森林病蟲害防治噴霧機(jī)藥箱配置及整機(jī)性能分析

雒鷹，陳玲，楊麗婕，劉冰，尹子康， 李繼平，崔鐵花，付曉霞

(1.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，長春 130033；2.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022)

森林病蟲害防治噴霧機(jī)藥箱配置及整機(jī)性能分析

雒鷹1，陳玲1，楊麗婕2，劉冰1，尹子康1， 李繼平1，崔鐵花1，付曉霞1

(1.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，長春 130033；2.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022)

針對6HW30和6HW-12A兩種型號森林病蟲害防治噴霧機(jī)藥箱總成配置對整機(jī)帶來的穩(wěn)定性問題和藥箱防銹蝕問題，課題組做了藥箱總體方案改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對噴霧機(jī)主機(jī)、6HW30、6HW-12A和6HW-12B型噴霧機(jī)進(jìn)行了縱向穩(wěn)定性計(jì)算分析。關(guān)于藥箱防銹蝕問題，本文通過對A3鋼、A3鋼涂刷防腐材料和不銹鋼進(jìn)行了試驗(yàn)對比，結(jié)果顯示：A3鋼不具備防腐性能，未經(jīng)處理不能做藥箱材料。A3鋼涂刷防腐材料，防腐性能只能維持2 a之久，之后便不具防腐性能。0Cr18Ni11Nb不銹鋼雖然藥箱成本會有所提高，但耐銹蝕性能較為理想。研究結(jié)果表明：6HW30、6HW-12A和6HW-12B三種型號噴霧機(jī)當(dāng)中，6HW-12B型森林病蟲害防治噴霧機(jī)無論在穩(wěn)定性方面還是耐銹蝕方面都優(yōu)于前兩者。

高射程；森林病蟲害；噴霧機(jī)；藥箱

0 引言

6HW系列噴霧機(jī)特指風(fēng)送高射程森林病蟲害防治噴霧機(jī)，是植物保護(hù)機(jī)械(簡稱植保機(jī)械)的一種[1]，目前，我國植保機(jī)械的發(fā)展和發(fā)達(dá)國家相比還存在著很大差距[2]，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：施藥技術(shù)落后，農(nóng)藥利用率低；機(jī)型單一，缺少專業(yè)化防治機(jī)械；風(fēng)機(jī)、噴頭、液泵和藥箱等關(guān)鍵零部件達(dá)不到理想的工作要求，仍需改進(jìn)和創(chuàng)新[3]。為了研發(fā)高效、低耗植保機(jī)械，國外早在20世紀(jì)40年代就開始研究采用風(fēng)送噴霧技術(shù)對林木進(jìn)行病蟲害防治。該技術(shù)利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流將霧滴霧化并輸送至靶標(biāo)，增加了霧滴穿透性，有效減少了霧滴飄移，實(shí)現(xiàn)了低量噴霧[4]。為了提高農(nóng)藥利用率，降低污染，80年代又開發(fā)出隧道式循環(huán)噴霧機(jī)，其最大的特征是擁有一個隧道型的罩蓋，作業(yè)過程在一個近乎封閉的空間內(nèi)完成。通過Peterson和Hogmire的試驗(yàn)證明，在罩蓋內(nèi)使用橫流風(fēng)機(jī)能讓氣流橫向送出，沉積效果要好于軸流風(fēng)機(jī)[5]。同期，國外又出現(xiàn)了風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)，該機(jī)作業(yè)時在風(fēng)筒出風(fēng)口處形成風(fēng)幕，迫使霧滴向作物沉積[6]。1999年Salyani在柑橘果園進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，通過改變噴霧機(jī)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量和地面行駛速度得出噴霧機(jī)的噴霧效果[7]。采用化學(xué)農(nóng)藥防治病、蟲、草害及其他有害生物來提高樹木生長量和質(zhì)量是現(xiàn)代化林業(yè)不可缺少的重要手段。而評價農(nóng)藥噴施質(zhì)量的重要指標(biāo)是農(nóng)藥有效物質(zhì)在噴施靶標(biāo)上的均勻沉積分布，要達(dá)到這一指標(biāo)，除采用質(zhì)優(yōu)的噴灑機(jī)具和正確的操作外，還必須使農(nóng)藥有效物質(zhì)與稀釋用的載體(通常是水)在噴頭噴出前混合均勻[8]。農(nóng)藥與水的混合通常是在噴霧機(jī)自帶的藥箱內(nèi)完成的。藥箱作為噴霧機(jī)重要組成部分，它的大小、結(jié)構(gòu)形式、布置位置等都會對整機(jī)的使用性能帶來重要影響。

筆者帶領(lǐng)的課題組迄今為止已經(jīng)開發(fā)出6HW30、6HW-12A和6HW-12B三種機(jī)型。其中，6HW30型噴霧機(jī)的操控方式為手控機(jī)械式；6HW-12A型噴霧機(jī)的操控方式為電控氣動式；6HW-12B型噴霧機(jī)的操控方式為電控液壓式[9-11]。隨著型號和操控方式的改變，藥箱總成作為上述三種機(jī)型噴霧機(jī)的重要的組成部分，在結(jié)構(gòu)的合理性和自動化程度方面都相應(yīng)得到提高。下面就以上三種型號噴霧機(jī)的藥箱總成對整機(jī)的影響一一加以分析論述。

1 6HW30型噴霧機(jī)

該型噴霧機(jī)為第一代樣機(jī)。設(shè)計(jì)之初，由于受各種因素限制，該機(jī)的藥箱采用容積比較小的單箱結(jié)構(gòu)，被布置在駕駛員座椅后方，動力輸出軸上方，材料為A3鋼。評價藥箱總成對整機(jī)的影響主要從以下三方面考慮[12-14]：①藥箱總成位置對整機(jī)重心的影響；②藥箱總成耐腐蝕度對整機(jī)使用效能的影響；③藥箱容積大小對整機(jī)作業(yè)效率的影響。

1.1 藥箱總成位置對整機(jī)的影響

如上所述，6HW30型噴霧機(jī)藥箱總成的位置是在駕駛員身后，動力輸出軸上方，如圖1所示。

圖1 6HW30型噴霧機(jī)Fig.1 Type 6HW30 sprayer

從圖1中可以看出，藥箱總成布置在主機(jī)大驅(qū)動輪中心線之后，加之笨重的風(fēng)機(jī)和機(jī)械傳動裝置，使本不堪負(fù)重的后部平添了360 kg(320 kg水加上40 kg箱體重量)的重量。盡管在主機(jī)最前部加裝了超過100 kg的配重，該機(jī)在上坡作業(yè)時，縱向穩(wěn)定性仍舊不能得到充分的保證，時常有風(fēng)機(jī)拖地和前輪翹起情況發(fā)生。前面的配重也將無端的消耗發(fā)動機(jī)部分有效功率。

圖2 拖拉機(jī)上坡時極限傾翻角示意圖Fig.2 Diagram of limit angle of uphill overturn of the tractor

由于選擇了藥箱布置在上述位置，因受制于后部空間限制并考慮到整機(jī)重心對生產(chǎn)作業(yè)帶來的影響，所以藥箱容積不可以隨意放大，經(jīng)過計(jì)算，最終確定藥箱容積暫定在320 L?？瓷先ゲ淮蟮乃幭洌?yàn)樵O(shè)計(jì)的位置不盡合理，導(dǎo)致對整機(jī)的縱向穩(wěn)定性帶來了巨大影響。6HW30型噴霧機(jī)主機(jī)(拖拉機(jī))正常上坡時極限傾翻角如圖2所示。

圖中：L為軸距，1 702 mm；H為重心到地面垂直距離，750 mm；A為重心到大驅(qū)動輪中心線距離，a≈L/3 =573 mm；αlim為極限傾翻角[15]，αlim=tg-1(a/h)=tg-1(573/750)= 37.38°

加裝了噴霧裝置后的6HW30型噴霧機(jī)上坡時極限傾翻角如圖3所示。

圖3 6HW30型噴霧機(jī)上坡時極限傾翻角示意圖Fig.3 Diagram of limit angle of uphill overturn of type 6HW30 sprayer 注：1.藥箱總成；2.齒輪變速箱總成；3.風(fēng)機(jī)總成

從圖3中可以看出，影響整機(jī)重心后傾的三個總成分別為藥箱總成1，齒輪變速箱總成2和風(fēng)機(jī)總成3。其中，尤屬藥箱總成1重量最重，達(dá)360 kg。后部越重，a值就越小。α值越小，上坡時越容易傾翻。合理保持整機(jī)重心位置，使其在上下坡均能保持正常作業(yè)至關(guān)重要。圖3中在加裝藥箱且掛載噴霧機(jī)總成后的a值降為210 mm。經(jīng)過計(jì)算，6HW30型噴霧機(jī)上坡極限傾翻角αlim= tg-1(a/h)= tg-1(210/750)=15.6°，縱向穩(wěn)定性大幅降低。a值不能過小，也不能過大。過小上坡穩(wěn)定性不好，反之則下坡穩(wěn)定性不好。

1.2 藥箱總成耐腐蝕度對整機(jī)使用效能的影響

藥箱總成耐腐蝕度是衡量噴霧機(jī)一項(xiàng)很重要的指標(biāo)。農(nóng)藥的pH值大都在4.6左右，呈酸性的較多[8]。盡管在實(shí)際生產(chǎn)使用中需加入大量水稀釋，但稀釋后的液體仍呈弱酸性。6HW30型噴霧機(jī)由于是第一輪樣機(jī)，設(shè)計(jì)之初主要考慮的是各個部件總成能否完成在林地內(nèi)的規(guī)定使用動作，加之科研經(jīng)費(fèi)不足，故沒有在藥箱材料和耐腐蝕性方面做更多的考慮，而直接選用了機(jī)械工程設(shè)計(jì)中最為廣泛應(yīng)用的材料A3鋼。A3鋼的優(yōu)點(diǎn)是加工性能好、制造成本低廉。缺點(diǎn)是不具備對農(nóng)藥的耐酸堿度腐蝕。經(jīng)過一段時間的使用，藥箱內(nèi)部開始大量銹蝕、剝落形成“藥渣”。這些“藥渣”隨離心泵的抽力在管道內(nèi)、噴嘴處經(jīng)常發(fā)生堵塞而影響實(shí)際生產(chǎn)使用，需定期清理。長此以往，對整機(jī)使用效能帶來巨大影響。

1.3 藥箱容積大小對整機(jī)有效作業(yè)時間的影響

藥箱容積對整機(jī)作業(yè)效率影響甚大。藥箱容積大，一次性作業(yè)時間就長，作業(yè)效率就高；反之，藥箱容積小就需要頻繁回到路邊儲水罐處加水。由于儲水罐車不能隨噴霧機(jī)一同進(jìn)入林地，通常都是在作業(yè)林地路邊停放。開始作業(yè)時，噴霧機(jī)距離儲水罐車還較近，經(jīng)過幾個小時作業(yè)后，噴霧機(jī)會距離儲水罐車越來越遠(yuǎn)，頻繁加水勢必嚴(yán)重影響整機(jī)的作業(yè)效率。藥箱容積又不能過大，過大會消耗大量發(fā)動機(jī)功率，以至于噴霧機(jī)達(dá)不到設(shè)計(jì)噴高，油耗也會隨之增大，這也是不可取的。6HW30型噴霧機(jī)藥箱容積為320 L。單次加滿藥后連續(xù)作業(yè)時間為2 h左右。夏季作業(yè)，為避免中午酷暑，作業(yè)時間一般為上午4：00-11：00，下午15：00-20：00。這中間需要加藥6次左右，加藥次數(shù)偏多。

2 6HW-12A型噴霧機(jī)

根據(jù)6HW30第一代樣機(jī)生產(chǎn)使用情況分析，筆者對藥箱、風(fēng)機(jī)和齒輪變速箱進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和選型，繼而進(jìn)行了第二代樣機(jī)的研制。

第二代樣機(jī)全稱為“6HW-12A高射程自行式森林病蟲害防治噴霧機(jī)”。該樣機(jī)不僅對藥箱和風(fēng)機(jī)做了全面升級和改動，同時用楔形皮帶傳動取代了齒輪變速箱機(jī)構(gòu)。藥液泵也從玻璃鋼離心泵升級為不銹鋼旋渦泵。操控方式從第一代的手控機(jī)械式升級為第二代的電控氣動式。

2.1 藥箱總成位置對整機(jī)的影響

6HW-12A型噴霧機(jī)藥箱總成一改6HW30型噴霧機(jī)單箱結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)成雙藥箱結(jié)構(gòu)，藥箱A和藥箱B分列兩個大驅(qū)動輪上方，藥箱底部通過連通器連接。藥箱A內(nèi)側(cè)設(shè)有玻璃溢位計(jì)。如圖4所示。

從圖4可以看出，藥箱A與藥箱B的重量完全作用于主機(jī)大驅(qū)動輪正上方。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大限度保留了主機(jī)的重心位置，使得圖2中的a值略有縮小。另外，6HW-12A型噴霧機(jī)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行了重新選型，用新型的高壓風(fēng)機(jī)取代了圖1中笨重的老舊風(fēng)機(jī)，重量減輕近40 kg。為使整機(jī)重心盡量前移，6HW-12A型噴霧機(jī)還用楔形皮帶傳動替代了6HW30型噴霧機(jī)的齒輪變速箱，使得整機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量進(jìn)一步降低。改型后的6HW-12A型噴霧機(jī)上坡極限傾翻角比主機(jī)略有減少，如圖5所示。

圖4 6HW-12A型噴霧機(jī)Fig.4 Type 6HW-12A sprayer

圖5 6HW-12A型噴霧機(jī)上坡時極限傾翻角示意圖Fig.5 Diagram of limit angle of uphill overturn of type 6HW-12A sprayer

從圖5中可以看出，在整機(jī)后部只有一個體積小、重量輕的風(fēng)機(jī)總成，而且緊貼主機(jī)后部。計(jì)算中，a≈L/3 = 1 720/3 = 573 mm，考慮到整機(jī)后部仍有大部分總成，所以a值會相應(yīng)縮小，取a= 500 mm。則6HW-12A型噴霧機(jī)上坡極限傾翻角為：αlim= tg-1(a/h)=tg-1(500/750)= 33.6°。此參數(shù)在平原和丘陵地區(qū)林地內(nèi)作業(yè)足夠安全。由于重心在后部，下坡極限傾翻角不在此計(jì)算。

2.2 藥箱總成耐腐蝕度對整機(jī)使用效能的影響

由于第一代樣機(jī)藥箱銹蝕嚴(yán)重，所以在6HW-12A型噴霧機(jī)研制過程中，著重對藥箱耐農(nóng)藥腐蝕做了特殊處理。在中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助下，筆者加工制造了4臺新的6HW-12A型噴霧機(jī)，藥箱內(nèi)部全部涂刷防腐涂料，以驗(yàn)證該方法的使用效能。經(jīng)過兩年多的實(shí)際應(yīng)用，藥箱耐腐蝕性能得到極大提高，偶爾發(fā)生輕微阻塞，基本不影響正常使用。但在長期封存車庫后，也就是在研制最新一代樣機(jī)之前，課題組將一臺6HW-12A型噴霧機(jī)的藥箱拆解開來，令人想不到的是防腐涂料在應(yīng)用一段時間并長期閑置后已無痕跡，并且藥箱內(nèi)部已經(jīng)開始銹蝕。實(shí)踐證明：防腐涂料能夠解決一時的銹蝕問題，但并不能從根本上徹底解決該問題。

2.3 藥箱容積大小對整機(jī)作業(yè)效率的影響

如前所述，在噴霧量恒定時，藥箱容積的大小對整機(jī)的作業(yè)效能有著不可忽視的作用。6HW30型噴霧機(jī)的藥箱容積為320 L，而6HW-12A型噴霧機(jī)由于布置空間加大并且不受重心偏后影響，綜合各方面因素考慮，每個藥箱容積設(shè)定為230 L，兩箱共460 L。每天野外作業(yè)僅需加水2～3次即可，大大提高了整機(jī)作業(yè)效率。

3 6HW-12B型噴霧機(jī)

該機(jī)是高射程自行式森林病蟲害防治噴霧機(jī)中最新一款機(jī)型。6HW-12B型噴霧機(jī)是在總結(jié)前兩種噴霧機(jī)存在問題基礎(chǔ)上開發(fā)研制的一種集機(jī)電液于一機(jī)之上的高射程噴霧機(jī)。最新一代樣機(jī)不僅在操控方式上由6HW-12A的電控氣動式升級為電控液壓式，藥箱的溢位計(jì)也由6HW-12A的玻璃溢位計(jì)改為浮子溢位聲光控報(bào)警裝置。該裝置的工作原理是當(dāng)藥箱內(nèi)的水位加滿或用完時，藥箱內(nèi)的浮子就會觸碰行程開關(guān)，駕駛室內(nèi)的控制按鈕閃亮，蜂鳴器也同時報(bào)警[16-19]。值得一提的是該機(jī)為主機(jī)加裝了非標(biāo)異型全封閉駕駛室，基本解決了駕駛員與農(nóng)藥零距離接觸的安全問題。6HW-12B型噴霧機(jī)外形如圖6所示。

圖6 6HW-12B型噴霧機(jī)Fig.6 Type 6HW-12B sprayer

6HW-12B型噴霧機(jī)與6HW-12A型噴霧機(jī)的藥箱位置沒有發(fā)生改變，所不同的是藥箱容積增加了40 L，變?yōu)?00 L。增加的40 L容積對整機(jī)縱向穩(wěn)定性造成的影響微乎其微，可忽略不計(jì)。故6HW-12B型噴霧機(jī)的上坡極限傾翻角應(yīng)基本等同于前述的6HW-12A型噴霧機(jī)的數(shù)值。在藥箱耐腐蝕方面，6HW-12B型噴霧機(jī)選用不銹鋼代替前兩代樣機(jī)的A3鋼，從根本上解決了藥箱銹蝕問題。隨著藥箱容積的進(jìn)一步加大，使得6HW-12B型噴霧機(jī)單次作業(yè)時間也同步得到延長，有效作業(yè)時間顯著提高。

4 結(jié)論

筆者帶領(lǐng)的課題組研制的6HW系列高射程噴霧機(jī)，歷經(jīng)三種型號、三代樣機(jī)，藥箱作為整機(jī)的重要組成部分，無論是位置、結(jié)構(gòu)還是材料的變化都會對整機(jī)產(chǎn)生重大影響。首先，在縱向穩(wěn)定性方面，主機(jī)自身上坡極限傾翻角為37.38°；第一代6HW30型噴霧機(jī)上坡極限傾翻角為15.6°；第二代6HW-12A型噴霧機(jī)上坡極限傾翻角為33.6°；第三代6HW-12B型噴霧機(jī)上坡極限傾翻角應(yīng)基本等同于6HW-12A型噴霧機(jī)。其次，在藥箱耐腐蝕方面，由開始的6HW30型噴霧機(jī)單純使用A3鋼過渡到6HW-12A型噴霧機(jī)A3鋼刷防腐涂料，最后到6HW-12B型噴霧機(jī)的不銹鋼藥箱。藥箱容積從開始的6HW30型噴霧機(jī)單箱320 L提高到6HW-12A型噴霧機(jī)雙箱460 L，最后確定為6HW-12B型噴霧機(jī)的500 L。綜上所述，第一代樣機(jī)6HW30型噴霧機(jī)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，價格低廉。缺點(diǎn)：爬坡能力差，藥箱銹蝕嚴(yán)重，藥箱容積偏小。第二代樣機(jī)優(yōu)點(diǎn)：縱向穩(wěn)定性好，自動化程度高，藥箱有一定抗銹蝕能力，作業(yè)效率高。缺點(diǎn)：風(fēng)機(jī)噴頭不能定向噴霧，藥液有浪費(fèi)，藥箱仍有銹蝕發(fā)生。第三代樣機(jī)優(yōu)點(diǎn)：縱向穩(wěn)定性好，自動化程度高，藥箱具有耐酸堿腐蝕功能，作業(yè)效率是三代樣機(jī)中最高的一種型號，可達(dá)60 hm2/臺班。缺點(diǎn)：駕駛室溫度偏高。

高射程自行式森林病蟲害防治噴霧機(jī)在吉林省西部地區(qū)經(jīng)過7 a生產(chǎn)試驗(yàn)，總作業(yè)面積超過30 000 hm2，防治效果良好。隨著第三代樣機(jī)的研制成功，藥箱總成也有了質(zhì)的飛躍，應(yīng)用前景十分廣闊。

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AnalysisofMedicineBoxAssemblyandWholeMachinePerformanceofSprayersforForestDiseaseandPestControl

Luo Ying1，Chen Ling1，Yang Lijie2，Liu Bing1，Yin Zikang1， Li Jiping1，Cui Tiehua1，F(xiàn)u Xiaoxia1

(1.Jilin Provincial Academy of Forestry Sciences，Changchun 130033； 2.College of Mechanical and Electric Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022)

For the two types of sprayers for forest disease and pest control，6HW30 sprayer and 6HW-12A sprayer，concerning the effect of the medicine box assembly on the stability of the whole machine and the anti-corrosion performance of the medicine box，the overall design plan of the medicine box is improved.The longitudinal stability of the main machine of the sprayer，6HW30 sprayer 6HW-12A sprayer and 6HW-12B sprayer is analyzed in this paper.Then the anti-corrosion performance of the medicine box with different materials，A3 steel，A3 steel brushed with anti-corrosion material and stainless steel，is tested.A3 steel does not have anti-corrosion performance，untreated A3 steel cannot be used as the material of the medicine box.The anti-corrosion performance of A3 steel brushed with anti-corrosion material can be maintained only for two years.The cost of 0Cr18Ni11Nb stainless steel is high，but its anti-corrosion performance is better.The results show that，for the three types of sprayers for forest disease and pest control，6HW30，6HW-12A and 6HW-12B sprayer，the stability of the whole machine of 6HW-12B sprayer and anti-corrosion performance of its medicine box are the best.

High range；forest disease and pest；sprayer；medicine box

S 776.28；S 43

：A

：1001-005X(2017)05-0062-05

2017-04-07

吉林省科技廳重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(20130206057NY)

雒鷹，研究員。研究方向：林業(yè)機(jī)械。E-mail：ly13578671811@163.com

雒鷹，陳玲，楊麗婕，等.森林病蟲害防治噴霧機(jī)藥箱配置及整機(jī)性能分析[J].森林工程，2017，33(5)：62-66.