履帶風送式噴霧機的設計與試驗

樊桂菊，王永振，仉 利，楊慶璐，張曉輝，王 勇

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；3.山東華興機械股份有限公司，山東 濱州 256500)

0 引言

在現行果園種植模式下，由于不同區域之間、同一區域不同地塊之間，以及同一地塊不同果園之間存在種植密度、行距、品種特性的變化[1-3]，特別是行距的多樣性成為影響果樹植保作業的主要因素。在現代化的果樹生產中廣泛采用的噴霧方式，在我國大部分地區的傳統果園中的應用極大地受到果樹農藝栽培技術的制約[4-5]。

我國目前從事風送式噴霧機的研究和生產的單位很多，按動力類型分為車載式、自走式及牽引式等幾種形式，按噴射距離又分為遠程和近程，按控制方式分為手動和遙控等方式[6]。其中，以車載式遠程風送式噴霧為主，主要是應用在市政和道路兩側植被樹木的病蟲害防治，其它用于果園植保的機械主要是用戶自己在農用三輪車等運輸車輛上自行改裝的簡易噴霧裝置[7-8]，而對于非標準種植的果園或者葡萄園等應用的植保機械相關技術開發和規模生產投資力度小、使用的機具可靠性較低、生產質量難以得到保證[9-10]。

為此，在充分調研市場的基礎上研制開發了HX300F-240履帶風送式噴霧機，該機設計科學、結構新穎、操作方便、使用安全可靠、工作高效快捷，適合不同種植行距的果園植保作業及當前果園植保應用的發展方向。該機有效減少了動力消耗，節省了勞動力，提高了噴藥過程中的噴施效果，減少了噴藥量，提高了果樹產量，是一種新型的高效果園植保機械。

1 噴霧機總體構成及工作原理

履帶風送式噴霧機由機架、動力系統、行走裝置、傳動系統、控制系統、風送系統和噴霧系統等組成，如圖1所示。

1.操縱臺 2.發動機 3.隔膜泵 4.藥箱 5.噴頭 6.噴頭支撐桿 7.風機 8.底盤 9.履帶 10.換向器 11.驅動輪 12.離合器手柄圖1 履帶噴霧機整機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the tracked sprayer

機架作為整個支撐機構，下與履帶底盤連接，上與傳動系統和噴霧系統等連接；行走裝置包括履帶、驅動輪、轉向輪和托鏈輪等，風動系統包括離心式風機、導風板等，噴霧系統包括藥箱、隔膜泵及噴頭等。

履帶風送式噴霧機以噴霧系統作為一次霧化，以風送系統作為二次霧化。噴霧系統由隔膜泵作為動力源，抽取藥箱的藥液，通過輸液管將藥液送到各個噴頭，實現一次霧化；風送系統由離心式風機作為動力源，產生的高壓氣流通過導風板對霧滴進行二次霧化，由原來的噴霧變成彌霧，增加了農藥附著率，達到防病治蟲的效果。該噴霧系統采用圓錐霧噴頭，霧化效果好，果樹冠層葉面附著率高，且通過增加兩側雙噴桿進行噴霧，可實現雙側扇形噴頭單獨控制，針對不同靶標開啟單側或雙側噴霧，實現精確對靶控制。

2 總布局及關鍵零部件的選擇設計

該機采用多功能田園管理機改裝底盤，底部通過前后一體整體結構式機架和驅動裝置、離合裝置、變速裝置、行走裝置、噴霧裝置、風機部件，以及藥箱、管路等連接；驅動裝置的發動機通過一路離合裝置傳遞動力至變速箱，經齒輪系統減速通過差速器將行走動力傳遞給履帶行走裝置；驅動裝置的發動機還經過一路鏈條傳動帶動噴霧裝置的隔膜泵運轉，同時輸出一路動力，經過離合器傳動給減速換向箱，再經過傳動軸將動力向機器后部傳遞，最終通過帶傳動驅動風機工作。

2.1 動力裝置的設計和選型

果園大多分布在丘陵山區，而目前噴霧機仍以牽引式為主，通過性不強，針對此現狀設計為履帶自走式噴霧機。該機具有接地面積大，傾翻穩定性好，通過性強等特點。

因此，根據樣機總體設計要求和目標準則，以噴霧機滿載時機質量900kg為總重力，根據驅動力經驗公式應為機重的0.6～0.7倍，取0.7，可計算出履帶式噴霧機驅動力為5 400N。

發動機轉矩計算公式為

(1)

發動機功率計算公式為

(2)

其中，T為發動機轉矩；Fq為履帶行走驅動力；r為驅動輪半徑；η為機械效率；i1為變速箱傳動比；i2為最終傳動比；n為發動機轉速。

選用離心式風機功率為3 kW，隔膜泵功率為4.2 kW，加上功率損耗，得出系統總功率消耗為

N=Ndp+Nfj+Nb+Ngh=12.2kW

(3)

其中，Ndp為履帶行走功率消耗；Nfj為風機功率消耗；Nb為隔膜泵功率消耗；Ngh為功率損耗。

2.2 傳動系統設計

傳動系統是動力系統與行走系統、風送系統和噴霧系統的連接紐帶，主要由發動機、帶輪、減速箱、傳動軸、聯軸器和張緊輪等組成。

根據作業需求，傳動系統主要分為3路：一是發動機通過發動機支架連接到底盤的整體式機架上，動力由發動機帶輪通過2根A型張緊式離合帶傳到主傳動減速箱的輸入軸帶輪上，然后經過傳動箱體內部的全齒輪傳動和變速系統進行減速換向等傳遞給主變速箱輸出軸。輸出系統采用的是差速傳動輸出，兩個半軸可分別傳遞動力并且可以保證差速傳動，經過安裝有剎車裝置的聯軸器將動力分別傳遞給兩側履帶行走裝置的驅動輪。二是風機動力傳動系統，通過發動機帶輪，再通過2根A型帶和張緊裝置組成的離合器傳遞給換向減速箱體，然后通過車架底部的長軸將動力傳遞到整機后部，最后通過帶傳動系統將速度進一步提高后帶動風機中心軸高速轉動。三是隔膜泵動力傳動系統,經過主變速箱的輸入軸另一端經鏈條傳動傳遞給噴藥泵。

2.3 噴霧系統的設計

履帶噴霧機噴霧系統由藥箱、總開關、過濾器、隔膜泵、壓力調節閥、分配器和噴頭等組成，如圖2所示。

圖2 噴霧系統設計示意圖Fig.2 Spray system design diagram

隔膜泵通過鏈輪獲取發動機動力，隔膜泵從藥箱中抽取藥液分成兩路，一路通過輸液管到達噴頭完成噴霧作業，另一路經回液管流回藥箱，對藥箱內的溶液進行攪拌，保證藥液混合均勻。

2.4 風機的選擇

風機對于履帶風送式噴霧機的設計至關重要，直接影響霧滴二次霧化的效果。目前，果園噴霧機大多利用軸流風機，風機風力大，對霧滴附著率有一定影響，導致附著不均勻，噴霧效果不理想，近處可能導致藥滴反彈，遠處可能無法附著，造成農藥浪費，污染環境[11-13]。為解決以上問題，本設計利用噴藥泵通過管路從安置在機架中間的容積為200L的不銹鋼藥液箱吸取藥液，從隔膜泵的輸出端輸出具有一定壓力的藥液，加注到藥液分配器，然后經分配器的多路輸出端分別流向風送式噴頭或噴桿端噴頭，當幾個輸出端不需要噴霧時，藥液經安全閥端流回藥箱，減少了藥液浪費及環境污染。

2.4.1 風量的確定

根據幾何運動模擬及現有設備結構尺寸計算初步確定風機圓形風道直徑為φ550mm，額定轉速為3 000r/min，風送式噴霧機中風量的確定通常采用置換原則和末速度原則。噴霧機作業時，風筒吹出的風量應為氣體體積再乘上一個系數K，即

Q=HLV0K

(4)

其中，Q為風量(m3/s)；H為噴頭到植株近端距離(m)；L為噴幅(m)；V0為噴霧機行進速度(m/s)；K為考慮到風量損失而設定的系數，K=1.2～1.5。

根據實際調查獲得，取H=0.5m。設單個噴頭的噴幅為0.5 m，則L=3m。根據以上計算知Vmax=0.47m/s，取V=0.45m/s，K=1.5，則Q=3 645m3/h。

2.4.2 風機風速V1和植株端風速V2

根據理論風機風速V1=Q/F1=1.01/πR2=4.26m/s確定了風量Q以后，還與氣流到達作物時的風速V2有關。若V2過小，氣流失去翻動枝葉的能力；若V2過大，則氣流直接穿透植株，造成霧滴漂移，浪費農藥污染環境。根據相關試驗可得，V2應根據作物的密集程度選擇不同的風速。假設履帶式噴霧機單位時間內行走距離為B，導風板出口風速為V1，則經過作物近端平面的風量應等于導風板出風口風量再乘上一個系數K。即

Q=LBV2=F1V1K

(5)

其中，V2=F1V1K/LB,又知L=3 m，B=0.45m/s，

則滿足條件的最小V2=2.68m/s。

所以，到達植株端的風速V2為2.68m/s，接近3級風速，可使枝葉搖擺適合接受噴霧符合設計要求。綜上所述，設備的結構尺寸、工作參數及所選用設計的各系統符合設備的設計和使用要求。

3 試驗與分析

依據GB/T17997-2008《農藥噴霧機(器)田間操作規程及噴灑質量評定》等國家標準，對履帶風送式噴霧機進行了噴霧量測定[14-15]。樣機如圖3所示。

圖3 履帶風送式噴霧機Fig.3 Caterpillar air-assisted orchard sprayer

試驗介質為清水。試驗用液體的溫度和試驗地點的氣溫為16℃，噴頭出風口風速設計為21m/s，在出風口20cm出風速為10m/s，自然風速小于1 m/s。

試驗用液體選用不含雜質的清水，啟動履帶風送式噴霧機，通過壓力調節旋鈕和壓力表，調整噴霧系統壓力分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7MPa；打開噴霧系統，開始噴霧。利用秒表計時60s，收集各個噴頭噴出的液體，試驗重復10次，將收集的液體用電子秤稱量各個噴頭噴出的液體質量并做好記錄。試驗數據如表1所示。

由表1可以看出：隨著壓力的上升，噴頭噴霧量有所提高，但是變化幅度不大，各噴頭噴霧量總體恒定，變異系數均小于5%。

表1 不同壓力下噴頭噴霧量

4 討論與結論

4.1 討論

1)整機結構設計。采用立體式全方位噴霧，避免了單機多次進地；履帶結構避免了壓實土地的缺陷，同時適應果園坡地起伏不平的狀況，通過性好，也減少了輪式行走可能存在的趴窩等動力消耗過大情況；在此基礎上又進行了輕型化和合理化設計，使噴霧機的整機能效比達到了較高的水平。主要通過各機構布置合理、各零件結構設計合理兩方面來降低機器質量和成本，同時又考慮到適應行距的作業允許空間。

2)整機的可靠性設計。對各傳動連接軸、各傳動連接件、各支架和底盤及零件機構進行了變形設計及增加了強度；

3)操控機構設計。采用遠離噴霧端且中間布置駕駛位及主離合器操縱手柄、變檔手柄、油門控制手柄、轉向操縱手柄、風機離合手柄和布置在噴藥機一側的多路分配器相應手柄，所有手柄都在駕駛員手臂可操縱范圍內。另外，配有輔助式高度、傾斜角度可調式座椅，方便控制調節。

4)噴霧機構設計。將藥泵、藥箱、管路、風機及噴桿等在機架上的位置進行整體設計，使其結構緊湊、布局合理，又方便操作。藥泵排量預留較大空間，以方便后期可更換較大流量噴頭或增加噴頭數量；藥箱容積設計盡可能在有限空間最大化，對風送式彌霧噴頭和兩側噴桿單獨設計管路和開關，提高機器效率，減少藥液浪費；彌霧噴頭均可調向，噴桿可上下左右和角度調整。風機選用風量大的多扇葉風扇，控制轉速使風機生成小于35m/s的風機出口風速，形成梯度氣流使枝葉扭轉與退讓，可使霧滴的穿透性和樹內沉積量增加，提高了作業質量和機組生產率。

5)履帶行走及控制裝置設計。履帶在通過性和自重方面進行平衡設計，并采用差速轉向和手動剎車設計，行走速度匹配果園噴霧需要的基礎上配套發動機和變速箱體檔位，考慮雙向行走均衡，較窄履帶寬度適應整機結構和果園較窄空間的通過性要求。

6)整機傳動系統設計。充分考慮最大動力需求，合理配比各部件利用度，保證行走平穩、噴霧高效，最大利用發動機的功率并保證安全系數。

4.2 結論

設計了一種距離可調和方向可控的定向對靶噴霧機。根據果樹高度和樹冠大小，調節噴頭位置和噴施方向，利用離心式風機實現陣列式送風對霧滴進行二次霧化。根據噴施要求控制噴頭開關實現不同靶標精確對靶，減少農藥使用量和環境污染，減輕了勞動強度，提高了作業效率。通過噴霧量測定，各個噴頭噴霧量變異系數均小于5%，符合設計要求。

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AbstractID:1003-188X(2018)05-0117-EA