3WFQ—1600型牽引式風送噴霧機研制與試驗

張 亮，劉俊峰，李建平，侯天宇

(河北農業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

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3WFQ—1600型牽引式風送噴霧機研制與試驗

張 亮，劉俊峰，李建平，侯天宇

(河北農業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

因現(xiàn)代新型果園的種植模式及管理特點，小型的噴藥植保機械不能滿足新型果園的植保要求。為此，研制了3WFQ—1600型牽引式風送噴霧機。該機在隔膜泵和風機變速箱之間加裝了聯(lián)軸器，動力通過聯(lián)軸器傳遞，優(yōu)化了整機結構。通過理論計算完成了噴霧部件的選型，設計了R級風機流道結構和風機變速箱，風機葉輪直徑1.0m，葉片數(shù)為14，風機變速箱有高低兩個擋位，其傳動比分別是1:3.7和1:4.6，實現(xiàn)了風機轉速0～2 000r/min和0～2 500r/min的無級變速。借用Inventor軟件的實體建模功能，完成了噴霧機整機的設計裝配。室內試驗和樣機的田間試驗表明：風機轉速達到1 500r/min時，風機兩側14個測試點的平均風速為16.3m/s，風量為12.8m3/s，霧滴密度合格率為98.61%。

果園噴霧機；牽引式；風機；變速箱

0 引言

果樹作物是一種世界性經濟作物，其施藥作業(yè)占果樹生產管理總勞動量的30%左右，具有季節(jié)性強、勞動強度高、效率低及耗時費工等特點，施藥作業(yè)效果直接影響了果品品質及產量[1-5]。國外果園施藥機普遍采用風送噴霧技術，在果樹施藥裝備方面，美、歐、日各國在果樹施藥植保作業(yè)時已經考慮到農機與農藝相結合，多采用大行距、小株距的現(xiàn)代化果園種植模式，果樹的株、行距及樹形大小規(guī)范統(tǒng)一，施藥作業(yè)基本上由拖拉機配套的牽引式風送施藥機完成[6]。

我國果園機械化施藥裝備正處于發(fā)展期[5]?，F(xiàn)階段，國家加大了對現(xiàn)代化果園建設的扶持力度，極大地調動了果農對老園改造和建設現(xiàn)代化新型果園的積極性，高效果園施藥裝備的需求日益迫切。如農業(yè)部南京機械化研究所研制的低矮果園自走式風送噴霧機、南京農業(yè)大學工程院研制的3WZ-700型自走式果園風送定向噴霧機。但總體來說，其噴霧傳動結構復雜，藥箱容量小，作業(yè)幅寬偏窄，不適用于現(xiàn)代新型果園的噴霧作業(yè)。本文針對現(xiàn)代新型果園的種植及管理模式，研制了3WFQ-1600型牽引式風送噴霧機，優(yōu)化了動力傳動系統(tǒng)，減輕了整機質量，設計了可調節(jié)速比的風機變速箱，并對風機和樣機進行了室內和田間試驗。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構及工作原理

現(xiàn)代新型果園采用高紡錘形栽培模式，株距1.2～2m、行距3.5～4.0m，整體樹形呈高細紡錘形狀或者圓柱狀，成形后樹冠冠幅小而細高，平均冠幅1～1.5m，樹高3.5～4m，主干高0.8～0.9m。果園一般配備有29.4～44.1kW的大型拖拉機[7]。本果園噴霧機采用牽引式，主要由牽引架、支架、隔膜泵、聯(lián)軸器、機架、藥箱、承重輪及風送輔助裝置等組成，如圖1所示。

1.牽引架 2.支架 3.隔膜泵 4.聯(lián)軸器 5.機架 6.承重輪 7.藥箱 8.風送輔助裝置

噴霧機工作時，牽引架與拖拉機的下拉桿連接，動力由拖拉機后輸出軸經聯(lián)軸器傳遞到隔膜泵，隔膜泵和風機變速箱之間由聯(lián)軸器連接，動力經由聯(lián)軸器傳遞到風機變速箱。藥液從藥箱經隔膜泵加壓后，一部分藥液經射流攪拌器回流到藥箱起攪拌作用，其余藥液經高壓控制閥、管路、噴頭噴出。根據(jù)作業(yè)環(huán)境，調控風機變速箱轉速比和噴霧壓力，進行風力輔助噴霧作業(yè)。

1.2 主要技術參數(shù)

外形尺寸(長×寬×高)/mm：3 600×1 300×1 350

隔膜泵傳動形式：雙側花鍵輸出

隔膜泵排量/L·min-1：135

噴霧工作壓力/MPa：0.3～2

拖拉機輸出轉速/r·min-1：540

配套拖拉機/kW：29.4～44

藥箱容積/L：1 600

噴頭數(shù)量/個：14

整機重量/kg：450

作業(yè)幅寬/m：8～12

作業(yè)速度/m·s-1：0.72～1.5

2 關鍵部件的選型及設計

2.1 噴霧部件的選型

噴霧部件的選型如表1所示。根據(jù)噴霧機總體設計，風機兩側分別安裝有7個方向可調防滴噴頭，工作壓力為0.3～2.5MPa，流量為2.19～5.22L/min，14個噴頭全部工作時總整機噴霧量為30.66～70.08 L/min。考慮藥箱內裝有兩個射流攪拌器及噴霧控制閥向藥箱內回水的功能后，選擇意大利UDOR公司生產的OMEGA135TS2C型隔膜泵。該泵最大工作壓力為4MPa，工作轉速范圍為0～550L/min。

表1 噴霧部件選型

2.2 風送輔助裝置的設計

2.2.1 風量的確定

風送輔助裝置的作用是產生風場，風機吹出的高速氣流不僅將噴頭霧化的霧滴撞擊成更加細小均勻的霧滴，使霧滴二次霧化，還可以驅動霧滴噴灑向靶標作物，使作物的枝葉不停的翻動，并在作物葉背、葉面、樹膛內部外部均勻地覆蓋上霧滴。果園風送噴霧機風量的確定需遵循置換原則及末速度原則，其原理為:噴霧機風機吹出帶有二次霧化的霧滴氣流應能置換風機前方直至果樹內部空間的全部空氣[8]。

如圖2所示：當噴霧機作業(yè)時，其風機轉速和行進速度不變，根據(jù)置換原則，這時風機的風量應為圖中虛線所示長方體的體積，風量計算公式為[9]

Q≥V×L×H×K

(1)

式中 Q—風機風量(m3/s)；

V—拖拉機作業(yè)速度(m/s)；

L—噴灑幅寬(m)；

H—樹高(m)；

K—氣流衰減和沿途損失系數(shù)。

各參數(shù)的取值范圍為：V=0.72～1.5m/s，L=3.5～4m，H=3.5～4m，K=1.3～1.6。將上述參數(shù)代入式(1)中，求得Q=11.5～38.4m3/s。

圖2 風送噴霧機置換原則計算簡圖

2.2.2 風機的確定

風機流道裝置結構如圖3所示。采用R級，主要包護欄、擋風板、扇葉、葉輪及風筒，這種級型的風機結構簡單，制造方便。綜合考慮風機風量與消耗功率匹配等因素，擬定Q=12m3/s。設定風機轉速n=1 500r/min，全壓Pq=400Pa，風機參數(shù)計算公式為[10]

(2)

(3)

(4)

d=ω×D

(5)

其中，Pt為軸功率(kW)；η1為全壓效率；η2為機械效率；n為風機轉速(r/min)；ns為風機比轉速；φt為全壓系數(shù)；d為輪轂直徑(m)；D為葉輪外徑(m)；ω為輪轂比。

查通用風機實用手冊，確定各參數(shù)[10]如下：η1=0.8，η2=0.9，φt=0.1，ω=0.2。計算結果Pt=6.6kW，ns=419，D=1m，d=0.2m。

根據(jù)風機葉片數(shù)目M與輪轂比ω的關系，通過式(6)[10]計算葉片數(shù)目，則

(6)

式中 λm—平均半徑處葉片弦比；

τm—平均半徑處的葉柵稠度；

M—葉片數(shù)目。

查通用風機實用手冊，確定各參數(shù)[10]如下：λm=2.0，τm=1.0～1.5。計算結果M在9.42～14.13之間，為了減少風機的噪音，確定M=14。

1.護欄 2.擋風板 3.葉輪 4.輪轂 5.風筒

2.3 風機變速箱的設計

為了滿足噴霧作業(yè)環(huán)境的要求，設計了可調節(jié)速比的風機變速箱。其結構主要包括轉速撥桿、殼體、傳動齒輪、輸入軸、滑鍵套及輸出軸，如圖4所示。

1.轉速撥桿 2.殼體 3.傳動齒輪

通過旋轉轉速撥桿，齒輪在滑鍵套上移動，從而可調節(jié)齒輪的傳動比。其傳動比分別是1:3.7和1:4.6，實現(xiàn)了風機轉速0～2 000r/min和0～2 500r/min的無級變速。

2.3.1 軸的設計

初始條件：當拖拉機后輸出軸達到額定轉速540r/min時，風機變速箱傳動比為1:3.7，此時風機的轉速為2 000r/min，風機消耗的功率Pc1=9.6kW。風機變速箱傳動比為1:4.6，此時風機的轉速為2 500r/min，風機消耗的功率Pc2=13.2kW。

根據(jù)式(7)[11]計算變速箱輸入軸的功率為

(7)

式中 η—聯(lián)軸器傳遞效率；

Pr—變速箱動力輸入端功率(kW)；

Pc—變速箱動力輸出端功率(kW)。

查機械設計手冊[12]，η=0.98，計算結果Pr1=9.8kW， Pr2=13.5kW。

根據(jù)式(8)～式(11)[11]計算輸入輸出軸的直徑和扭矩，有

(8)

(9)

(10)

(11)

其中，dr為輸入端齒輪軸直徑(mm)；dc為輸入端齒輪軸直徑(mm)；nr為輸入軸轉速(r/min)；nc為輸出軸轉速(r/min)；Tr為輸入軸扭矩(N·mm)；Tc為輸出軸扭矩(N·mm)；C為材料系數(shù)。

當風機變速箱傳動比為1:3.7時，各參數(shù)取值：nr=540r/min，nc1=2 000r/min。計算結果為：dr1≥28.1mm，Tr1=1.73×105N·mm，Tc1=4.58×104N·mm，dc1≥18mm。

當風機變速箱傳動比為1:4.6時，各參數(shù)取值：nr=540r/min，nc2=2 500r/min。計算結果為：dr2≥31.3mm，Tr2=2.39×105N·mm，Tc2=5.0×104N·mm，dc2≥18.6mm，dr≥max{dr1，dr2}=31.2mm，dc≥max{dc1，dc2} =18.6mm。

材料系數(shù)C取107～118，作用在軸上的彎矩比扭矩小時，C取較小值，C=107。輸入和輸出端有鍵槽、連接聯(lián)軸器時，該端加大3%～5%[11]，所以dr=33mm，dc=20mm。

2.3.2 齒輪的設計

當旋轉轉速撥桿可調節(jié)齒輪的傳動比時，輸入軸上的齒輪在滑鍵套上移動，因此齒輪的結構形式選擇直齒輪。輸出軸小齒輪選用45鋼，HB 230；輸入軸大齒輪選用45鋼，HB 200[13]。齒輪參數(shù)計算公式為[11]

(12)

(13)

(14)

Zd=Zx×i

(15)

(16)

(17)

其中，[σH1]為小齒輪許用接觸應力(N/mm2)；σH1為小齒輪接觸疲勞極限(N/mm2)；[σH2]為大齒輪許用接觸應力(N/mm2)；σH2為大齒輪接觸疲勞極限(N/mm2)；A為中心距(mm)；Zd為大齒輪齒數(shù)；Zx為小齒輪齒數(shù)；m為模數(shù)；K為載荷系數(shù)；Tr為輸入軸扭矩(N·mm)；φs為齒寬系數(shù)；SH為齒面的接觸疲勞安全系數(shù)。

查機械設計手冊[13]可知：σHlim1=550N/mm2，σHlim2=540N/mm2，SH=1.1。計算得：[σH1]=500N/mm2，[σH2]=491N/mm2。

當傳動比為1:3.7時，各參數(shù)的取值為：i=3.7、K=1.4，φs=0.4，Tr=1.73×105。擬定Zx1=29，計算結果A1≥226.5mm，Zd1=107。

當傳動比為1:4.6時，各參數(shù)的取值為：i=4.6，K=1.4，φs=0.4，Tr=2.39×106。擬定Zx2=31，計算中心距A2≥279.6mm，Zd2=143，Zd+Zx=min{ Zd1+Zx1，Zd2+Zx2}=136，中心距A≥max{A1，A2}。擬定A=280mm，計算m=4.1，查機械設計基礎確定m=4.5，實際中心距A=306mm。

3 基于Inventor的三維實體設計

Inventor是一種三維參數(shù)化實體模擬軟件，實體建模方面采用一種精確的三維數(shù)字樣機，能生成各種特征和實體模型及工藝特征[14]。運用 Inventor軟件將牽引式風送噴霧機進行三維建模、裝配，從而檢查各個零件的干涉情況。結果表明：各部件不存在干涉現(xiàn)象，結構設計合理[5]。牽引式風送噴霧機總體裝配如圖5所示。

圖5 噴霧機總裝圖

4 試驗

4.1 風機性能試驗

風機性能的優(yōu)劣直接影響了果園風送噴霧機的作業(yè)效果，在TCC電力四驅土槽實驗臺車上進行風機性能試驗。風機主要結構參數(shù)為:風機葉輪外徑D=1.0m，輪轂直徑d=0.2m，風機葉片數(shù)目M=14。

4.1.1 試驗儀器

TCC電力四驅土槽試驗臺車主要由機架、驅動輪、主轉動系統(tǒng)、控制柜、液壓泵站及制動等部分組成，如圖1所示。動力輸出軸采用變頻電機、液壓泵站驅動馬達進行無級調速。選用30kW變頻電動機作為泵站動力，基頻50Hz，同步轉速為15 000r/min。采用A2F定量馬達驅動動力輸出軸，滿足輸出軸的兩個轉數(shù)的要求，即n1=540r/min，n2=1 000r/min，并且可以在0～1 200r/min之間無極調速。TCC土槽試驗車監(jiān)控軟件可對土槽車的行進速度、動力輸出軸扭矩、轉速、功率或其它接入的傳感器數(shù)據(jù)進行采集、顯示及存儲。

圖6 土槽實驗臺

4.1.2 試驗方法

風機安裝在TCC電力四驅土槽實驗臺車后面，動力輸出軸輸出的動力經皮帶輪傳遞給風機；按下變頻控制柜上的動力輸出按鈕，啟動動力輸出電機變頻控制，調整動力輸出變頻器操作面板上的電位器旋鈕，設定動力輸出軸轉速540r/min；選用不同傳動比的皮帶輪，分別使風機轉速達到1 500r/min、2 000r/min、2 500r/min。如圖7所示：風機兩側分別安裝有7個噴頭，用風速儀分別測定風機在不同轉速下14個測試點的風速，在風機的一側分別取3個測試點，距測試點1、2、3、4m處用風速儀測量風機出口外側風場分布。

圖7 風機風速測試

4.1.3 試驗結果

根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪制了風機在不同轉速下出風口的風速曲線，如圖8所示。風機轉速達到1 500r/min時，風機兩側14個測試點的平均風速為16.3m/s，則[10]

Q=V×S

(18)

其中，Q為風機風量(m3/s)；V為出風口風速(m/s)；S為風道截面積。計算Q=12.8m3/s，大于初始設定的風量12m3/s。

圖8 不同轉速下的風機出口風速

風機出口外側風速值如表2所示。根據(jù)測試結果，果園風送作業(yè)末速度約為10m/s，大于氣流到達果樹枝葉的末速度9m/s[8]。

表2 風機出口外側風速

風機轉速分別達到1 500r/min、2 000r/min、2 500r/min時，TCC電力四驅土槽實驗臺車上的傳感器對功率數(shù)據(jù)進行采集、顯示以及存儲。已知皮帶輪的傳動效率ηp=0.9，根據(jù)公式(19)[11]計算風機不同轉速消耗的功率如表3～表5所示。

PF=PC×ηP

(19)

式中 ηp—皮帶輪傳遞效率；

PC—土槽實驗臺車后輸出軸功率(kW)；

PF—風機消耗功率(kW)。

表3 1 500r/min風機消耗功率

表4 2 000r/min風機消耗功率

表5 2 500r/min風機消耗功率

4.2 田間試驗

2015年7月，在河北中農博遠裝備有限公司進行了樣機的試制，并在燕郊現(xiàn)代新型大型果園進行了田間試驗，配套動力為29.4kW拖拉機，如圖9所示。當噴霧機風機轉速達到1 500r/min、作業(yè)速度為1m/s時，在噴霧機的左右兩側各選取3棵蘋果樹，在每棵測試果樹的內膛和外圍上、中、下3個部位各選3片樹葉，葉面、葉背均布上紙卡，計數(shù)每級霧滴數(shù)的紙卡數(shù)。試驗結果如表6所示。

圖9 樣機田間試驗

霧滴密度/滴·cm-2左外葉面紙卡數(shù)左外葉背紙卡數(shù)左內葉面紙卡數(shù)左內葉背紙卡數(shù)右外葉面紙卡數(shù)右外葉背紙卡數(shù)右內葉面紙卡數(shù)右內葉背紙卡數(shù)≤200001010120～502333234450～10077989788≥1001817151516161514

按風送式果園噴霧機作業(yè)質量(NY/T992—2006)的標準，霧滴沉積密度大于20滴/cm2為合格。根據(jù)試驗結果，可得霧滴密度合格率為98.61%。

5 結論

1)針對現(xiàn)代新型果園的種植模式，設計了3WFQ-1600型牽引式風送噴霧機，通過理論計算完成了關鍵噴霧部件的選型。噴霧機工作時，動力輸入和傳遞完全由聯(lián)軸器來承擔，使整機結構更加緊湊。

2)為了滿足現(xiàn)代新型果園的噴霧作業(yè)要求，設計了風送輔助裝置，確定風機結構型式為R級，風機直徑為0.1m，葉片數(shù)為14。

3)風機性能試驗表明：風機轉速達到1 500r/min時，風機兩側14個測試點的平均風速為16.3m/s，風量為12.8m3/s，大于初始設定的風量12m3/s。

4)為了滿足現(xiàn)代新型果園噴霧作業(yè)要求，設計了可調節(jié)速比的風機變速箱。其傳動比分別是1:3.7和1:4.6，實現(xiàn)了風機轉速0～2 000r/min和0～2 500r/min的無級變速。

5)樣機的田間試驗表明：當噴霧機風機轉速達到1500r/min、作業(yè)速度為1m/s時，霧滴密度合格率為98.61%。

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Design and Experiment of 3WFQ-1600 Traction Type Air-assisted in Orchad

Zhang Liang, Liu Junfeng, Li Jianping, Hou Tianyu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China)

According to the characteristics of the modern new orchard planting pattern and management, small spraying plant protection machinery cannot meet the requirement of the plant protection of new gardens. As a result, the traction type air-assisted of 3WFQ-1600 was developed to solve similar problems. Between the diaphragm pump and fan gearbox of this machine is a coupling, and the power is transmitted through the shaft coupling ,which optimize the structure of the whole machine. Through the theoretical calculation of finished spray parts selection, rated R fan flow channel structure and fan gearbox were designed ,the diameter of fan impeller is 1.0 m and blade number is 14.Turbine gearbox has high and low two gears, the transmission ratio are 1: 3.7 and 1:4.6, achieving the fan speed 0～2000r/min and 0～2500r/min. To complete the spray machine design and assembling of the machine, we used the AIP software entity modeling capabilities. The field test and indoor test shows that when the fan rotation speed reaches 1500r/min, 14 test points of the fan on both sides of the average wind speed is 16.3m/s, air volume is 12.8m/s, drop density percent of pass is 98.61%.

orchard sprayer; traction type; fan; gearbox

2016-04-27

國家蘋果產業(yè)技術體系項目(CARS-28)；國家公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203016)

張 亮(1990-)，男，河北保定人，碩士研究生，(E-mail)15933463553@163.com。

劉俊峰(1956-)，男，河北保定人，教授，(E-mail)liujf@hebau.edu.cn。

S491

A

1003-188X(2017)04-0062-06