森林病蟲害防治噴霧機藥箱配置及整機性能分析

雒鷹，陳玲，楊麗婕，劉冰，尹子康， 李繼平，崔鐵花，付曉霞

(1.吉林省林業科學研究院，長春 130033；2.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

森林病蟲害防治噴霧機藥箱配置及整機性能分析

雒鷹1，陳玲1，楊麗婕2，劉冰1，尹子康1， 李繼平1，崔鐵花1，付曉霞1

(1.吉林省林業科學研究院，長春 130033；2.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

針對6HW30和6HW-12A兩種型號森林病蟲害防治噴霧機藥箱總成配置對整機帶來的穩定性問題和藥箱防銹蝕問題，課題組做了藥箱總體方案改進設計，并對噴霧機主機、6HW30、6HW-12A和6HW-12B型噴霧機進行了縱向穩定性計算分析。關于藥箱防銹蝕問題，本文通過對A3鋼、A3鋼涂刷防腐材料和不銹鋼進行了試驗對比，結果顯示：A3鋼不具備防腐性能，未經處理不能做藥箱材料。A3鋼涂刷防腐材料，防腐性能只能維持2 a之久，之后便不具防腐性能。0Cr18Ni11Nb不銹鋼雖然藥箱成本會有所提高，但耐銹蝕性能較為理想。研究結果表明：6HW30、6HW-12A和6HW-12B三種型號噴霧機當中，6HW-12B型森林病蟲害防治噴霧機無論在穩定性方面還是耐銹蝕方面都優于前兩者。

高射程；森林病蟲害；噴霧機；藥箱

0 引言

6HW系列噴霧機特指風送高射程森林病蟲害防治噴霧機，是植物保護機械(簡稱植保機械)的一種[1]，目前，我國植保機械的發展和發達國家相比還存在著很大差距[2]，主要表現在以下幾個方面：施藥技術落后，農藥利用率低；機型單一，缺少專業化防治機械；風機、噴頭、液泵和藥箱等關鍵零部件達不到理想的工作要求，仍需改進和創新[3]。為了研發高效、低耗植保機械，國外早在20世紀40年代就開始研究采用風送噴霧技術對林木進行病蟲害防治。該技術利用風機產生的高速氣流將霧滴霧化并輸送至靶標，增加了霧滴穿透性，有效減少了霧滴飄移，實現了低量噴霧[4]。為了提高農藥利用率，降低污染，80年代又開發出隧道式循環噴霧機，其最大的特征是擁有一個隧道型的罩蓋，作業過程在一個近乎封閉的空間內完成。通過Peterson和Hogmire的試驗證明，在罩蓋內使用橫流風機能讓氣流橫向送出，沉積效果要好于軸流風機[5]。同期，國外又出現了風幕式噴桿噴霧機，該機作業時在風筒出風口處形成風幕，迫使霧滴向作物沉積[6]。1999年Salyani在柑橘果園進行噴霧試驗，通過改變噴霧機的風機風量和地面行駛速度得出噴霧機的噴霧效果[7]。采用化學農藥防治病、蟲、草害及其他有害生物來提高樹木生長量和質量是現代化林業不可缺少的重要手段。而評價農藥噴施質量的重要指標是農藥有效物質在噴施靶標上的均勻沉積分布，要達到這一指標，除采用質優的噴灑機具和正確的操作外，還必須使農藥有效物質與稀釋用的載體(通常是水)在噴頭噴出前混合均勻[8]。農藥與水的混合通常是在噴霧機自帶的藥箱內完成的。藥箱作為噴霧機重要組成部分，它的大小、結構形式、布置位置等都會對整機的使用性能帶來重要影響。

筆者帶領的課題組迄今為止已經開發出6HW30、6HW-12A和6HW-12B三種機型。其中，6HW30型噴霧機的操控方式為手控機械式；6HW-12A型噴霧機的操控方式為電控氣動式；6HW-12B型噴霧機的操控方式為電控液壓式[9-11]。隨著型號和操控方式的改變，藥箱總成作為上述三種機型噴霧機的重要的組成部分，在結構的合理性和自動化程度方面都相應得到提高。下面就以上三種型號噴霧機的藥箱總成對整機的影響一一加以分析論述。

1 6HW30型噴霧機

該型噴霧機為第一代樣機。設計之初，由于受各種因素限制，該機的藥箱采用容積比較小的單箱結構，被布置在駕駛員座椅后方，動力輸出軸上方，材料為A3鋼。評價藥箱總成對整機的影響主要從以下三方面考慮[12-14]：①藥箱總成位置對整機重心的影響；②藥箱總成耐腐蝕度對整機使用效能的影響；③藥箱容積大小對整機作業效率的影響。

1.1 藥箱總成位置對整機的影響

如上所述，6HW30型噴霧機藥箱總成的位置是在駕駛員身后，動力輸出軸上方，如圖1所示。

圖1 6HW30型噴霧機Fig.1 Type 6HW30 sprayer

從圖1中可以看出，藥箱總成布置在主機大驅動輪中心線之后，加之笨重的風機和機械傳動裝置，使本不堪負重的后部平添了360 kg(320 kg水加上40 kg箱體重量)的重量。盡管在主機最前部加裝了超過100 kg的配重，該機在上坡作業時，縱向穩定性仍舊不能得到充分的保證，時常有風機拖地和前輪翹起情況發生。前面的配重也將無端的消耗發動機部分有效功率。

圖2 拖拉機上坡時極限傾翻角示意圖Fig.2 Diagram of limit angle of uphill overturn of the tractor

由于選擇了藥箱布置在上述位置，因受制于后部空間限制并考慮到整機重心對生產作業帶來的影響，所以藥箱容積不可以隨意放大，經過計算，最終確定藥箱容積暫定在320 L。看上去不大的藥箱，因為設計的位置不盡合理，導致對整機的縱向穩定性帶來了巨大影響。6HW30型噴霧機主機(拖拉機)正常上坡時極限傾翻角如圖2所示。

圖中：L為軸距，1 702 mm；H為重心到地面垂直距離，750 mm；A為重心到大驅動輪中心線距離，a≈L/3 =573 mm；αlim為極限傾翻角[15]，αlim=tg-1(a/h)=tg-1(573/750)= 37.38°

加裝了噴霧裝置后的6HW30型噴霧機上坡時極限傾翻角如圖3所示。

圖3 6HW30型噴霧機上坡時極限傾翻角示意圖Fig.3 Diagram of limit angle of uphill overturn of type 6HW30 sprayer 注：1.藥箱總成；2.齒輪變速箱總成；3.風機總成

從圖3中可以看出，影響整機重心后傾的三個總成分別為藥箱總成1，齒輪變速箱總成2和風機總成3。其中，尤屬藥箱總成1重量最重，達360 kg。后部越重，a值就越小。α值越小，上坡時越容易傾翻。合理保持整機重心位置，使其在上下坡均能保持正常作業至關重要。圖3中在加裝藥箱且掛載噴霧機總成后的a值降為210 mm。經過計算，6HW30型噴霧機上坡極限傾翻角αlim= tg-1(a/h)= tg-1(210/750)=15.6°，縱向穩定性大幅降低。a值不能過小，也不能過大。過小上坡穩定性不好，反之則下坡穩定性不好。

1.2 藥箱總成耐腐蝕度對整機使用效能的影響

藥箱總成耐腐蝕度是衡量噴霧機一項很重要的指標。農藥的pH值大都在4.6左右，呈酸性的較多[8]。盡管在實際生產使用中需加入大量水稀釋，但稀釋后的液體仍呈弱酸性。6HW30型噴霧機由于是第一輪樣機，設計之初主要考慮的是各個部件總成能否完成在林地內的規定使用動作，加之科研經費不足，故沒有在藥箱材料和耐腐蝕性方面做更多的考慮，而直接選用了機械工程設計中最為廣泛應用的材料A3鋼。A3鋼的優點是加工性能好、制造成本低廉。缺點是不具備對農藥的耐酸堿度腐蝕。經過一段時間的使用，藥箱內部開始大量銹蝕、剝落形成“藥渣”。這些“藥渣”隨離心泵的抽力在管道內、噴嘴處經常發生堵塞而影響實際生產使用，需定期清理。長此以往，對整機使用效能帶來巨大影響。

1.3 藥箱容積大小對整機有效作業時間的影響

藥箱容積對整機作業效率影響甚大。藥箱容積大，一次性作業時間就長，作業效率就高；反之，藥箱容積小就需要頻繁回到路邊儲水罐處加水。由于儲水罐車不能隨噴霧機一同進入林地，通常都是在作業林地路邊停放。開始作業時，噴霧機距離儲水罐車還較近，經過幾個小時作業后，噴霧機會距離儲水罐車越來越遠，頻繁加水勢必嚴重影響整機的作業效率。藥箱容積又不能過大，過大會消耗大量發動機功率，以至于噴霧機達不到設計噴高，油耗也會隨之增大，這也是不可取的。6HW30型噴霧機藥箱容積為320 L。單次加滿藥后連續作業時間為2 h左右。夏季作業，為避免中午酷暑，作業時間一般為上午4：00-11：00，下午15：00-20：00。這中間需要加藥6次左右，加藥次數偏多。

2 6HW-12A型噴霧機

根據6HW30第一代樣機生產使用情況分析，筆者對藥箱、風機和齒輪變速箱進行重新設計和選型，繼而進行了第二代樣機的研制。

第二代樣機全稱為“6HW-12A高射程自行式森林病蟲害防治噴霧機”。該樣機不僅對藥箱和風機做了全面升級和改動，同時用楔形皮帶傳動取代了齒輪變速箱機構。藥液泵也從玻璃鋼離心泵升級為不銹鋼旋渦泵。操控方式從第一代的手控機械式升級為第二代的電控氣動式。

2.1 藥箱總成位置對整機的影響

6HW-12A型噴霧機藥箱總成一改6HW30型噴霧機單箱結構而設計成雙藥箱結構，藥箱A和藥箱B分列兩個大驅動輪上方，藥箱底部通過連通器連接。藥箱A內側設有玻璃溢位計。如圖4所示。

從圖4可以看出，藥箱A與藥箱B的重量完全作用于主機大驅動輪正上方。此種結構設計最大限度保留了主機的重心位置，使得圖2中的a值略有縮小。另外，6HW-12A型噴霧機對風機進行了重新選型，用新型的高壓風機取代了圖1中笨重的老舊風機，重量減輕近40 kg。為使整機重心盡量前移，6HW-12A型噴霧機還用楔形皮帶傳動替代了6HW30型噴霧機的齒輪變速箱，使得整機結構更加緊湊，重量進一步降低。改型后的6HW-12A型噴霧機上坡極限傾翻角比主機略有減少，如圖5所示。

圖4 6HW-12A型噴霧機Fig.4 Type 6HW-12A sprayer

圖5 6HW-12A型噴霧機上坡時極限傾翻角示意圖Fig.5 Diagram of limit angle of uphill overturn of type 6HW-12A sprayer

從圖5中可以看出，在整機后部只有一個體積小、重量輕的風機總成，而且緊貼主機后部。計算中，a≈L/3 = 1 720/3 = 573 mm，考慮到整機后部仍有大部分總成，所以a值會相應縮小，取a= 500 mm。則6HW-12A型噴霧機上坡極限傾翻角為：αlim= tg-1(a/h)=tg-1(500/750)= 33.6°。此參數在平原和丘陵地區林地內作業足夠安全。由于重心在后部，下坡極限傾翻角不在此計算。

2.2 藥箱總成耐腐蝕度對整機使用效能的影響

由于第一代樣機藥箱銹蝕嚴重，所以在6HW-12A型噴霧機研制過程中，著重對藥箱耐農藥腐蝕做了特殊處理。在中央財政林業科技推廣示范項目經費資助下，筆者加工制造了4臺新的6HW-12A型噴霧機，藥箱內部全部涂刷防腐涂料，以驗證該方法的使用效能。經過兩年多的實際應用，藥箱耐腐蝕性能得到極大提高，偶爾發生輕微阻塞，基本不影響正常使用。但在長期封存車庫后，也就是在研制最新一代樣機之前，課題組將一臺6HW-12A型噴霧機的藥箱拆解開來，令人想不到的是防腐涂料在應用一段時間并長期閑置后已無痕跡，并且藥箱內部已經開始銹蝕。實踐證明：防腐涂料能夠解決一時的銹蝕問題，但并不能從根本上徹底解決該問題。

2.3 藥箱容積大小對整機作業效率的影響

如前所述，在噴霧量恒定時，藥箱容積的大小對整機的作業效能有著不可忽視的作用。6HW30型噴霧機的藥箱容積為320 L，而6HW-12A型噴霧機由于布置空間加大并且不受重心偏后影響，綜合各方面因素考慮，每個藥箱容積設定為230 L，兩箱共460 L。每天野外作業僅需加水2～3次即可，大大提高了整機作業效率。

3 6HW-12B型噴霧機

該機是高射程自行式森林病蟲害防治噴霧機中最新一款機型。6HW-12B型噴霧機是在總結前兩種噴霧機存在問題基礎上開發研制的一種集機電液于一機之上的高射程噴霧機。最新一代樣機不僅在操控方式上由6HW-12A的電控氣動式升級為電控液壓式，藥箱的溢位計也由6HW-12A的玻璃溢位計改為浮子溢位聲光控報警裝置。該裝置的工作原理是當藥箱內的水位加滿或用完時，藥箱內的浮子就會觸碰行程開關，駕駛室內的控制按鈕閃亮，蜂鳴器也同時報警[16-19]。值得一提的是該機為主機加裝了非標異型全封閉駕駛室，基本解決了駕駛員與農藥零距離接觸的安全問題。6HW-12B型噴霧機外形如圖6所示。

圖6 6HW-12B型噴霧機Fig.6 Type 6HW-12B sprayer

6HW-12B型噴霧機與6HW-12A型噴霧機的藥箱位置沒有發生改變，所不同的是藥箱容積增加了40 L，變為500 L。增加的40 L容積對整機縱向穩定性造成的影響微乎其微，可忽略不計。故6HW-12B型噴霧機的上坡極限傾翻角應基本等同于前述的6HW-12A型噴霧機的數值。在藥箱耐腐蝕方面，6HW-12B型噴霧機選用不銹鋼代替前兩代樣機的A3鋼，從根本上解決了藥箱銹蝕問題。隨著藥箱容積的進一步加大，使得6HW-12B型噴霧機單次作業時間也同步得到延長，有效作業時間顯著提高。

4 結論

筆者帶領的課題組研制的6HW系列高射程噴霧機，歷經三種型號、三代樣機，藥箱作為整機的重要組成部分，無論是位置、結構還是材料的變化都會對整機產生重大影響。首先，在縱向穩定性方面，主機自身上坡極限傾翻角為37.38°；第一代6HW30型噴霧機上坡極限傾翻角為15.6°；第二代6HW-12A型噴霧機上坡極限傾翻角為33.6°；第三代6HW-12B型噴霧機上坡極限傾翻角應基本等同于6HW-12A型噴霧機。其次，在藥箱耐腐蝕方面，由開始的6HW30型噴霧機單純使用A3鋼過渡到6HW-12A型噴霧機A3鋼刷防腐涂料，最后到6HW-12B型噴霧機的不銹鋼藥箱。藥箱容積從開始的6HW30型噴霧機單箱320 L提高到6HW-12A型噴霧機雙箱460 L，最后確定為6HW-12B型噴霧機的500 L。綜上所述，第一代樣機6HW30型噴霧機優點：結構簡單，維修方便，價格低廉。缺點：爬坡能力差，藥箱銹蝕嚴重，藥箱容積偏小。第二代樣機優點：縱向穩定性好，自動化程度高，藥箱有一定抗銹蝕能力，作業效率高。缺點：風機噴頭不能定向噴霧，藥液有浪費，藥箱仍有銹蝕發生。第三代樣機優點：縱向穩定性好，自動化程度高，藥箱具有耐酸堿腐蝕功能，作業效率是三代樣機中最高的一種型號，可達60 hm2/臺班。缺點：駕駛室溫度偏高。

高射程自行式森林病蟲害防治噴霧機在吉林省西部地區經過7 a生產試驗，總作業面積超過30 000 hm2，防治效果良好。隨著第三代樣機的研制成功，藥箱總成也有了質的飛躍，應用前景十分廣闊。

[1] LY/T1669-2006.風送高射程噴霧機[S].北京：中國標準出版社，2006.

[2] 王杰，陶振洋，茹煌，等.風機在農林植保機械中的應用研究現狀及展望[J].中國農機化學報，2016，37(9)：67-73.

[3] 周海燕，楊炳南，嚴荷榮，等.我國高效植保機械應用現狀及發展展望[J].農業工程，2014，4(6)：4-6.

[4] Farooq M，Salyani M.Spray penetration into the citrus tree canopy from two air-carrier sprayers[J].Transactions of the CSAE，2002，45(5)：1287-1294.

[5] Hogmirc H W，Peterson D.Pest control on dwarf apples with a tunnel sprayer[J].Corp Protection，1997，16(4)：365-369.

[6] Lyonsjohnson D.Gentle sprayer cuts pesticide drift[J].Agricultural Research，1997，45(4)：12.

[7] Salyani M，Fox R D.Evaluation of spray quality by oil- and water-sensitive papers[J].Transactions of the American Society of Agricultural Engineers，1999，42(1)：37-43.

[8] 何雄奎，K1eisinge S，吳羅羅，等.動力學因素和藥箱充滿程度對噴霧機液力攪拌器攪拌效果的影響[J].農業工程學報，1999，15(4)：131-134.

[9] 雒鷹，黃國樑，山廣茂，等.6HW-12A高射程自行式森林病蟲害防治噴霧機的研制[J].林業機械與木工設備，2010，38(10)：47-49.

[10] 雒鷹，山廣茂，黃國樑，等.6HW-12B高射程自行式森林病蟲害防治噴霧機的研制[J].森林工程，2015，31(3)：85-89.

[11] 雒鷹，陳玲，山廣茂，等.6HW-12A高射程森林病蟲害防治噴霧機防治效果分析[J].森林工程，2015，31(4)：106-110.

[12] 雒鷹，黃國樑，李殿鋒，等.6HW-12A型高射程自行式森林病蟲害防治噴霧機的應用[J].林業機械與木工設備，2014，42(6)：54-55.

[13] 張安東，邱白晶，童翔，等.噴桿式噴霧機藥箱藥液晃動三向力的測量與分析[J].農機化研究，2016，38(11)：108-112.

[14] 何萬寶，趙峰，全永統，等.3WPZ—2000型自走式噴桿噴霧機的設計研究[J].中國農機化學報，2016，37(12)：68-72.

[15] 鎮江農業機械學院，洛陽農業機械學院.拖拉機理論[M].北京：中國農業機械出版社，1981.

[16] 黃清臻，周廣平，徐之明，等.影響農藥藥效的一些因素[J].農藥科學與管理，1995，16(3)：31-33.

[17] 李睿遠，柴蒼修，彭軍，等.車載超低容量噴霧機液位自動檢測裝置的研究[J].林業機械與木工設備，2006，34(11)：13-15.

[18] 溫浩軍，康建明，王士國，等.3WF-12型超寬幅噴桿式噴霧機的研究與試驗[J].安徽農業科學，41(12)：5635-5637.

[19] 楊清樹，張志平.3WX-1500型寬幅噴桿噴霧機[J].農業機械，2007(10)：29.

AnalysisofMedicineBoxAssemblyandWholeMachinePerformanceofSprayersforForestDiseaseandPestControl

Luo Ying1，Chen Ling1，Yang Lijie2，Liu Bing1，Yin Zikang1， Li Jiping1，Cui Tiehua1，Fu Xiaoxia1

(1.Jilin Provincial Academy of Forestry Sciences，Changchun 130033； 2.College of Mechanical and Electric Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022)

For the two types of sprayers for forest disease and pest control，6HW30 sprayer and 6HW-12A sprayer，concerning the effect of the medicine box assembly on the stability of the whole machine and the anti-corrosion performance of the medicine box，the overall design plan of the medicine box is improved.The longitudinal stability of the main machine of the sprayer，6HW30 sprayer 6HW-12A sprayer and 6HW-12B sprayer is analyzed in this paper.Then the anti-corrosion performance of the medicine box with different materials，A3 steel，A3 steel brushed with anti-corrosion material and stainless steel，is tested.A3 steel does not have anti-corrosion performance，untreated A3 steel cannot be used as the material of the medicine box.The anti-corrosion performance of A3 steel brushed with anti-corrosion material can be maintained only for two years.The cost of 0Cr18Ni11Nb stainless steel is high，but its anti-corrosion performance is better.The results show that，for the three types of sprayers for forest disease and pest control，6HW30，6HW-12A and 6HW-12B sprayer，the stability of the whole machine of 6HW-12B sprayer and anti-corrosion performance of its medicine box are the best.

High range；forest disease and pest；sprayer；medicine box

S 776.28；S 43

：A

：1001-005X(2017)05-0062-05

2017-04-07

吉林省科技廳重點科技攻關項目(20130206057NY)

雒鷹，研究員。研究方向：林業機械。E-mail：ly13578671811@163.com

雒鷹，陳玲，楊麗婕，等.森林病蟲害防治噴霧機藥箱配置及整機性能分析[J].森林工程，2017，33(5)：62-66.