水稻田間多功能植保車的設計

李娜　李春勝　譚宏杰

摘 要：

水稻田間管理作業(yè)目前機械化水平相對低下，噴藥與施肥仍存在著人工作業(yè)。為了解決水稻田間機械化作業(yè)，本文論述了水稻田間多功能自走車底盤的過埂高度極限分析，液壓驅動原理、噴藥系統(tǒng)結構設計、施肥結構設計及關鍵部件設計。

關鍵詞：

田間管理;作業(yè)底盤;液壓系統(tǒng);噴藥系統(tǒng);施肥結構

中圖分類號：S511

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191130020

目前我國水稻種植在耕整、移栽、收獲及烘干等方面基本實現了機械化作業(yè)，但北方水稻在田間管理等方面仍然處于落后狀態(tài)，大部分地區(qū)還在進行人工作業(yè)或是采用簡單的手動工具進行作業(yè)。水稻田間管理主要是田間除草、病蟲害防治及中期施肥作業(yè)，由于水稻田間作業(yè)環(huán)境復雜，導致現有一些噴藥機和施肥機無法適應水稻田間管理作業(yè)。隨著農業(yè)機械化的不斷推進，機械噴藥和機械施肥方式正在逐步取代人工作業(yè)。機械噴藥在改善作業(yè)效率和施藥人員安全環(huán)境方面效果顯著[1-3]。

為了更好地適應水稻田間的作業(yè)需求，高地隙噴霧噴桿機得以迅速發(fā)展。但采用高地隙結構設計導致傳動系統(tǒng)復雜，可靠性降低，市場現有一些噴桿噴藥機具的傳動齒輪強度不足。東北黑土區(qū)土壤粘度要比南方地區(qū)大，機具工作阻力明顯加大，致使一些機具故障頻發(fā)，推廣難以實現。針對以上原因，本文以自主開發(fā)設計的多功能液壓行走底盤為基礎，進行噴藥與施肥關鍵工作部件研究，采用通用聯(lián)接部件進行噴藥與施肥工作部件轉換實現一機多用。

1 整機結構與工作原理

高地隙多功能液壓植保車主要由發(fā)動機、底盤、液壓驅動系統(tǒng)、噴藥機構、施肥機構等組成，見圖1。

圖1 整機照片

整機工作原理：本機采用全液壓行走系統(tǒng)，液壓泵與發(fā)動機串聯(lián)，實現液壓動力的不間斷輸送，液壓泵通過強制分配器分別與四輪獨立行走系統(tǒng)的液壓馬達連接以驅動行走輪[4-8]。

為了更好地通過水田地的田埂，對整機作業(yè)數及主要性能匹配參數進行了限定，見表1。

2 關鍵部件設計研究

2.1 液壓系統(tǒng)設計

本文液壓設計主要是通過發(fā)動機帶動液壓泵實現不間斷輸送壓力來驅動液壓馬達，通過液壓馬達驅動行走系統(tǒng)和噴藥系統(tǒng)的隔膜泵和施肥系統(tǒng)的變速箱來完成各項功能。液壓行走系統(tǒng)主要是通過4個獨立的液壓馬達分別驅動4個行走輪，水稻田間屬于泥漿狀態(tài)，且東北黑土區(qū)的粘性強度大，導致田間行走阻力大，因此水稻田間作業(yè)經常會出現打滑現象[9-11]。為了解決這一難題，本設計在液壓系統(tǒng)中設計了強制分配器。將強制分配器串聯(lián)在液壓系統(tǒng)中（見圖2）。強制分配器（見圖3）在正常行走情況下是不通電的，液壓油正常通過，當在田間作業(yè)或過埂時由于阻力大會出現單輪高速打滑現象，這時由于單輪處于高速運轉狀態(tài)，因此液壓油會大量流入打滑輪的液壓馬達，而導致另外3個液壓馬達沒有液壓油流入無法進行驅動。此時給強制分配器的電磁閥通電，通過電磁閥控制液壓油在強制分配器內流經路徑的流量使液壓油均勻分配給4個行走液壓馬達，以保證每個液壓馬達都能正常工作，從而改變行走輪打滑現象，實現田間正常工作。

2.2 噴藥機構設計

噴藥機構包括左側噴桿、右側噴桿和中間噴桿。為適應作業(yè)幅寬和道路行走，左、右噴桿需要具有折疊和展開功能。同時為了適應水稻各個不同生長時期的噴藥，噴藥機構設計了高度調節(jié)機構，以便使藥液達到更好的噴灑效果[12]。噴藥機構如圖4。

整個噴藥機構通過18平行四連桿機構與機架相連，當液壓推桿20的液壓缸在液壓推動下長度發(fā)生改變，帶動中間梁和左右噴桿支架上下移動，從而改變噴藥機構距地面的高度以適用各個不同時期的噴藥需求。在中間梁的兩端分別安裝19液壓推桿L和22液壓推桿R，用于控制左右噴桿支架的折疊與展開。當19液壓推桿LT和22液壓推桿R和在液壓驅動下，缸體伸縮桿伸出達到最大量時，15左噴桿支架和24右噴桿支架與21中間梁處于同一平面內。此時噴藥機構達到最大幅寬。當液壓缸收縮到最小時，左右噴桿支架向內折疊成與車身平行位置，此時整車幅寬達到最小值，同時噴幅也達到最小。19液壓推桿L和22液壓推桿R可通過液壓控制手柄實現分別控制。在田間作業(yè)時可根據作業(yè)幅寬需要控制液壓推桿的伸縮量來調節(jié)噴桿的噴幅以適應作業(yè)需求。

2.3 施肥機構設計

田間多功能植保車設計的目的是為了實現一機多用。本文在設計了噴藥機構的同時，設計了施肥機構，在田間管理作業(yè)時，只需將噴藥機構整體取下，然后將施肥機構安裝在底盤上，接通液壓馬達即可下田進行施肥作業(yè)[13-15]。施肥機構如圖5。

肥料通過肥量計節(jié)盤上的開口流到肥料拋撒盤上，液壓馬達通過減速機帶動肥料拋撒盤將肥料拋撒到田間，完成施肥作業(yè)。

圖6中在結構設計時需將2調節(jié)板與3推接板焊合成一體，3推接板與操控臺上的推拉軟軸連接可控制2調節(jié)板繞4轉軸旋轉。當調節(jié)板在繞轉軸旋轉時可改變肥量調節(jié)口的大小，從而改變施肥量。

2.4 撒肥盤推板設計

撒肥盤由撒肥圓盤和推肥板組成，圓盤大小與推肥板安裝角度是影響肥料飛行時間和飛行距離的重要因素[16，17]。參照國內外同類型機型取撒肥盤直徑為500mm，離地面高度為800～1000mm。

假定肥料顆粒在離心力、摩擦阻力等共同作用下， 被送到撒肥圓盤表面 A 點時（如圖 7），遇到以一定速度 n 旋轉的推肥板，結果被推肥板撞擊并推到撒肥圓盤邊緣，然后以初速度 V0 被拋出撒肥圓盤。顆粒的絕對速度 V0 可分解為與推肥板相切的 Vr 和與撒肥圓盤邊緣相切的 Vt，Vr 表示相對速度，Vt 表示傳送速度。

當肥料顆粒被推肥板推到盤邊緣時以初速度V0被拋出撒肥圓盤。圖中所示β角為推肥板的安裝角度，當β角發(fā)變化時V0則隨之發(fā)生變化，因此為了適應不同撒肥作業(yè)幅寬變化，本設計將推肥板一端固定在撒肥板內側的孔位上，另一端則安裝在可變角度的一系列小孔上，每個小孔之間相差5°，用戶可根據實際需要進行角度變化選擇相應的孔位。

參考文獻

[1]莊騰飛，楊飛軍，董祥，等.大型自走式噴霧機噴桿研究現狀及發(fā)展趨勢分析[J].農業(yè)機械學報，2018 （49）：189-195.

[2] 林立恒，候加林，吳彥強，等.高地隙噴桿噴霧機研究和發(fā)展趨勢[J].中國農業(yè)機化學報，2017，38（2）：38-42.

[3] 石毅新，蔣頻，盧向陽，等.高地隙田間管理底盤結構設計與試驗[J].農業(yè)工程，2019（1）：72-79.

[4] 王金武，唐漢，沈紅光，等.高地隙折腰式水田多功能動力底盤設計與試驗[J].農業(yè)工程學報，2017，33（16）：32-40.

[5] 高翔，郭靜，朱鎮(zhèn)，等.高地隙自走式噴霧機動力傳動系統(tǒng)的設計[J].農機化研究，2017（4）：247-251.

[6] 沈紅光.高地隙折腰式水田動力底盤設計與試驗[D].哈爾濱：東北農業(yè)大學，2017.

[7] 范瑤，劉俊峰，李建平.高地隙果園動力底盤的設計[J].農機化研究，2013（4）：92-95.

[8] 張傳斌，余泳昌，吳亞萍.高通過性四輪自走式煙草田間作業(yè)機的設計[J].農業(yè)工程學報，2011，27（11）：37-41.

[9] 王才東，王立權，趙冬巖.多馬達液壓同步控制系統(tǒng)設計及試驗研究[J].機床與液壓，2013，41（11）：5-9.

[10] 魏列江，王霖，馮志清，等.突變負載下基于同步馬達的液壓同步舉升系統(tǒng)研究[J].液壓與氣動，2014（3）：71-75.

[11] 楊文彬，胡軍科，王子坡.兩級雙向液壓同步控制系統(tǒng)動態(tài)特性仿真[J].浙江大學學報（工學版），2014，48（6）：1107-1113.

[12] 許超，陳永成，李瑞敏，等. 高地隙自走式噴桿噴霧機的設計與研究[J].中國農機化學報，2016，37（1）：51-54.

[13] 段潔利，李君，盧玉華.變量施肥機械研究現狀與發(fā)展對策[J].農機化研究，2011（5）：245-248.

[14] 王金武，紀文義，馮金龍，等.施肥機的設計與試驗研究[J].農業(yè)工程學報，2008，24（6）：157-159.

[15] 懷寶付，梁春英，王熙，等.變量施肥控制系統(tǒng)設計[J].黑龍江八一農墾大學學報，2011，23（4）：68-71.

[16] 王登峰，單士睿.一種智能控制變量施肥機構的試驗設計[J].農機化研究，2011（12）：120-122，157.

[17] 陳書法，張石平，孫星釗，等.水田高地隙變量撒肥機設計與試驗[J].農業(yè)工程學報，2012，28（11）：16-21.

作者簡介：

李娜（1972-），女，專科，助理研究員。研究方向：農業(yè)機械。