微型噴藥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

李　錕，付亞萍，王偉全，王洪臣，鄭曉培

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130012；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械維修研究所，哈爾濱　150501)

0　引言

我國(guó)地域遼闊，土壤肥沃，各類農(nóng)作物種植面積均居世界前列。其中，玉米、大豆水稻等高稈農(nóng)作物一直是我國(guó)東北地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)作物，但我國(guó)東北地區(qū)高稈農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后植保技術(shù)先進(jìn)的農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。其中，一個(gè)重要原因是我國(guó)農(nóng)業(yè)植保意識(shí)落后，缺少操控性能好、適合高稈作物中后期病蟲草害防治且離地距離較高的農(nóng)業(yè)植保機(jī)械。

1　噴藥機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　技術(shù)要求

以適應(yīng)最大離地高度1.7m高稈農(nóng)作物施藥作業(yè)要求的施藥機(jī)械為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了動(dòng)力配置前置前驅(qū)且具備后輪輪距自適應(yīng)調(diào)整功能的三輪自走式高地隙噴藥機(jī)，其參數(shù)如表1所示。

表1　基本技術(shù)參數(shù)

1.2　總體結(jié)構(gòu)

在充分分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)外高地隙噴藥機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以傳統(tǒng)三輪農(nóng)業(yè)機(jī)械為平臺(tái)，設(shè)計(jì)一款適合農(nóng)民家庭使用的新型三輪自走式高地隙噴藥機(jī)，如圖1所示。噴藥機(jī)主要由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、車架主體、高度可調(diào)式施藥架、后輪調(diào)整機(jī)構(gòu)、車輪、施藥藥箱、動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、變速箱、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、施藥泵及施藥管路等組成。其中，施藥泵是施藥系統(tǒng)動(dòng)力的主要來(lái)源。為此，設(shè)計(jì)了借助發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪提供動(dòng)力的隔膜泵動(dòng)力傳動(dòng)部分，如圖2所示。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)　2.車架　3.可調(diào)式施藥架　4.后輪調(diào)整機(jī)構(gòu) 5.藥箱　6.萬(wàn)向節(jié)動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)　7.變速箱　8.施藥泵

圖2　隔膜泵動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

1.3　工作原理

當(dāng)噴藥機(jī)駛?cè)肽繕?biāo)工作區(qū)域后，向藥箱中注入規(guī)定劑量的藥液，依據(jù)作業(yè)區(qū)的實(shí)際田間壟溝距離，調(diào)整車架后輪輪距(為保證噴藥機(jī)田間運(yùn)行平穩(wěn)及擴(kuò)大施藥面積)；根據(jù)田間施藥范圍，將可調(diào)式施藥架展開并調(diào)整到合適的施藥高度后，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和施藥系統(tǒng)，開始對(duì)目標(biāo)施藥區(qū)域進(jìn)行施藥作業(yè)；待田間施藥結(jié)束后，關(guān)閉施藥系統(tǒng)，行駛出施藥區(qū)域，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，并將可調(diào)式施藥架收攏和后輪輪距調(diào)整到道路行駛狀態(tài)，完成田間施藥工作。噴藥機(jī)的道路行駛和田間施藥狀態(tài)如圖3所示。

圖3　微型噴藥機(jī)工作狀態(tài)

1.4　主要部件結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的三輪自走式噴藥機(jī)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性能差，后輪輪距調(diào)整不方便，常發(fā)生轉(zhuǎn)彎整車側(cè)翻的事故。為此，本文設(shè)計(jì)了動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及可調(diào)式車架和后輪輪距調(diào)整機(jī)構(gòu)等主要結(jié)構(gòu)，改善了三輪自走式噴藥機(jī)性能。其主要問(wèn)題和原因分析如表2所示。

表2　噴藥機(jī)主要問(wèn)題

1.4.1動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

針對(duì)傳統(tǒng)的三輪自走式噴藥機(jī)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性能差及經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)彎側(cè)翻的問(wèn)題。以十字軸萬(wàn)向節(jié)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了輸入動(dòng)力方向始終不變、輸出動(dòng)力自由轉(zhuǎn)動(dòng)的萬(wàn)向節(jié)動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。其中，動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由軸承、固定軸承座、轉(zhuǎn)動(dòng)軸承座、十字軸式萬(wàn)向節(jié)及傳動(dòng)鏈輪等組成，如圖4所示。

工作時(shí)，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，傳遞到變速箱，由變速箱鏈輪輸出動(dòng)力；變速箱動(dòng)力傳遞到動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的輸入鏈輪，通過(guò)十字軸萬(wàn)向節(jié)傳遞到輸出鏈輪；輸出鏈輪動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)輪鏈輪，從而驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)。其中，動(dòng)力傳遞方案對(duì)比示意圖如圖5所示。

1.固定軸承座　2.輸入鏈輪　3.十字軸萬(wàn)向節(jié) 4.轉(zhuǎn)動(dòng)軸承座　5.輸出鏈輪

圖5　動(dòng)力傳遞示意圖

1.4.2可調(diào)式車架

三輪自走式高底盤噴藥機(jī)車架是整機(jī)裝備的基礎(chǔ)，也是保證結(jié)構(gòu)緊湊性的關(guān)鍵。為擴(kuò)大單機(jī)作業(yè)效率，以原有車架為基礎(chǔ)，提出以中心桁架和可調(diào)整式后桁架為主要結(jié)構(gòu)的可調(diào)式車架，如圖6所示。

1.中心桁架　2.可調(diào)式后桁架

車架主體采用空心圓鋼和方鋼搭建，在保證車架總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度要求的前提下，盡可能減輕車架質(zhì)量；中心桁架以空心圓鋼為基礎(chǔ)，有效地保證整機(jī)的有效承載能力；后桁架為內(nèi)外嵌入式空心方鋼結(jié)構(gòu)，且外部方鋼內(nèi)配備有雙向?qū)к?，在有效范圍?nèi)可以實(shí)現(xiàn)后輪輪距的單向或雙向移動(dòng)。

工作時(shí)，可調(diào)式后桁架左右兩側(cè)移動(dòng)，工作結(jié)束時(shí)，可調(diào)式后桁架移動(dòng)到道路行駛狀態(tài)，從而最大限度地?cái)U(kuò)大作業(yè)面積和保障行車安全。

1.4.3后輪調(diào)整機(jī)構(gòu)

針對(duì)傳統(tǒng)三輪自走式噴藥機(jī)后輪輪距調(diào)整不方便問(wèn)題，以萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了以滾動(dòng)摩擦代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滑動(dòng)摩擦的后輪輪距調(diào)整機(jī)構(gòu)。后輪輪距調(diào)整機(jī)構(gòu)主要由后輪車架、緊固圓螺母、固定螺栓和輪胎等組成，如圖7所示。

1.后輪車架　2.緊固螺母　3.固定螺栓　4.輪胎

工作時(shí)，依據(jù)實(shí)際作業(yè)區(qū)域壟溝間距，轉(zhuǎn)動(dòng)后輪調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整后輪輪距。

2　物理樣機(jī)裝配與試驗(yàn)研究

2.1　物理樣機(jī)

以三輪自走式噴藥機(jī)裝配調(diào)試后物理樣機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其施藥系統(tǒng)及整機(jī)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。物理樣機(jī)如圖8所示。

圖8　物理樣機(jī)

2.2　性能試驗(yàn)

2.2.1針對(duì)噴頭噴藥量的試驗(yàn)

1)試驗(yàn)所用器材：秒表、電子秤和量杯。

2)試驗(yàn)所用材料：水。

3)物理樣機(jī)裝配的10個(gè)獨(dú)立噴頭，采用了左右對(duì)稱的布置方式，計(jì)劃將單側(cè)5個(gè)獨(dú)立噴頭定位為本次試驗(yàn)的研究對(duì)象。按照?qǐng)D9的布置，分別調(diào)節(jié)施藥壓力，并將其設(shè)定為0.1、0.15、0.2、0.25、0.30、0.35、0.4MPa；將噴頭所滴出液滴采集后放入量杯中，時(shí)間間隔設(shè)定為60s，并將所取得的溶液放于電子秤上記錄質(zhì)量。按照上述方法獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)30次，并計(jì)算出結(jié)果的平均值，試驗(yàn)測(cè)得的每個(gè)噴頭施藥量數(shù)據(jù)狀況如表3及圖10所示。

圖9　施藥量測(cè)試試驗(yàn)

Table 3The medication test g

噴頭壓力/MPa0.100.150.200.250.300.350.401號(hào)279.600301.041349.680386.018416.381440.780483.2162號(hào)263.337284.462333.348391.343403.005423.140447.8823號(hào)251.280281.881321.882373.464406.476442.582490.7074號(hào)271.841293.371339.186375.285407.280437.575486.5055號(hào)254.615309.671324.475364.142403.416446.184493.135均值264.135294.085333.714378.050407.312438.052480.289

續(xù)表3

圖10　施藥量與變異系數(shù)

通過(guò)對(duì)圖10中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得：當(dāng)系統(tǒng)的壓力逐漸上升，噴頭的施藥量也同時(shí)會(huì)提高；在壓力設(shè)定值0.30MPa情況下，系統(tǒng)的施藥量變異系數(shù)僅為0.011 86(即為最小值)，此時(shí)噴藥機(jī)的施藥量最穩(wěn)定。

2.2.2針對(duì)噴藥機(jī)幅寬的測(cè)試

1)試驗(yàn)所需儀器：粉筆、米尺。

2)試驗(yàn)所需材料：水。

3)圖11為噴藥機(jī)的噴藥工作情況。通過(guò)對(duì)噴藥架位置進(jìn)行調(diào)整，將噴頭與地面距離調(diào)節(jié)為500mm，對(duì)噴頭的施藥壓力進(jìn)行設(shè)置，并將壓力分別調(diào)整到0.1、0.15、0.2、0.25、0.30、0.35、0.4MPa的條件下，將隔膜泵開啟同時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的施藥作業(yè)；觀察噴藥情況并在噴出的液滴最大范圍處做標(biāo)上記號(hào)，然后將隔膜泵關(guān)閉，并用米尺測(cè)量對(duì)標(biāo)記點(diǎn)距離進(jìn)行測(cè)量，即得到噴幅值；將此試驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)30次，將所得到的數(shù)值計(jì)算出平均值，次試驗(yàn)所得到的噴藥機(jī)的幅寬情況如表4及圖12所示。

圖11　噴藥機(jī)幅寬測(cè)試示意圖

Table 4The results sprayer width test m

噴頭壓力/MPa0.100.150.200.250.300.350.401號(hào)6.7326.7896.8026.8426.8916.9276.9522號(hào)6.8066.8376.8456.9066.9556.9797.0333號(hào)6.7866.8306.8776.8836.9366.9566.9794號(hào)6.7216.7496.7936.8316.8836.8946.9545號(hào)6.7726.8086.8326.8896.9266.9366.942均值6.7636.8036.8306.8706.9186.9386.972總體標(biāo)準(zhǔn)偏差0.032200.031690.030300.028740.027240.028510.03285變異系數(shù)/%0.47610.46580.44360.41830.39370.41090.4711

圖12　噴幅與變異系數(shù)

噴頭噴出的藥液為扇形，藥液所形成的角度值為110°，噴頭工作時(shí)與地面的距離為0.5m。通過(guò)計(jì)算可知：?jiǎn)蝹€(gè)噴頭所能噴出藥液所達(dá)到的水平寬度約為1.428m，進(jìn)而得到噴藥機(jī)的幅寬為7.278m。通過(guò)表2可知：當(dāng)施藥壓力在0.1～0.4MPa之間時(shí)，噴藥機(jī)實(shí)際工作的噴幅為6.763～6.972m，此時(shí)小于理論計(jì)算所得噴幅7.278m。出現(xiàn)這種情況的原因是：由于通過(guò)理論計(jì)算所得的噴幅工況為施藥系統(tǒng)的噴桿保持完全水平的狀態(tài)，但在實(shí)際工作狀態(tài)下由于重力及環(huán)境因素的影響，噴桿很難完全保持水平的狀態(tài)，機(jī)器行進(jìn)中架體和噴桿都不可避免地產(chǎn)生彎曲和震動(dòng)等現(xiàn)象，因此就出現(xiàn)了噴藥機(jī)實(shí)際工作噴幅略小于理論計(jì)算噴幅的現(xiàn)象。

由圖12可知：噴藥機(jī)的幅寬與施藥壓力大小成線性關(guān)系；在系統(tǒng)的壓力值設(shè)置為0.3MPa時(shí)，噴藥機(jī)的幅寬為6.918m，幅寬變異系數(shù)此時(shí)最小，僅為0.3937%，噴藥機(jī)在這種情況下幅寬最穩(wěn)定。

2.2.3針對(duì)噴頭防滴性能進(jìn)行的測(cè)試

1)試驗(yàn)所需的儀器：量杯、秒表。

2)試驗(yàn)所需材料：水。

3)試驗(yàn)對(duì)噴藥機(jī)的噴頭進(jìn)行防滴測(cè)試，意在檢測(cè)噴頭是否存在滴漏現(xiàn)象，噴灌壓力的調(diào)節(jié)范圍在0.1～0.4MPa之間。試驗(yàn)開始前，需要先將截止閥關(guān)閉5s，然后對(duì)60s時(shí)間內(nèi)每個(gè)噴頭所滴下的液滴數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。將試驗(yàn)重復(fù)做30此取平均值，可得：在不同的噴灌壓力條件下，所統(tǒng)計(jì)出的產(chǎn)生液滴噴頭的數(shù)量，低于JB/T9805.1-2011中所要求的“產(chǎn)生滴漏的噴頭數(shù)量不大于2個(gè)，每個(gè)噴頭在1min內(nèi)滴漏的液滴數(shù)量不大于10滴”的要求。

噴頭防滴性能進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果說(shuō)明：本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)防滴的性能符合國(guó)家相關(guān)要求。

總之，本設(shè)計(jì)的輕型自走式噴藥機(jī)的最佳施藥壓力值為0.3MPa，并且在壓力值為0.3MPa使噴藥機(jī)的施藥量、防滴性能、幅寬均能達(dá)到理想的狀態(tài)，滿足最初要求。

2.3　噴藥機(jī)的田間工作試驗(yàn)

為了對(duì)上述的理論設(shè)計(jì)和計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，以自走式噴藥機(jī)的物理樣機(jī)為對(duì)象進(jìn)行實(shí)際研究，選擇了合適的農(nóng)作物進(jìn)行了噴藥機(jī)田間工作性能的測(cè)試。

2.3.1噴藥機(jī)的恒速試驗(yàn)

噴藥機(jī)的恒速試驗(yàn)主要為了驗(yàn)證噴灌機(jī)在各種的恒定的車速之下，噴藥機(jī)施藥系統(tǒng)實(shí)際施藥量的相應(yīng)變化情況。試驗(yàn)中選取噴藥機(jī)的作業(yè)速度分別為1～4km/h，即1、2、3、4km/h的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。噴藥機(jī)的幅寬為6.5m，試驗(yàn)的行進(jìn)距離為200m，試驗(yàn)中設(shè)定的施藥壓力為0.3MPa。將試驗(yàn)重復(fù)做30次，將取得的結(jié)果取平均值，得到恒速試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5　噴藥機(jī)的工作性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3．2噴藥機(jī)的加速度試驗(yàn)

噴藥機(jī)在真實(shí)的作業(yè)情況下，其工作的運(yùn)行速度并不是恒定的，運(yùn)行速度的不斷變化對(duì)實(shí)際施藥的影響非常明顯。由于噴藥機(jī)在作業(yè)過(guò)程中速度的變化量較小，加速度通常在0.4m/s2之下。試驗(yàn)設(shè)計(jì)臨界加速度值為0.1m/s2和0.4m/s2的工況條件，噴藥機(jī)工作幅寬為6.5m，試驗(yàn)行進(jìn)的距離為200m，試驗(yàn)的施藥壓力為0.3MPa。將此試驗(yàn)重復(fù)做30次，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值，可得加速度試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示。

通過(guò)噴藥機(jī)樣機(jī)的田間試驗(yàn)及表5的數(shù)據(jù)分析可得：噴藥機(jī)樣機(jī)的田間運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎情況靈活、可靠，且并未發(fā)生轉(zhuǎn)彎時(shí)的翻車現(xiàn)象，后輪的輪距調(diào)整能夠滿足高效、省力的基本要求；施藥系統(tǒng)和整機(jī)速度匹配的誤差在5.53%～11.51%范圍以內(nèi)，能夠滿足最初設(shè)計(jì)要求(速度與施藥量匹配誤差要求不大于17%)，因此可知設(shè)計(jì)合理。

3　結(jié)論

小型自走式高地隙噴藥機(jī)的最大離地間隙為1.7m，有效放入施藥幅寬為6.5m，完全能夠滿足小規(guī)模的田間施藥作業(yè)的要求。其中，萬(wàn)向節(jié)動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠有效地避免三輪前置前驅(qū)噴藥機(jī)在田間運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性差的問(wèn)題；后輪調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠改善后輪輪距調(diào)整不方便的問(wèn)題。田間試驗(yàn)表明：噴藥機(jī)工作壓力在0.3MPa時(shí)能取得最佳的施藥效果，這時(shí)噴藥機(jī)在施藥量、幅寬及噴頭防滴性能等方面表現(xiàn)最佳；且噴藥機(jī)速度與施藥系統(tǒng)之間的匹配誤差能控制在5.53%～11.51%范圍之內(nèi)，符合最初的設(shè)計(jì)要求。