士生導師，(E-mail)yzd66@126.com。

基金項目：山東省技術(shù)創(chuàng)新項目(201430113002)

收稿日期：2015-07-22