直升機(jī)航空施藥供液裝置設(shè)計研究

劉彬 茹煜 陳旭陽 劉洋洋

摘要：為解決航空施藥供液裝置存在的噴灑范圍小、能耗高、作業(yè)效率低等問題，設(shè)計一款適用于R44輕型直升機(jī)的供液裝置。通過延伸噴桿擴(kuò)大作業(yè)噴幅，利用防晃結(jié)構(gòu)減少藥液晃動。施藥試驗結(jié)果表明，裝置適用于輕型直升機(jī)施藥作業(yè)。

關(guān)鍵詞：供液裝置;航空施藥;設(shè)計;藥箱;驅(qū)動裝置

中圖分類號：S224.3??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? 文章編號：1674-1161（2021）04-0026-03

我國是林業(yè)大國，人工林面積現(xiàn)居世界首位。然而，隨著我國林業(yè)種植面積的進(jìn)一步擴(kuò)大，林業(yè)病蟲害多發(fā)頻發(fā)，降低林木產(chǎn)量和破壞林區(qū)生態(tài)。人工林種植面積廣、地形復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工施藥和車載式施藥機(jī)無法滿足病蟲害防治要求，需要采用航空施藥方式。目前，航空供液裝置大多由航空公司自行設(shè)計，存在噴灑范圍小、能耗高、作業(yè)效率和藥液利用率低等問題。為此，設(shè)計一款適用于R44輕型直升機(jī)的航空施藥供液裝置，其與直升機(jī)簡單連接，且具有施藥噴幅大、藥液晃動小、能耗低的特點，以期為人工林的航空施藥提供適用裝置。

1 航空施藥供液裝置的設(shè)計背景

我國人工林種植地形相對復(fù)雜，人工施藥和車載式施藥困難，而航空施藥可以擺脫地形和作物長勢的影響。目前，大多采用固定翼飛機(jī)、輕型飛機(jī)和無人機(jī)開展施藥作業(yè)。與有人駕駛的飛機(jī)相比，無人機(jī)速度變化靈活，但存在載藥量小和續(xù)航時間短的問題。輕型直升機(jī)可以垂直起降，無需機(jī)場和專用跑道，單次作業(yè)承載的藥量較大，因此能夠勝任地形復(fù)雜林區(qū)的施藥作業(yè)。

目前，航空施藥供液裝置大多是針對無人機(jī)的，將藥箱、液泵和噴霧裝置直接固定在機(jī)身下方。常見的航空施藥供液裝置尚存在一些問題：供液裝置與飛機(jī)連接不合理，甚至直接焊接在機(jī)身上，用途局限性大;施藥供液裝置移動不便，安裝時加重前期準(zhǔn)備工作，影響作業(yè)效率;噴桿單次的作業(yè)范圍較小，延長噴灑作業(yè)時間，增加多施、重施的可能性，既浪費農(nóng)藥又污染環(huán)境;在作業(yè)過程中，飛機(jī)轉(zhuǎn)向、加速、減速和爬坡導(dǎo)致箱體內(nèi)部的藥液發(fā)生劇烈晃動，影響機(jī)身穩(wěn)定性，增加飛行員操作難度;箱體內(nèi)殘留的藥液無法得到有效清理，腐蝕箱壁。

2 航空施藥供液裝置的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

施藥供液裝置包括藥箱、藥液驅(qū)動裝置、噴霧裝置和連接裝置，三維模型如圖1所示。藥箱設(shè)有行走裝置，便于移動和安裝。藥箱借助吊裝組件與飛機(jī)的滑橇連接，保證藥箱穩(wěn)定。藥液驅(qū)動裝置安裝在飛機(jī)的滑橇上，通過軟管與藥箱及噴霧裝置連接。噴霧裝置通過連接桿安裝在藥箱上，由主噴桿及延伸噴桿構(gòu)成，保證足夠的作業(yè)范圍。

2.2 工作原理

使用時，供液裝置安裝在直升機(jī)的滑橇上，通過進(jìn)液口將藥液注入藥箱內(nèi);汽油機(jī)水泵通過軟管連接藥箱底部出液口，泵啟動后抽出藥液，經(jīng)過濾裝置去除雜質(zhì)后傳輸給主噴管和延伸噴管，最終通過噴管噴頭實現(xiàn)噴灑。完成作業(yè)后，利用液位計確定藥液剩余量，再通過藥箱上的清洗口向其內(nèi)部注水，對藥箱進(jìn)行浸泡和沖洗。

3 航空施藥供液裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計

施藥過程中的藥液儲存、抽取和噴灑，主要由藥箱、藥液驅(qū)動裝置、噴霧裝置和連接裝置完成。

3.1 藥箱

藥箱通過藥液驅(qū)動裝置與噴霧裝置連通，方便拆卸，如圖2所示。為適應(yīng)林業(yè)面積大的特點，藥箱容量設(shè)置為180 L。藥箱上設(shè)有行走裝置，方便藥箱移動。行走裝置為間隔設(shè)置的一對車輪和一支撐塊或者兩對車輪，其中一組車輪和支撐塊能支撐藥箱的重量，減輕車輪受力。支撐塊的高度等于車輪最低點到藥箱底部的距離。藥箱通過吊裝組件與直升機(jī)的滑橇連接。藥箱上設(shè)置有進(jìn)液口、出液口和清洗口。其中進(jìn)液口2個，放置在藥箱尾部兩側(cè)，可以同時加藥;出液口設(shè)置在藥箱底部，便于與泵連接;3個清洗口分別設(shè)置在藥箱的前、中、后位置，可以實現(xiàn)對藥箱內(nèi)部不同位置的清洗，減少藥液對于箱體的腐蝕。

藥箱采用密度較小的鋁合金一體成型制得，有效減少整體質(zhì)量，節(jié)約燃料。為給飛機(jī)上的通訊設(shè)備留有安裝空間，藥箱上留有中部通孔和方形通孔。藥箱上還設(shè)有液位計，用于觀察藥液量。

為減少施藥作業(yè)過程中的藥液晃動，設(shè)計藥液防晃結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在藥箱內(nèi)頂面上設(shè)置2個隔板，間距為805 mm，將整個藥箱分為3個部分，隔板與藥箱邊緣的距離為600 mm。為保證藥箱內(nèi)的藥液正常流動，在隔板底部與藥箱底板間留有一定間距，高度為1～20 mm。

3.2 藥液驅(qū)動裝置

藥液驅(qū)動裝置為汽油機(jī)水泵，借助軟管與藥箱出液口相連。在汽油機(jī)水泵的出水口設(shè)置一網(wǎng)片式過濾器，以避免藥渣堵塞噴頭，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.3 噴霧裝置

噴霧裝置包括噴桿和噴頭。噴桿上均勻設(shè)置有若干個噴頭，最大壓力載荷為1 MPa。噴桿通過連接架與藥箱連接，連接架的設(shè)計采用插銷原理。噴桿包括主噴桿和延伸噴桿，結(jié)構(gòu)分別見圖5和圖6。兩者通過快速接頭連接，噴桿上均勻布滿噴頭接口，能夠提高作業(yè)范圍。在主噴桿上裝有壓力表，用于監(jiān)測噴霧裝置內(nèi)的壓力。

3.4 連接部件

連接部件主要用于連接藥箱和直升機(jī)滑橇、汽油機(jī)水泵和直升機(jī)滑橇。吊裝組件用于連接藥箱與滑橇，包括卡箍、吊裝桿和吊裝片。

在飛機(jī)滑橇（圖7）的兩側(cè)各設(shè)置一對卡箍，距離滑橇底部500～600 mm處。藥箱兩側(cè)焊接有U型槽狀吊裝片，通過吊裝桿與卡箍連接。吊裝片設(shè)有3個不同高度的安裝孔，用于調(diào)節(jié)高度。

如圖8所示，防滑托架用于固定汽油機(jī)水泵，位于滑橇前端350 mm處。防滑托架分為上、下兩部分，用緊固螺栓固定，水泵利用4個螺栓安裝在防滑托架上。

4 航空施藥供液裝置應(yīng)用試驗

制作航空施藥供液裝置的樣機(jī)后開展航空施藥試驗。對直升機(jī)進(jìn)行安全檢查后，安裝航空施藥供液裝置。通過試驗發(fā)現(xiàn)：在整個航空施藥過程中，主噴桿和延伸噴桿能有效增加作業(yè)范圍，提高單次作業(yè)效率;連接部件使供液裝置與飛機(jī)連接可靠，增加飛行穩(wěn)定性;鋁合金材料減輕供液裝置的重量，有利于降低能耗。但在施藥過程中，液體晃動幅度依然較大，反復(fù)沖擊藥箱內(nèi)壁，勢必會加速藥箱的疲勞和老化。同時，藥液劇烈晃動會使直升機(jī)振動，影響迎角安定性和儀器精度。今后，應(yīng)該重點改進(jìn)供液裝置中的藥液防晃結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

針對目前航空施藥供液裝置存在的安裝復(fù)雜、質(zhì)量過重等問題，設(shè)計一款適用于R44輕型直升機(jī)的供液裝置。藥箱與直升機(jī)連接簡單方便，通過延伸噴桿擴(kuò)大施藥噴幅。設(shè)置有清洗口，便于作業(yè)結(jié)束后清洗藥箱內(nèi)部。同時，防晃設(shè)計能減少作業(yè)時的藥液晃動。樣機(jī)施藥試驗結(jié)果表明，該裝置適用于輕型直升機(jī)的施藥作業(yè)，但施藥過程中的液體晃動幅度依然較大，需要后期改進(jìn)相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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Study on the Design of Helicopter Aerial Spraying Liquid Supply Device

LIU Bin， RU Yu*， CHEN Xuyang， LIU Yangyang

（College of Mechanical and Electronic Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037， China）

Abstract： In order to solve the problems of small spraying range， high energy consumption and low operation efficiency caused by imperfect spraying liquid supply device in aerial spraying process， an aviation liquid supply device suitable for R44 light helicopter is designed.Expand the working spray amplitude by extending the spray rod， and use the anti-shaking structure to reduce the shaking of the medicinal fluid. The application test results show that the device is suitable for light helicopter application operations.

Key words： liquid supply device; aerial spraying liquid; design; medical kit; driving device

收稿日期：2021-03-19

基金項目：“十三五”國家重點研發(fā)計劃“人工林重大災(zāi)害防控關(guān)鍵技術(shù)研究”子課題“智能精準(zhǔn)變量及生物活性保持技術(shù)”（2018YFD0600202-04）

作者簡介：劉 彬（1996—），男，碩士，從事農(nóng)林植保技術(shù)與裝備研究。

通信作者：茹 煜（1973—），女，教授，博士生導(dǎo)師，從事農(nóng)林植保技術(shù)與裝備研究。