大幅寬噴桿式噴霧機結構形式分析

宋 云，李永奎，張麗君,李 芳

(沈陽農業大學 工程學院， 沈陽 110161)

0 引言

隨著土地經營模式的改變，勞動強度大、工作效率低的手動式噴霧器逐步被機動噴霧機替代，植保機械開始向自動化方向發展。目前，寬幅度農業機械需求量越來越大，特別是不需要大功率的寬幅度噴桿式噴霧機發展更為迅猛[1]。常用的噴桿式噴霧機都在12m以上，甚至可達42m[2-3]。噴桿式噴霧機具有效率高、作業質量好、污染少及節省勞動力等特點，不僅可以應用于作物的病蟲害防治，還可廣泛應用于農作物播種前期的土壤土質處理等方面，是一種理想化的大田作業機械[4-6]。

本文綜述大幅寬噴桿式噴霧機的結構形式，分析不同結構形式噴霧機的性能特點，試圖從機械結構設計角度尋找一種操作結構簡單、總體質量小、控制方便的大幅寬噴桿式噴霧機的基本機構，為高度、仰角可調節，并可以折疊的噴桿式噴霧機的設計提供必要的參考。

1 噴霧機噴桿折疊方式及結構

1.1 噴桿折疊方式

一般情況下，當噴桿式噴霧機半邊噴幅小于2～3m時，噴桿可以不需要折疊；但由于噴幅較窄，只適用于小面積耕地作業，不能滿足農作物大面積作業的需求。當整機的噴桿幅度超過6～7m時，必須采取折疊方式，其優點是不工作時能夠方便噴霧機運輸，防止噴桿末端被障礙物刮碰，避免噴桿折損[7]。

噴桿式噴霧機的噴桿通?？煞譃椴豢烧郫B、水平折疊、立式折疊、兩側折疊及伸縮5種形式。噴桿水平和立式折疊方式是將折疊后的噴桿放置在機車尾部。水平折疊方式采用2個關節對噴桿進行折疊支撐，實物圖如圖1所示。立式折疊方式通常采用1個關節對噴桿進行折疊支撐，實物圖如圖2所示。兩側折疊方式是將折疊后的噴桿放置在機車兩側，采用4關節對噴桿進行折疊支撐，實物圖如圖3所示。噴桿伸縮折疊形式一般不需要采用關節鉸接設計。噴桿折疊后能夠減少噴桿橫向所占的面積，方便道路運輸和放入倉庫保存。立式折疊方式一般會增加整機的高度，致使噴霧機道路運輸的通過性相對較差，伸縮折疊會增加整機設計和操控的難度，水平折疊和兩側折疊的整機運輸通過性相對較好，目前這類機型使用較多。

圖1 噴桿水平折疊方式Fig.1 The level folding way of boom

圖2 噴桿立式折疊方式Fig.2 The vertical folding way of boom

圖3 噴桿兩側折疊方式Fig.3 The bilateral folding way of boom

1.2 噴桿結構

目前，噴桿式噴霧機的噴桿主要使用普通型鋼、鋁型材、玻璃鋼、普通塑料等材料。材料對噴桿的力學性能和使用壽命有顯著影響。

噴桿材料采用普通型鋼，其塑形和韌性好，鋼結構更接近于勻質和各向同性，制造簡便、價格便宜；缺點主要是容易失穩，質量較大且不耐腐蝕[8]。鋁型材比常用金屬的密度小，質量更輕且可塑性更強，生產性和化學性能較好，有很強的耐腐蝕性，沒有污染和毒性；但彈性模量低、抗疲勞性差[9]。玻璃鋼是一種纖維強化塑料，具有輕質高強，工藝性能優良，可設計性好、耐腐蝕等優點；缺點主要是容易老化，彈性模量低，及耐溫性差[10]。普通塑料的質量較輕，加工特性好，強度大；但易老化、剛度小[11]。

噴桿式噴霧機的噴桿主要有單桿、桁架和斜拉懸吊等結構形式。噴桿作業時的彈性變形又與噴桿本身的結構有密切的關系[12-13]。噴桿結構的好壞是直接決定噴桿能否滿足不同工況下的作業強度的要求[14]。

單桿結構通常可以是由一個桿件單獨組成，也可以是多個桿件鉸接或焊接組成。一般成平面直線布置，結構設計相對簡單，噴桿質量較輕，操作控制比較方便。噴桿屬于弱阻尼的彈性體，單桿結構的剛度較小，抗彎抗扭性能不易控制，容易產生振蕩等現象，更容易導致噴桿彈性變形[15]。實物圖如圖4所示。

圖4 單桿結構Fig.4 The truss structure

桁架結構通常由多個噴桿桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結構，分為平面桁架和空間桁架兩種結構。平面桁架噴桿的軸線和所受外力都在同一平面上，實物圖如圖5所示。

圖5 平面桁架結構Fig.5 The square truss structure

空間桁架各噴桿的軸線和所受外力不在同一平面上，實物圖如圖6所示。噴桿的桁架一般由桿件組成三角形結構或梯形結構[16]，這樣能充分利用材料自身的強度來承受軸向拉力或壓力，以保護噴桿免于彈性變形；幅寬大時還能夠減輕噴桿的自重和增加桿件的剛度，因此更適合于大幅寬噴桿式噴霧機。鋼結構桁架結構是目前大幅度噴桿式噴霧機主要結構形式

圖6 空間桁架結構Fig.6 The space truss structure

斜拉懸吊結構通常由噴桿、拉索和其他輔助結構等組成，實物圖如圖7所示。該結構可以使噴桿的彎矩減小，受力情況得到明顯改善，同時能夠降低噴桿的設計強度，減輕自身結構質量，從而節省制作原材料；但噴桿關節處使用拉索、彈簧等柔性件連接，會增加噴桿振動情況，導致噴桿作業時不太穩定[17-18]。

圖7 斜拉懸吊結構Fig.7 The cable-stayed suspension structure

2 噴桿式噴霧機控制及調整方式

為了能夠滿足對不同工況和不同農作物的作業需求，噴桿式噴霧機需要根據實際情況進行控制及調整。其控制及調整方式主要有噴桿折疊伸縮、高度調節及仰角控制等。

2.1 噴桿折疊和伸縮操作

對于噴桿幅寬較小的噴霧機，噴桿通常為單桿結構和簡單桁架結構，可以采取不折疊的方式，這樣結構相對簡單，適合于農村小面積作業，勞動強度相對較低；但不能滿足農場大面積作業要求。隨著設計技術的不斷發展，噴桿式噴霧機的噴桿能夠進行折疊伸縮操作來增加噴桿幅度，從而滿足田間大范圍作業需求。

2.1.1 噴桿折疊操作

噴桿折疊鉸接處的結構設計方案有很多，各有優缺點,但都屬于機械式傳動結構。本文根據噴桿折疊操作的驅動動力元件的不同，將折疊操作形式分成3大類。

1)手工折疊操作。噴桿一般設計為3或5段式，左右噴桿關于中間噴桿對稱，噴桿需要人工折疊[19]，可以采取水平、立式、兩側等折疊方式。折疊原理是在噴桿鉸接處采用彈簧及其輔助折疊結構進行定位折疊。手工折疊操作成本相對較低且結構設計簡單，但工作時需要人工在田間完成操作，適用于窄幅噴桿(噴桿完全展開長度不超過8m)及升降高度變化不大的工況[20]。

2)電動推桿折疊操作。電動推桿本身包含電動機和其他機械設備，工作時運用的是電動方式，輸入電壓通常是12/24V，一般使用拖拉機自帶的直流電供電。通過操控駕駛室的開關來控制噴桿長度方向上所布置的電動推桿的推動和收縮，達到噴桿折疊的目的。采用電動推桿進行折疊操作能夠降低整機自身質量，節省原材料，并且實現遠距離的精準控制[21]。噴桿通常采用斜拉懸吊結構和立式折疊方式。

3) 液壓油缸折疊操作?，F階段噴桿的折疊操作通常采用液壓系統來進行控制，根據噴桿結構形式的不同，又可以分成以下幾種情況。

(1)液壓+手工操作：噴桿一般為單桿或者桁架結構，設計為5段式。其中，大臂的鉸接處采用液壓油缸進行折疊操作，小臂的折疊處采用人工操作，整機能夠實現半智能化操作，適合于大幅度的噴桿式噴霧機。當作業范圍不大時，噴霧可以分段控制，有時只需要控制噴桿大臂伸展，小臂不需要展開就能滿足作業需求[22]。這種操作方式能夠降低液壓油缸的使用數量及銷售成本，增加購買力。

(2)全液壓自動操作：對于桁架結構的大幅寬噴桿，采用最多的折疊方式是兩側折疊。噴桿通常是多段式結構，中間噴桿固定，左右噴桿關于中間噴桿對稱。在噴桿大臂和小臂鉸接處均采用液壓油缸進行噴桿折疊操作。其主要分成兩次折疊動作,完成折疊操作通常需要使用4個液壓油缸，每側有兩個液壓油缸分別控制噴桿大臂和小臂的折疊，噴桿大臂先完成90°折疊動作，噴桿小臂跟隨大臂完成180°折疊動作[23]。其自動化操作水平相對較高，能節省人力；但控制元件較多，系統復雜，造價高昂。

對于斜拉懸吊結構的大幅寬噴桿，采用最多的是立式折疊方式，一般不采用水平折疊方式，因其設計和操作會相對困難。噴桿通常使用多段式結構，液壓油缸通過鋼絲繩、繩輪和拉桿等控制兩側噴桿進行折疊與展開操作：當噴桿展開時,斜拉繩一端受到噴桿的拉力,使得原先繞于繩筒上的斜拉繩伸出;當噴桿回收時,斜拉繩會因平面卷形彈簧的彈力作用而繞回繩筒之上,從而實現斜拉鋼絲繩的可伸可縮。噴桿的剛性能夠進一步提升，但由于使用鋼絲繩結構不能可靠地固定關節，噴桿容易顫動。另外，由于結構和空間的原因還可能導致兩側噴桿展開和折疊不同步，對作業有影響。繩輪和鋼絲繩容易發生銹蝕，對噴霧機穩定性有顯著影響[23-24]。

總之，采用機械式傳動結構和液壓油缸結合的方式進行噴桿折疊操作能夠加強噴桿的平衡和其穩定性，可以全自動化地對噴桿進行折疊操作，機械化水平高，操作方便，安全可靠性高，適合于大、中型噴桿式噴霧機。

2.1.2 噴桿伸縮操作

目前，對噴桿伸縮操作方式的研究還比較少，伸縮操作通常是采用錯位原理進行設計。南京林業大學的李振生等[25]提出了兩種噴桿伸縮操作方式：一種是由液壓系統控制，噴桿的伸縮機構采用多極伸縮氣缸進行驅動，可以實現左側桿與右側桿同步縮進。雖然噴桿軸線錯位設計使左右側噴桿在對同一直線作物進行噴霧作業時有細微的時間差，但這并不影響作業效果。

除液壓系統控制外，還可以使用鏈式進行伸縮操作。其噴桿的伸縮操作采取鏈輪機構的驅動控制完成，噴桿與鏈齒在特定點處通過鉸接件相連，靠鏈的傳動來起到導向作用，同時伸縮噴桿與支撐桿架通過鋼絲繩索定點連接，這樣桿架可以對伸縮噴桿起到支撐平衡的作用。噴桿伸縮操作可以根據實際農作物的作業尺寸要求對噴桿伸長量進行相應的控制改變，在運輸時通過噴桿縮進可以節省桿架橫向尺寸占有量，方便運輸；但設計相對復雜，控制相對困難。

2.2 噴桿高度調節

普通小型噴桿式噴霧機的噴桿高度通常固定不變，不需要進行調節；但不能隨著地勢的高度和作物生長高度而自動改變噴桿離地高度，工作適應性較差，會影響農藥噴霧量的均勻性和噴灑質量，降低噴灑效率[26]。但其機構設計簡單，不需要使用自動操控系統，成本較低，適合于對特定株高、特定地勢的農作物進行作業。為了能滿足不同作物或相同作物不同生長時期的作業需求，實現更精確的噴霧高度，提高農藥使用效率，減少農藥損失，噴霧機需要能夠調節離地高度[28]。噴桿噴霧機大多都采用液壓系統進行高度調節，噴桿高度調節主要有以下幾種設計結構。

1)平行四邊形懸架升降調節結構。該調節機構主要組成部分是噴桿、平行四邊形懸掛機構、液壓油缸和控制系統等，如圖8所示。通過驅動液壓油缸的行程使升降桿高度發生變化，噴桿高度隨之發生相應的變化。由于采用平行四邊形結構,底座固定以后,當升降桿在液壓油缸的驅動下進行升降時,懸掛機構另一端的噴桿連接件始終能夠與地面保持垂直狀態；當噴桿系統懸掛在噴桿連接件上時,能保證噴頭噴灑方向始終垂直地面；當噴霧機在起伏不平的地面進行噴霧作業時,噴桿不會前后擺動,能夠保證噴霧機良好的工作適應性[28-30]。該結構適用于大幅寬自走式噴桿噴霧機。

1.底座 2.升降桿 3.液壓油缸 圖8 平行四邊形升降機構簡圖Fig.8 The draft of parallelogram concise machine

2)滑軌式升降調節結構。目前，懸掛式噴桿噴霧機大多都采用滑軌式升降調節結構，簡單的滑軌式升降調節機構主要組成部分是活動件、固定懸架、液壓油缸和控制系統等，如圖9所示。當噴桿高度需要調節時，可以自動改變液壓油缸的行程來控制活動件在滑軌里上下滑動，帶動噴桿活動件跟隨升降，以此達到控制噴桿高度的目的[31]。對于復雜的滑軌式噴霧機升降機構通常還需要使用鋼繩、滑輪和其他機械結構來進行操作[32]，能增強噴霧機的整機剛度，但噴霧機作業時的穩定性可能會降低。

3)組合式升降調節結構。噴霧機的噴桿懸掛機構主要是平行四邊形升降架，通過液壓系統驅動液壓油缸改變行程來實現噴桿懸掛機構的升降。噴桿升降機構主體采用滑軌式設計，能夠在噴桿懸掛升降系統的基礎上進一步對噴桿進行升降；通過雙重作用，能夠使噴桿達到作業需求的準確高度，更能滿足作業需求，但設計相對復雜[33]。

4)噴霧機高度調節結構還可以采用剪叉升降結構來進行調節，目前已經有農業機具正在采用這種結構來進行高度調節，剪叉結構示意圖如圖10所示。通過液壓系統推動剪叉臂來精確地實現升降功能[34]，液壓油缸只需要很小的行程位移就能使噴桿高度發生很大的變化，變幅比例相對較大。另外，剪叉機構有很好的承重性和平穩性，且設計技術成熟，制造技術和質量能夠達標。

1.下橫梁 2.導槽 3.連接板 4.連接梁 5.上橫梁 6.液壓鎖支架 圖9 滑軌式升降機構簡圖Fig.9 The draft of slide track concise machine

圖10 剪叉式升降機構Fig.10 The scissors lifting mechanism

2.3 噴桿仰角控制

噴桿式噴霧機在田間作業時，耕地大多凹凸不平，工況復雜多變，由路面起伏產生的外部激勵會導致噴桿發生不規則的傾斜和振動，有時會造成噴桿末端和噴頭觸地或刮碰農作物，對噴桿造成損害，縮短噴桿使用壽命；同時，影響噴霧沉積分布均勻性，降低噴灑效率和質量[35-36]。為了防止這種情況發生且不影響噴霧機正常作業，噴桿的仰角需要能夠自動進行角度調整。目前，噴桿仰角的調節主要由液壓系統控制，設計結構相對較少。液壓油缸主要有兩種布置形式：一種形式是液壓油缸直接鉸接在噴桿大臂上，結構簡圖如圖11所示；另一種形式是液壓油缸和噴桿大臂組成擺動機構，結構簡圖如圖12所示[29]。兩種調節結構都是通過改變液壓油缸的行程來控制噴桿仰角發生變化。

1.噴桿大臂 2.液壓油缸 圖11 角度調節機構簡圖Fig.11 The angle regulating mechanism diagram

1.噴桿擺動桿 2.擺動液壓油缸 3.噴桿大臂 圖12 擺動油缸調節角度Fig.12 Swing cylinder adjustment angle

3 存在的問題

1)噴桿采用鋼制桁架機構，整機結構笨重,浪費制作材料。

2)噴霧機的主體結構形式比較單一，噴桿仰角調節結構設計較少，大幅寬噴霧機控制元件過多，整機設計相對復雜，造價高昂。

3)設計及制造質量粗糙，達不到規定標準，噴霧機使用壽命短。作業時，噴霧效果不理想，影響農作物產量。

4 建議

1)采取結構優化、動力學分析技術，優化噴霧機結構設計，減輕整機質量；采用鋁型材、塑料等輕型材料制作噴桿，降低總質量，節省材料。

2)采用多渠道設計豐富噴霧機結構的設計形式，增加噴霧機調整方式；采用簡單操作機構及先進控制技術，減少整機油缸和控制元件數量。

3)采用機械現代設計方法與理論，在總體動力學層面上進行分析設計，確保噴霧機動態性能穩定；采用先進制造技術使整機制造質量更加精細；采取數字 監測與控制技術，實現整機自動化操作。

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