3WPX-1500懸掛式噴藥機(jī)支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

初金哲 莊衛(wèi)東

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶

病蟲害防治是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的作業(yè)環(huán)節(jié)。近些年來，隨著氣候變暖以及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和種植業(yè)結(jié)構(gòu)等因素的改變，我國(guó)病蟲害問題嚴(yán)重加劇，由于常規(guī)的施藥機(jī)械很難適應(yīng)，而人工施藥不僅強(qiáng)度大、效率低，還極易對(duì)人身體造成傷害[1]，因此，植保機(jī)械越來越受到人們的重視。從2015 年國(guó)際農(nóng)機(jī)展的情況分析來看，未來的植保機(jī)械發(fā)展空間比較大。在國(guó)家日漸關(guān)注食品安全的形勢(shì)下，植保機(jī)械將迎來一個(gè)良好的發(fā)展機(jī)遇[2]。目前，國(guó)內(nèi)的植保機(jī)械發(fā)展與發(fā)達(dá)國(guó)家相比滯后較多，國(guó)內(nèi)噴霧機(jī)大多數(shù)為中低端產(chǎn)品，多數(shù)機(jī)型為牽引式或自走式，工作效率和質(zhì)量、安全問題都有待進(jìn)一步完善。國(guó)內(nèi)在懸掛式噴霧機(jī)的研發(fā)方面仍處于初級(jí)階段。我國(guó)耕地大多地勢(shì)不平，在噴灑農(nóng)藥的過程中，會(huì)產(chǎn)生噴桿的傾斜[3-4]，為此設(shè)計(jì)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(jī)械，以滿足大面積機(jī)械化植保需求。我國(guó)的植保機(jī)械經(jīng)歷了從無到有漫長(zhǎng)的發(fā)展過程，也取得了一定的好成績(jī)，但是較國(guó)外先進(jìn)的植保機(jī)械，仍不能滿足當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，我國(guó)大面積的機(jī)械化作業(yè)水平依舊不高，傳統(tǒng)的手動(dòng)式植保機(jī)械仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位[5-7]。依據(jù)我國(guó)植保機(jī)械的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)用于大面積噴藥的植保機(jī)械，懸掛式噴藥機(jī)。3WPX-1500懸掛式噴藥機(jī)通過大馬力拖拉機(jī)提供動(dòng)力——噴桿高度較高，在大田間作業(yè)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)剮蹭農(nóng)作物和拖地現(xiàn)象，適用于水稻、大豆、玉米、小麥、棉花等農(nóng)作物后期病蟲害的防治、葉面肥和除草劑、殺蟲劑的噴施等大田噴藥作業(yè)。3WPX-1500懸掛式噴藥機(jī)適用于不同地區(qū)不同種植行距和不同長(zhǎng)勢(shì)高低農(nóng)作物的植保作業(yè)，技術(shù)性能先進(jìn)，作業(yè)效率高，作業(yè)面積大，是我國(guó)目前比較先進(jìn)的大型植保機(jī)械。秋天可進(jìn)行不同農(nóng)作物的殺蟲噴藥作業(yè)，經(jīng)過殺蟲噴藥作業(yè)的農(nóng)作物病蟲害發(fā)生幾率減小20%，農(nóng)作物顆粒飽滿，產(chǎn)量提高。

1 整體機(jī)構(gòu)和工作原理

1.1 整體機(jī)構(gòu)

3WPX-1500 型懸掛式噴藥機(jī)與134 kW 備有后置輸出軸、液壓泵的拖拉機(jī)配套懸掛作業(yè)，拖拉機(jī)液壓提升的上下拉桿與機(jī)具三點(diǎn)懸掛。適用于大面積田間農(nóng)作物如玉米、花生、小麥、馬鈴薯及大豆等病蟲害防治，可噴灑液態(tài)肥和化學(xué)藥劑等。該型號(hào)噴藥機(jī)支架系統(tǒng)主要由龍門架、升降架、噴桿架機(jī)構(gòu)、噴桿折疊機(jī)構(gòu)組成。采用可折疊的噴桿機(jī)構(gòu)作為噴藥裝置，由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)噴灑作業(yè)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸掛式噴霧機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

3WPX-1500 型懸掛式噴藥機(jī)噴藥作業(yè)時(shí)，藥箱應(yīng)注滿藥液。由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出裝置帶動(dòng)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)液壓泵，在藥液從藥箱中流入液壓泵時(shí)迅速加壓。通過調(diào)壓閥來調(diào)節(jié)液壓泵中的藥液壓力，通過開關(guān)系統(tǒng)，由5只閥門分別操控5段噴桿，噴桿噴架裝置通過液壓升降裝置和液壓伸展折疊裝置進(jìn)行升降和伸展折疊，同時(shí)將噴架上升達(dá)到作業(yè)高度。經(jīng)調(diào)節(jié)、加壓后的藥液經(jīng)過濾網(wǎng)、防滴閥等過濾裝置后由扇形噴頭霧化噴出。要保持兩側(cè)噴桿的左右平衡，噴桿折疊需要設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)，噴桿的折疊機(jī)構(gòu)采用鋼索和鏈條，因此，本次設(shè)計(jì)采用的是液壓油缸折疊，以保證噴藥機(jī)噴桿在進(jìn)行工作時(shí)能夠可靠地保持左右平衡，維持工作狀態(tài)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

按照噴藥技術(shù)的要求及大面積噴藥的特點(diǎn), 確定了懸掛式可升降噴霧機(jī)支架系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 噴藥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 工作部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 噴桿衍架

根據(jù)噴霧機(jī)噴桿幅寬的相應(yīng)要求，設(shè)計(jì)噴霧機(jī)噴桿為5 段式對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主框與中間架相連，左右對(duì)稱各2 段，包括中央噴架、大展臂噴架、小展臂噴架。左右大展臂噴架分別與中央噴架、左右小展臂噴架分別與大展臂噴架均設(shè)計(jì)有效噴幅15.0 m，噴桿結(jié)構(gòu)寬度也為15.0 m。高度調(diào)節(jié)范圍在0.6～0.8 m，噴架選用30×50×5-DN100 的無縫鋼管焊而成。噴桿衍架裝置通過底座安裝在機(jī)架上端，中央噴架噴桿通過接觸點(diǎn)固定在升降裝置上。中央噴架和大展臂噴架的兩側(cè)分別設(shè)置了折疊液壓裝置，大展臂噴架與連接桿鉸接，中央噴架和大展臂噴架通過液壓裝置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)折疊。大展臂噴架兩端末尾分別設(shè)置了折疊液壓裝置。小展臂噴架和連接桿連接，小展臂噴架與大展臂噴架之間通過液壓裝置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)折疊。

2.2 升降裝置

依據(jù)小麥、玉米、水稻等農(nóng)作物種類不同，以及生長(zhǎng)周期存在差異和植物長(zhǎng)勢(shì)高低不同的作業(yè)特點(diǎn)，要求懸掛式噴藥機(jī)的噴藥系統(tǒng)在豎直高度上可以自由地做往復(fù)運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)噴藥高度，以適應(yīng)植物長(zhǎng)勢(shì)高低不同對(duì)藥液噴灑的需求。如圖2所示，在噴藥機(jī)機(jī)架的后部裝有1 臺(tái)升降裝置，由多根無縫鋼管焊接了1個(gè)滑道，噴藥機(jī)機(jī)架與噴桿桁架間通過1個(gè)連接銷聯(lián)接，連接架平穩(wěn)固定在滑道內(nèi)，通過液壓裝置的作用做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以此來實(shí)現(xiàn)噴桿高度方向上的調(diào)節(jié)，調(diào)整范圍為0～70 mm。

圖2 升降裝置

2.3 噴頭

3WPX-1500型懸掛式噴藥機(jī)的噴頭選擇扇形噴頭。扇形噴頭具有流量范圍大、角度適中、霧化效果好等特點(diǎn)，經(jīng)常用于懸掛式噴藥機(jī)中。多個(gè)噴頭沿噴桿以一定相等的間距依次排開，能夠形成均勻的噴灑效果。懸掛式噴藥機(jī)整體采用國(guó)外先進(jìn)防滴漏扇形噴頭，噴霧角為110°，噴霧壓力為0.2～0.5 MPa，每一個(gè)噴頭都帶有流量控制閥。扇形可防滴噴頭裝置包括進(jìn)水口、出水口、噴嘴、膜片、膜片座和彈簧。藥液通過壓力從噴桿進(jìn)入噴頭，藥液進(jìn)入噴頭后由進(jìn)水口流入膜片，撞開膜片后克服彈簧的壓力流入出水口，最終流進(jìn)噴頭處經(jīng)過霧化噴出。當(dāng)藥液壓力低于彈簧的最小壓力值時(shí)，膜片就會(huì)在彈簧的壓力作用下封堵出水口，使整個(gè)管道處于封閉狀態(tài)。扇形可防滴噴頭裝置可在藥液噴灑完成后，防止藥液滴漏和回流，起到了節(jié)約藥液的作用，降低了生產(chǎn)成本，避免了造成浪費(fèi)，并防止了對(duì)環(huán)境造成二次污染。

2.4 防反彈機(jī)構(gòu)

為了防止大展臂噴架和小展臂噴架折疊后會(huì)出現(xiàn)的反彈現(xiàn)象，在大展臂噴架和小展臂噴架的鉸接點(diǎn)處設(shè)計(jì)了一個(gè)防反彈連接件。在小展臂噴架鉸接點(diǎn)的底部應(yīng)用鋼板固定，然后在大展臂噴架的鉸接點(diǎn)底部安放一段直管。每當(dāng)小展臂噴架處于展開的狀態(tài)時(shí)，鋼板會(huì)隨著小展臂噴架的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到大展臂底部的直管處并處于卡死狀態(tài)，用來限制小展臂噴架的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 主要參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 藥箱體積

根據(jù)懸掛式噴藥機(jī)工作時(shí)的單位面積所需的噴藥量和噴藥面積確定藥液箱的容積，藥箱的容積應(yīng)不小于噴藥機(jī)工作時(shí)的總體噴藥量，即：

式中，Q——藥箱的容積m3；

A——單次噴藥的工作面積m2；

q——單位面積上的噴藥量L·m-2；

μ——體積系數(shù)，μ=1.5。

根據(jù)黑龍江省農(nóng)業(yè)人員的噴藥作業(yè)情況，遵循噴藥作業(yè)一次的作業(yè)面積A=66 667 m2計(jì)算，我國(guó)有關(guān)部門規(guī)定有機(jī)農(nóng)藥和無機(jī)農(nóng)藥噴藥量為1 500 L/hm2，q=0.15 L·m-2，Q=1.5 m3。

3.2 噴頭高度

選取相鄰的扇形噴頭噴藥角度疊加最少為基準(zhǔn)。

式中，H——噴頭距離植株的高度m；

S——噴頭間的距離，該機(jī)取S=0.8 m；

a——噴頭霧錐角，懸掛式噴藥機(jī)取a=110°；

則H=0.65 m。

3.3 液泵的選擇

隔膜泵用于植保機(jī)械，是非常穩(wěn)定的壓力泵。與傳統(tǒng)泵相比，隔膜泵具有穩(wěn)定性高，壓力大、操作方便、工作效率高等特點(diǎn)。植保機(jī)械經(jīng)常使用的隔膜泵有220 型、240 型、480 型。對(duì)于采取液泵攪拌的懸掛式噴藥機(jī)，液泵的排量大小要滿足噴藥機(jī)噴藥量多少，液泵的回流量是一個(gè)非常重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，液泵的回流量是液態(tài)農(nóng)藥進(jìn)行混合攪拌的重要依據(jù)。

噴藥機(jī)噴桿噴頭的總噴藥量為：

式中：V——噴藥機(jī)的行駛速度m·s-1；

Q2——噴藥機(jī)每公頃的噴藥總量L·hm-2；

B——噴藥機(jī)的幅寬m；

當(dāng)V=7 km·h-1，Q2=1 500 L·hm-2時(shí)，則有Q1=400 L·min-1。

試驗(yàn)結(jié)果：藥液混合攪拌時(shí)需要的回流量一般是藥箱容積的15%～20%，3WPX-1500 型懸掛式噴藥機(jī)采用回液攪拌，回流量假設(shè)Q3，則選取Q3為藥箱容積的15%，則Q3=15%×1 500=225 L·min-1， 3WPX - 1500 型懸掛式噴藥機(jī)液泵的總流量Q4=Q1+Q3，即Q4=400+225=625 L·min-1。根據(jù)計(jì)算，最終選用ZMB480型隔膜泵。

3.4 噴藥機(jī)噴架的尺寸選擇與計(jì)算

通過計(jì)算與分析選擇如下尺寸對(duì)噴架進(jìn)行設(shè)計(jì)，主噴架（見圖3） 選用60×60×5-DN100的無縫鋼管焊接，中央部位焊接有支柱連接，采60×100×5-DN100 的無縫鋼管焊接。主噴架的兩側(cè)對(duì)稱排布，主噴架的幅寬為3 m。

圖3 主噴架

側(cè)噴架（見圖4） 對(duì)稱排布于主噴架的兩側(cè)，選用50×60×5-DN100 的無縫鋼管焊接。側(cè)噴架中央部位焊接支柱連接，采用50×50×5-DN100的無縫鋼管焊接，側(cè)噴架幅寬為3 m。

圖4 側(cè)噴架

邊噴架（見圖5） 對(duì)稱排布在側(cè)噴架兩側(cè)，噴桿選用50×60×5-DN100的無縫鋼管焊接。邊臂噴架中央部分焊接有支柱連接，支柱采用50×50×5-DN100 的無縫鋼管焊接而成，邊噴架幅寬為3 m。

圖5 邊噴架

4 結(jié)論

對(duì)3WPX-1500懸掛式噴藥機(jī)支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。懸掛式噴藥機(jī)能夠針對(duì)不同的農(nóng)作物，在噴藥機(jī)器允許的范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)噴桿的高度以此來滿足不同的農(nóng)作物。噴藥工作結(jié)果表明，噴桿噴架的功能均能實(shí)現(xiàn)，滿足基本的設(shè)計(jì)要求，為研發(fā)先進(jìn)適用、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3WPX-1500懸掛式噴藥機(jī)支架系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。為高稈農(nóng)作物和大面積農(nóng)作物生長(zhǎng)的中后期病蟲害的預(yù)防提供了可靠的技術(shù)保障，對(duì)于解決高稈農(nóng)作物和大面積農(nóng)作物的后期無法噴藥的問題與推進(jìn)農(nóng)作物施藥全程的機(jī)械化進(jìn)程有積極的意義。