自動(dòng)調(diào)平噴桿式噴藥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

王佳文，楊自棟

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博　255049；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，杭州　311300)

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自動(dòng)調(diào)平噴桿式噴藥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

王佳文1，楊自棟2

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博255049；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，杭州311300)

摘要：針對(duì)耕地存在緩坡起伏及不同農(nóng)作物具有不同的植株高度的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套能夠自由調(diào)節(jié)噴桿高度的噴桿式噴藥機(jī)。該機(jī)噴桿始終保持與地面平行，使噴藥機(jī)在田間工作時(shí)能夠通過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行自由提升，且在田間工作時(shí)可利用機(jī)械部件完成噴桿的調(diào)平工作。系統(tǒng)利用動(dòng)滑輪和液壓系統(tǒng)完成噴桿的提升，利用彈簧和阻尼器完成噴桿的機(jī)械調(diào)平工作。該噴藥機(jī)對(duì)提高農(nóng)藥的利用率、降低農(nóng)作物生產(chǎn)成本都具有積極的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：噴桿式噴藥機(jī);提升機(jī)構(gòu)；調(diào)平機(jī)構(gòu)；液壓系統(tǒng)

0引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是人類(lèi)生存的根本，人類(lèi)生存離不開(kāi)農(nóng)作物。然而，農(nóng)作物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，經(jīng)常遭受到病菌、害蟲(chóng)、雜草等生物的侵害，因此農(nóng)藥噴灑是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工程中必不可少的環(huán)節(jié)[1]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)機(jī)械被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，以提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)效率和降低工作強(qiáng)度。農(nóng)藥噴灑機(jī)械的發(fā)展，根據(jù)各國(guó)情況的不同各有其特點(diǎn): 日本地塊較小、經(jīng)營(yíng)分散，故以發(fā)展小型機(jī)動(dòng)式噴灑機(jī)械為主; 為提高生產(chǎn)效率，近年來(lái)開(kāi)始發(fā)展較大型植保機(jī)械，如自走式機(jī)動(dòng)噴粉噴霧彌霧機(jī)[2]。美國(guó)、加拿大等國(guó)，因其土地面積較大且比較平坦，故以發(fā)展拖拉機(jī)配套的懸掛式和牽引式大型噴灑機(jī)械為主[3]。我國(guó)多山地丘陵，而且種植的農(nóng)作物種類(lèi)繁多，不同的作物植株以及同一種作物不同生長(zhǎng)時(shí)期植株高度不同[4]，而且由于我國(guó)耕地大多地勢(shì)不平，在噴藥過(guò)程中，難免會(huì)產(chǎn)生噴桿的傾斜。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)械來(lái)滿足我國(guó)的國(guó)情需求。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.13WP-1200型噴桿噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3WP-1200型噴桿噴霧機(jī)與大于等于73.5kW備有后置輸出軸、液壓泵的拖拉機(jī)配套懸掛作業(yè)，適用于大田農(nóng)作物如玉米、小麥、棉花、大豆及馬鈴薯等病蟲(chóng)草害防治，可噴施化學(xué)藥劑及液態(tài)肥等。

3WP-1200-21噴桿式噴藥機(jī)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該型號(hào)噴藥機(jī)主要由大架總成、升降總成、側(cè)臂總成及水路系統(tǒng)等部分組成。

1.機(jī)架　2.藥液箱　3.清水箱　4.液泵　5.加藥箱

主要技術(shù)參數(shù)：配套動(dòng)力為73.5～132.3kW，噴灑幅寬20 720mm，噴霧系統(tǒng)工作壓力0.2～0.5MPa；液泵為BM380型隔膜泵，最高轉(zhuǎn)速為540r/min，最大流量為210L/min；動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540r/min,作業(yè)幅寬21m，藥液箱額定容量1 200L；噴頭為間距500mm的42個(gè)110°扇形噴頭，兩側(cè)噴藥臂展開(kāi)時(shí)整機(jī)外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為20 720mm×1 780mm×2 990mm。

3WP-1200型噴桿噴霧機(jī)已經(jīng)研制生產(chǎn)出樣機(jī)，如圖2所示。

圖2　噴桿式噴藥機(jī)

1.2工作原理及工作過(guò)程

本噴藥機(jī)采用三點(diǎn)懸掛的方式與拖拉機(jī)連接，拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)與噴藥機(jī)液壓系統(tǒng)通過(guò)快換接頭的方式進(jìn)行連接。拖拉機(jī)正常工作時(shí)，拖拉機(jī)的液壓油通過(guò)快換接頭進(jìn)入噴藥機(jī)液壓控制系統(tǒng)中，使噴藥臂逐級(jí)展開(kāi)；同時(shí)拖拉機(jī)駕駛員可以通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)液壓油的輸入量來(lái)調(diào)節(jié)液壓油缸的行程來(lái)控制噴藥機(jī)升降總成在噴藥機(jī)大架滑槽里的滑動(dòng)位置，以此來(lái)達(dá)到控制噴桿的高度的目的；并通過(guò)調(diào)節(jié)一級(jí)噴藥臂油缸的行程來(lái)控制噴桿的角度，能夠通過(guò)控制幾個(gè)油缸的行程實(shí)現(xiàn)噴桿高度和角度的自由調(diào)節(jié)。

拖拉機(jī)的動(dòng)力傳出軸將動(dòng)力傳遞給噴藥機(jī)底部的隔膜泵，隔膜泵將加藥箱中的液體農(nóng)藥及清水箱中的清水進(jìn)行加壓之后送入藥液箱之中；農(nóng)藥和清水在藥液箱中進(jìn)行充分混合攪拌形成藥液，對(duì)混合好的藥液進(jìn)行加壓之后經(jīng)噴藥控制系統(tǒng)進(jìn)入噴藥臂上的水管中，經(jīng)噴頭噴灑至農(nóng)作物的施藥部位上。

2主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1升降總成設(shè)計(jì)

升降總成主要由升降油缸、鋼絲繩、平衡油缸、噴桿調(diào)平裝置、固定滑塊及噴桿大臂等部分組成，如圖3所示。

圖3　升降組成三維示意圖

升降總成通過(guò)拉簧與大架總成的鋼絲繩固定板相連，兩條鋼絲繩的一端固定在固定板上，另一端固定在升降總成的兩側(cè)上，兩條鋼絲繩各繞過(guò)兩側(cè)上下4個(gè)動(dòng)滑輪；通過(guò)控制液壓控制系統(tǒng)的液壓油進(jìn)出升降油缸來(lái)控制升降油缸的行程，鋼絲繩帶動(dòng)動(dòng)滑輪位置的改變，固定滑塊在大架總成的滑槽里上下自由滑動(dòng)，以此提升或者降低噴藥桿。這樣就可以實(shí)現(xiàn)噴藥桿高度的自由調(diào)節(jié)，來(lái)滿足不同農(nóng)作物的噴藥工作。

2.2大架總成

大架總成主要由拉簧、鋼絲繩固定板、藥液箱固定架、懸掛架、滑槽、水路系統(tǒng)固定板、油管支架，以及噴藥臂折疊固定板等部分組成，如圖4所示。

圖4　大架總成三維示意圖

大架通過(guò)拉簧與鋼絲繩固定板進(jìn)行連接，升降總成的滑塊根據(jù)油缸行程的改變，在鋼絲繩的作用下在大架總成的滑槽里上下自由滑動(dòng)，以此來(lái)改變噴藥桿的高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同農(nóng)作物的噴藥工作，如圖5所示。

圖5大架總成和升降總成結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.5Schematic diagram of frame assembly and lifting assembly

2.3噴桿調(diào)平機(jī)構(gòu)

噴桿調(diào)平機(jī)構(gòu)主要由平衡油缸、彈簧及空氣阻尼器等部分組成，如圖6所示。噴藥機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，需要檢查平衡油缸是否升起，若未升起則操縱液壓分配器的伸展桿加壓，使之升起。只有將平衡油缸升起后，兩側(cè)噴藥臂和大架產(chǎn)生的四桿機(jī)構(gòu)在平衡油缸的作用下才能達(dá)到平衡狀態(tài)而不產(chǎn)生晃動(dòng)；同時(shí)只有當(dāng)平衡油缸升起時(shí)，平衡阻尼器才會(huì)產(chǎn)生作用。調(diào)平機(jī)構(gòu)固定在升降總成的大架上，兩側(cè)噴桿則通過(guò)連桿與調(diào)平機(jī)構(gòu)連接，使之成為一個(gè)整體；當(dāng)噴桿產(chǎn)生傾斜時(shí)，調(diào)平機(jī)構(gòu)產(chǎn)生作用。

圖6　調(diào)平機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

噴藥機(jī)在田間正常工作時(shí)，由于地面不平整，很容易導(dǎo)致拖拉機(jī)產(chǎn)生傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致噴桿產(chǎn)生傾斜，噴桿一側(cè)低于預(yù)定噴藥高度，另一側(cè)高于預(yù)定噴藥高度，導(dǎo)致藥液不能夠準(zhǔn)確到達(dá)施藥部位。此時(shí)，彈簧會(huì)產(chǎn)生阻礙一側(cè)噴桿高度的提升，使之保持原有的噴藥高度不變。但彈簧又容易產(chǎn)生簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，使兩側(cè)噴桿始終在上下顫動(dòng)，此時(shí)平衡阻尼器開(kāi)始作用，使這種簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的幅度降低，最終歸于平衡。

2.4行走速度的設(shè)定

拖拉機(jī)的噴霧行走速度，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況首先測(cè)定噴頭流量，但作業(yè)區(qū)域內(nèi)的土地平整狀況也是重要影響因素。一般噴霧速度在3～8km/h[5]。

先向藥液罐內(nèi)加入適量清水，給系統(tǒng)加壓，觀察霧化情況和壓力表，一般工作壓力在0.2～0.5MPa。此時(shí)，接取一個(gè)噴頭1min的噴量，可用稱重法確定噴量，乘以噴頭間距500mm便是全噴幅1min的實(shí)際噴量。此時(shí)的壓力指數(shù)及噴量是一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)，可參考《作業(yè)速度計(jì)算公式》制定出機(jī)組行走速度。

ν=600Q/(A·B)

式中ν—作業(yè)速度(km/h)；

B—噴頭間距(m);

Q—單個(gè)噴頭的噴量(L/min)；

A—施藥量(L/hm2)。

改變行走速度、噴霧壓力、噴頭大小，均可使公頃施藥量改變，用戶可根據(jù)具體情況靈活掌握。更換噴頭時(shí)應(yīng)選用正規(guī)廠家的產(chǎn)品，以免造成損失。噴頭必須是同一廠家、統(tǒng)一型式、同一標(biāo)號(hào)的噴頭，并在作業(yè)前實(shí)測(cè)其噴量，以確定單位面積的施藥量。

需要注意的是，拖拉機(jī)行走速度的改變是依靠檔位的更換，不可靠油門(mén)大小控制速度，油門(mén)應(yīng)保持恒定。

3作業(yè)過(guò)程中主要工作部件的使用和調(diào)整

3.1加水

石羊河流域生態(tài)恢復(fù)路徑?jīng)Q策及實(shí)施效果分析……………………………………………… 賈小明，張永明(5.36)

向藥液箱加水時(shí)，若有外動(dòng)力水源，則直接從上加水口處加入；若無(wú)外動(dòng)力水源，則用噴藥機(jī)自身獨(dú)立的加水系統(tǒng)將水打入藥液箱。具體操作如下：

1)將吸水帶一端與噴藥機(jī)加水口相連接(見(jiàn)圖7)，另一端與水源相連接，或?qū)⑽^放入水中，避開(kāi)水草雜物確認(rèn)吸水頭完全浸入水面以下；水淺應(yīng)適當(dāng)改變浮球繩的長(zhǎng)度，防止吸水頭沉入泥中，注意吸水管路中不能進(jìn)氣。

2)將A閥門(mén)置于“加水”位置， B閥門(mén)置于“加水加藥”位置，啟動(dòng)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)隔膜泵，向藥液箱加水。

圖7　加水配藥閥門(mén)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2配藥溶藥

在向藥液箱加水的同時(shí)進(jìn)行配藥溶藥。藥液箱加水的同時(shí)，將D閥門(mén)置于“加水”位置，向溶藥箱內(nèi)放入適量水，再將所需藥品倒入溶藥箱溶解，待藥液箱水加注至1/2左右，將A閥門(mén)和、E閥門(mén)(見(jiàn)圖7左下角)置于“加藥”位置，將所溶藥液吸入；待溶藥箱內(nèi)藥液吸凈后，再將A閥門(mén)置于“加水”位置，D閥門(mén)置于“藥瓶清洗”位置，將空藥瓶嘴向下套于箱內(nèi)的清洗噴頭上，輕輕向下按壓3～5s，對(duì)藥瓶進(jìn)行清洗，減少殘液對(duì)環(huán)境的污染；再按上述操作往溶藥箱中加清水對(duì)箱壁進(jìn)行清洗，最后將清洗的殘液按上述加藥操作吸入藥液箱。

3.3攪拌

觀察液位指針，待加注至所需容量后，先停泵，再將A、B閥門(mén)置于“噴藥”位置，C閥門(mén)置于“攪拌”位置。同時(shí)，可根據(jù)藥劑的不同選擇攪拌量大小，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)閥門(mén)C手柄，攪拌量變大；反之，變小，起動(dòng)液泵開(kāi)始攪拌。一般，噴藥前攪拌量較大，噴藥中攪拌量較小。徹底和仔細(xì)地?cái)嚢柁r(nóng)藥是噴霧機(jī)作業(yè)的重要步驟之一，攪拌不勻?qū)⒃斐墒┧幜坎痪鶆颍瑢?duì)于可濕性粉劑一類(lèi)農(nóng)藥，要一直攪拌到一箱藥液噴完為止。

3.4噴藥

機(jī)組行至作業(yè)地點(diǎn)，確定作業(yè)路線時(shí)應(yīng)觀察有無(wú)障礙物，如樹(shù)木、電桿、溝坎等，作業(yè)區(qū)域的坡度情況也應(yīng)引起重視。在地邊空曠區(qū)域先將噴桿展開(kāi)，調(diào)整噴桿高度，使噴頭距目標(biāo)物的距離為500mm；再查看閥門(mén)A、 B、F是否處于“噴藥”位置，若F閥門(mén)置于“回流”位置，則藥液直接流回藥箱；最后根據(jù)作業(yè)情況依次打開(kāi)噴桿分配器開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖8)；拖拉機(jī)根據(jù)預(yù)定擋位、油門(mén)、勻速前進(jìn)，此時(shí)根據(jù)噴桿分配器打開(kāi)路數(shù)的不同，旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥H，使噴霧壓力達(dá)到預(yù)定值。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，壓力增大，噴藥量增大；反之，壓力減小，噴藥量減小。一般，噴藥量的大幅度調(diào)整時(shí)，調(diào)整閥門(mén)H，微量調(diào)整時(shí)，則調(diào)整閥門(mén)G；同樣順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，噴藥量增大，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，噴藥量減小。每個(gè)噴藥嘴的噴藥量則由其所在路的調(diào)壓閥單獨(dú)調(diào)整，使每一個(gè)噴藥嘴的噴藥量相同。

圖8　噴藥閥門(mén)示意圖

4田間試驗(yàn)

4.1場(chǎng)地試驗(yàn)

本文仿照 Jeon 等[6]的試驗(yàn)方案，讓牽引噴藥機(jī)的拖拉機(jī)一側(cè)的前輪和后輪先后通過(guò)階躍實(shí)驗(yàn)路面，以此進(jìn)行場(chǎng)地試驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)噴桿式噴霧機(jī)噴桿調(diào)平機(jī)構(gòu)的有效性[7]。試驗(yàn)方案如圖9所示。

(a)噴桿噴霧機(jī)后視圖 (b)噴桿噴霧機(jī)左視圖

1.階躍路面2.噴桿噴霧機(jī)3.噴桿

圖9噴桿噴霧機(jī)系統(tǒng)階躍過(guò)程示意圖

Fig.9Process of boom sprayer across the step track

為模擬田間實(shí)際情況，將階躍試驗(yàn)路面的高度設(shè)為 0.1m，拖拉機(jī)的行駛速度設(shè)為田間正常作業(yè)速度4.9km/h,分別將噴桿的作業(yè)高度設(shè)定為1 000、1 100、1 200mm。駕駛拖拉機(jī)，使其左側(cè)前、后輪相繼駛上實(shí)驗(yàn)路面，記錄左右兩側(cè)噴桿最遠(yuǎn)端的離地高度值,如表1所示[8]。

表1　場(chǎng)地試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：在噴桿調(diào)平機(jī)構(gòu)的作用下，噴藥機(jī)在通過(guò)試驗(yàn)路面時(shí)，兩側(cè)噴桿的離地高度相對(duì)于作業(yè)高度并未改變太多，在噴藥工作的允許范圍以內(nèi)。

4.2田間試驗(yàn)

使用噴桿調(diào)平系統(tǒng)，在德州樂(lè)陵市天成工程機(jī)械有限公司試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)場(chǎng)地為存在緩坡起伏地勢(shì)，拖拉機(jī)作業(yè)速度設(shè)為田間正常作業(yè)速度4.9km/h[9]。

由表2可見(jiàn)：在噴桿調(diào)平機(jī)構(gòu)的作用下，噴藥機(jī)在通過(guò)緩坡起伏的田間時(shí)，兩側(cè)噴桿的離地高度雖有起伏但相對(duì)于作業(yè)高度并未改變太多，在噴藥工作的允許范圍以內(nèi)，并未影響機(jī)器的正常噴藥作業(yè)。

表2　田間試驗(yàn)結(jié)果

5結(jié)論

本噴桿式噴藥機(jī)能夠針對(duì)不同的農(nóng)作物，在機(jī)器允許范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)噴藥高度來(lái)滿足不同農(nóng)作物的噴藥工作；同時(shí)，在噴桿調(diào)平機(jī)構(gòu)的作用下，噴桿在緩坡起伏的田間雖偶有晃動(dòng)，但能夠很快恢復(fù)平衡，未發(fā)生分行器底部觸地現(xiàn)象。

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Design and Experimental Research on Automatic Levelling Boom Sprayer

Wang Jiawen1，Yang Zidong2

(1.School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049,China;2.School of Engineering, Zhe Jiang A&F University, Hangzhou 311300，China)

Abstract：For the characters of undulating gentle slope of arable land and the different height of different crops, we design this boom sprayer.The spray bar could remain parallel to the ground.The boom sprayer could lift freely within the allowable range through the hydraulic system.The boom sprayer also could complete the leveling work in the field.The spray bar is lifted by the hydraulic system and movable block.The spring and balancing dampers are used to complete the mechanical leveling work of spray bar.The boom sprayer plays a positive role in Improving the utilization of pesticides and reducing crop production costs.

Key words：boom sprayer; lifting mechanism; leveling mechanism; hydraulic system

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0162-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S491

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王佳文(1989-),男，山東威海人，碩士研究生，(E-mail)wangjiawen_cool@yeah.net。通訊作者：楊自棟(1970-)，男，甘肅張掖人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)yzd66@126.com。

基金項(xiàng)目：山東省技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(201430113002)

收稿日期：2015-07-22