風幕式高地隙噴桿噴霧機研究與設計

2018-07-03 08:29:56吳彥強林立恒侯加林劉雪美劉向峰

農機化研究 2018年7期

吳彥強，林立恒，侯加林，苑進，劉雪美，劉向峰

(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.山東華盛農業藥械有限責任公司，山東臨沂 276017)

0 引言

玉米是我國重要的糧食作物，2016年全國種植總面積約3 717萬hm2。玉米生長中后期植株高大、枝葉交叉造成田間郁閉，常規植保機具存在底盤較低無法進地、霧滴飄失及在玉米冠層沉積不均勻等問題，從而使病蟲害加劇，玉米產量與質量下降，影響農戶收入與國家糧食安全[1-2]。為了解決玉米生長中后期病蟲害防治問題，王波等[3]結合吊桿噴霧裝置與橫噴桿設計了門式噴霧系統，提高了霧滴在玉米不同冠層高度的沉積量及沉積均勻性。范國強等[4]設計了可配套噴霧裝置的四輪菱形布置農用高地隙作業機。秦維彩等[5]研究了無人直升機作業高度和噴幅等作業參數對霧滴在玉米中后期植株上沉積量和分布均勻性的影響。

氣流輔助式防飄噴霧技術能夠有效防止霧滴飄移，改善霧滴在玉米冠層沉積分布，提高農藥利用率，減少農藥霧滴對非靶標區域的污染[6-9]。嚴荷榮等[10]研制了風幕式噴桿噴霧機，通過性能試驗和田間試驗證明風幕系統具有很好的防飄效果。楊學軍等[11]針對經濟作物如棉花、大豆等中后期病蟲害防治研制了自走式高地隙風幕噴桿噴霧機。張鐵等[12]對超高地隙風幕式噴桿噴霧機進行了田間試驗并分析了相關參數對霧滴沉積量、沉積量均勻程度及飄移率的影響。王俊等[13]利用3WQ-3000型牽引式風幕噴桿噴霧機進行玉米田間試驗，研究了風幕式氣流輔助噴霧系統搭配不同類型噴頭對霧滴沉積與覆蓋規律、農藥利用率和地面流失率的影響。劉雪美等[14-15]研制了3MQ-600型導流式氣流輔助噴桿彌霧機并通過試驗驗證了該機具的減飄及霧滴沉積性能。

上述研究為本文提供了參考，但存在田間通過性、施藥安全性較差及施藥效率較低等問題。隨著農村土地規模化經營步伐的加快，現代玉米全程機械化植保作業環節對大型、高效、安全農機具的要求也在不斷提高。為此，本文針對玉米植保作業研制了高地隙底盤與風幕式防飄技術相結合的大型風幕式高地隙噴桿噴霧機，并對其噴霧作業效果進行了相關試驗研究。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

風幕式高地隙噴桿噴霧機主要由駕駛室組件、高地隙靜液壓底盤、噴桿架組件、噴霧系統和風幕系統等組成，如圖1所示。主要技術參數如表1所示。其中，藥箱分置于機器兩側，通過提高兩側機架高度和采用大直徑車輪來提升底盤離地間隙。整高地隙靜液壓底盤主要由發動機組件、龍門式機架、行走轉向系統、液壓系統和電氣系統等組成。

(a) 整體圖

(b) 左視圖

參數數值外形尺寸/mm8600×2900×4100結構質量/kg9300配套動力/kW113驅動方式四輪驅動/二輪、四輪、蟹型轉向輪距/mm2280～3300軸距/mm2400駕駛室高度/mm500～3000作業幅寬/mm24000噴霧高度/mm500～3000

續表1

1.2 工作原理

如圖2所示：噴霧機工作時，發動機動力帶動3組液壓泵工作，分別為行走轉向系統的輪邊馬達和轉向油缸、噴霧系統的主藥泵和攪拌泵馬達、風幕系統的風機馬達、駕駛室升降油缸、噴桿架組件的升降油缸、噴桿架組件的折疊展開油缸及調平油缸等工作部件提供動力。主藥泵從主藥箱中抽取藥液，加壓后一部分經過噴霧壓力控制閥和噴霧開關電磁閥組輸送至五段噴桿上面噴嘴噴出；另一部分回流到主藥箱起回水攪拌作用，兩個攪拌泵分別從一側藥箱中抽水加壓后經管路送入另一側藥箱，對兩側藥箱藥液進行射流攪拌。風幕系統風機馬達驅動風機產生高速氣流，經風筒及風囊下方出風孔吹出，形成一道風幕，從而隔絕或減弱自然風的影響，降低霧滴飄失，高速氣流還可以脅迫霧滴定向加速飛向靶標，增加了霧滴對植株冠層的穿透性[23-25]。

2 關鍵部件的設計

2.1 龍門式機架的設計

龍門式機架是風幕式高地隙噴桿噴霧機高地隙靜液壓底盤關鍵部件之一，主要由發動機支架、左側和右側機架總成、前輪和后輪立柱、前后轉向油缸、前輪距和后輪距調節油缸等組成，如圖3所示。左右側機架總成分別安裝在發動機支架兩側，左側機架總成與右側機架總成可以沿著發動機支架上的前輪距調節缸套和后輪距調節缸套左右伸縮來改變輪距，由前、后輪距調節油缸同步控制調節前、后輪輪距。駕駛室組件與噴桿架組件分別通過相應平行四邊形升降機構安裝在前掛架底座與后掛架底座上，駕駛室組件與噴桿架組件升降由各自液壓油缸控制，兩者升降高度在500～3 000mm可調。兩側機架下方中部，前輪立柱與后輪立柱之間安裝藥箱。整機工作時，玉米植株從機架中間經過，減少了機器對玉米植株的損壞。考慮到所設計駕駛室寬度及我國北方地區玉米種植行距情況，同時兼顧其它大田作物(如小麥、棉花等)作業，龍門式機架輪距調節范圍為2 280～3 300mm，最小離地間隙為2 400mm。

圖2 風幕式高地隙噴桿噴霧機整機結構框圖

(a) 軸測圖 (b) 主視圖

2.2 噴霧系統設計

噴霧系統主要包括主藥箱、輔藥箱、混藥器、主藥泵、攪拌泵、過濾器、安全閥、組合噴頭、噴霧智能控制器、流量傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、電控壓力閥、噴霧電磁閥組，以及管路等，噴霧系統管路連接如圖4所示。該噴霧系統可以完成由主藥泵向主藥箱和輔藥箱中加水、利用混藥器向主藥箱和輔藥箱加藥、主藥箱和輔藥箱中藥液的攪拌和混合，以及根據車速變化智能變量施藥等功能。整機噴桿段分5段，共有48個組合噴頭，每個組合噴頭可安裝3個噴嘴，組合噴頭安裝間距為0.5m，噴幅為24m。

1.輔藥箱 2.混藥器 3.手動球閥Ⅰ 4.安全閥 5.流量傳感器 6.速度傳感器 7.電控壓力閥 8.三級過濾器 9.噴霧電磁閥組 10.噴桿段 11.組合噴頭 12.壓力傳感器 13.外部水源 14.主藥泵 15.二級過濾器 16.手動球閥Ⅱ 17.主藥箱 18.攪拌泵

噴霧機工作時，首先控制手動球閥Ⅰ和Ⅱ向兩側藥箱中加水，然后按照農藝要求將一定量的農藥通過混藥器注入兩側藥箱進行加藥與混藥；主藥泵從主藥箱中抽取藥液加壓后一部分經安全閥、流量傳感器、電控壓力閥、噴霧電磁閥組等送達各噴桿段上的組合噴頭噴嘴噴出，另一部分經安全閥回路、電控壓力閥回路及噴霧電磁閥組回路回流至主藥箱，對主藥箱進行回水攪拌。攪拌泵設有兩個，分別從一側藥箱抽取藥液加壓后注入另一側藥箱，對另一側藥箱藥液進行射流攪拌。主藥泵及攪拌泵由相應液壓馬達驅動，根據不同防治對象所選用的噴嘴類型和噴嘴數量且考慮到主藥箱回水攪拌、向兩側藥箱注水等功能，主藥泵選用AR-280BP隔膜泵(意大利艾熱公司)，其最大流量為277.8L/min。根據藥箱射流攪拌流量為藥箱容量的0.1～0.2[16]，單側藥箱容積為1 300L，因此攪拌泵選用AR-135BP隔膜泵(意大利艾熱公司)，其最大流量為132L/min。為滿足智能變量施藥控制要求，本機選用了Teejet公司844-E智能噴霧控制器以及98600-C-433E噴霧控制單元，通過采集速度、壓力、流量傳感器數據經計算后與設定的每公頃噴量進行比較，根據車速的不同自動調整噴霧壓力，保證精量施藥。噴霧開關、噴霧量及噴霧壓力的設定均由其控制。

藥泵液壓馬達選型計算如下：

驅動藥泵所需扭矩為

(1)

式中Tm—藥泵馬達驅動扭矩(N·m);

Pm—藥泵額定功率(kW)；

Nm—藥泵額定轉速(r/min)。

藥泵馬達排量計算公式為

(2)

式中Vm—藥泵馬達排量(cm3/r)；

Δp—進、出油口壓差(Pa)；

ηmm—液壓馬達機械效率，取0.95。

主藥泵與攪拌泵額定功率分別為9.48、5kW，轉速皆為550r/min，液壓系統工作壓力取12MPa。主藥泵馬達及攪拌泵馬達回油口直接接回油箱，出口壓力為零，帶入式(1)和式(2)計算得主藥泵與攪拌泵馬達所需排量分別為90.89、47.93cm3/r。考慮動力儲備，主藥泵馬達選用1個BMSY100擺線馬達，攪拌泵馬達選用2個BMP63擺線馬達。

2.3 風幕系統設計

風幕系統主要包括軸流風機、驅動馬達、風筒與兩側風囊等。參考現有風幕系統結構形式，設計了如圖5所示的風幕系統。

1.風幕系統安裝底座 2.風機 3.風筒 4.風囊

其中，風幕系統風筒和風囊下方設有一系列出風孔，出風孔為圓形，直徑為35mm，間隔60mm，共設404個。為減少風量損失，保證各出風孔風速一致，采用收緊風囊設計方式，風囊與風筒靠近一端為大端，風囊尾端為小端，大端直徑為520mm，小端直徑300mm。在風筒內安裝有金屬液壓螺旋油管，利用高速氣流對液壓油進行降溫。

2.3.1 風量的確定

風量是軸流風機重要參數之一，風量大小直接影響風幕系統工作效果，同一時間段內軸流風機的風量應該等于風筒與風囊下方出風孔吹出的氣體總量，即

Q=NπD2V/4

(3)

式中Q—軸流風機風量(m3/s)；

N—出風孔數量；

D—出風孔直徑(m)；

V—出風孔氣流速度(m/s)。

帶入各參數數值，為保證風幕系統具有良好的防飄效果，借鑒文獻[11]，取V=20m/s，求得Q=7.77 m3/s。

2.3.2 風壓的確定

風機的全壓主要由動壓損失和靜壓損失組成，而靜壓損失又包括局部壓力損失和沿程壓力(摩擦壓力)損失。

動壓損失為

(4)

式中PdF—風機動壓損失(Pa)；

ρ—空氣密度(kg/m3)；

v—氣流速度(m/s)。

摩擦壓力損失為

(5)

式中Pm—風機摩擦壓力損失(Pa)；

λ—氣流與氣囊內壁摩擦因數，取0.1；

R—輸送管道半徑(m)；

L—風囊長度(m)。

局部壓力損失為

(6)

式中Pj—風機局部壓力損失(Pa)；

ζ—局部阻力系數，取0.3。

風機全壓為

PtF=PdF+Pm+Pj

(7)

式中PtF—風機全壓(Pa)。

各參數取值：ρ=1.29 kg/m3，v=30m/s，R=0.4m，L=24m，求得風機全壓PtF=1 625.4Pa。

2.3.3風機軸功率

風機軸功率Psh計算式為

(8)

式中Psh—軸流風機軸功率(kW)；

ηi—葉輪效率，取0.98；

ηm—機械效率，取0.9。

帶入各參數數值，計算得Psh=14.32kW。

參考式(1)和式(2)，計算得風機驅動馬達排量37.66cm3/r，最終選用CMG2040齒輪馬達。

3 性能試驗

為測試樣機額定工況下霧滴沉積性能及防飄性能，采用高度為2m的仿真玉米和水敏紙(瑞士先正達作物保護公司)進行了霧滴沉積分布試驗。試驗時間為2016年10月，試驗地點為山東華盛農業藥械有限責任公司試驗場，試驗液體為常溫下不含固體懸浮物的清水，發動機為額定狀態，試驗地點氣溫20℃，相對濕度60%，自然風速1～2m/s。試驗步驟如下：

1)因兩側噴桿性能一致，僅對左側噴桿進行試驗，如圖6所示。在空地上沿與噴桿平行方向設置3個采樣區域，每兩個采樣區域間隔4m，每個采樣區域布置9棵仿真玉米，按照行距60cm、株距30cm布置3行3列，取每個采樣區域中間的仿真玉米為采樣植株，依次編號為A～C，試驗前在采樣植株離地80、140、180cm左右的上、中和下層的葉子正、反面布置水敏紙。

圖6 試驗方案示意圖

2)在距離采樣區域50m處啟動樣機，調整噴霧壓力為0.4MPa，打開藥泵及噴頭(選擇Teejet公司XR110-03噴嘴)，以6km/h的速度在有輔助氣流與無輔助氣流的情況下對采樣區進行噴霧，待水敏紙晾干后立即收集并用自封袋密封，做好標記，帶回實驗室處理。

3)將收集的水敏紙用掃描儀掃描為圖片后，利用DepositScan軟件對水敏紙分析，得到霧滴在仿真玉米冠層的覆蓋率并記錄。

4)重復步驟2)及步驟3)3次并計算平均值，圖7為試驗現場，結果如圖8所示。

圖7 霧滴沉積分布試驗現場

(a) 葉片正面

(b) 葉片反面

由圖8可以看出：霧滴在仿真玉米上、中、下層覆蓋率依次降低，同一冠層高度下，葉片正面覆蓋率顯著高于葉片背面。有風幕時，玉米整個冠層葉片正面和反面霧滴平均覆蓋率分別為59.17%和12.29%；無風幕時，玉米整個冠層葉片正面和反面霧滴平均覆蓋率分別為43.02%和2.39%，無風送情況下玉米葉片反面霧滴幾乎無法沉積。有風送較無風送霧滴在玉米整個冠層平均覆蓋率提高了57.37%，說明輔助氣流改善了霧滴在中、下層正反兩面的沉積效果，提高了霧滴在玉米冠層的穿透性，降低了霧滴飄移，從而提升了噴霧質量。

4 結論

1)針對玉米中后期病蟲害防治難及普通噴桿噴霧機霧滴飄失嚴重等問題，設計了風幕式高地隙噴桿噴霧機。該機采用了高地隙龍門式機架，輪距可調，藥箱分布于整機兩側，降低了整機重心，提高了機器的穩定性；駕駛室與噴桿高度可調，滿足了對不同高度作物和不同地勢的適用性；集成智能施藥噴霧控制系統、風幕防飄移技術，提高了施藥均勻性與霧滴穿透性，減少了霧滴飄失，降低了對環境的污染。

2)性能試驗表明：有風幕時，玉米整個冠層葉片正面和反面霧滴平均覆蓋率分別為59.17%和12.29%；無風幕時，玉米整個冠層葉片正面和反面霧滴平均覆蓋率分別為43.02%和2.39%，有風送較無風送霧滴在玉米整個冠層覆蓋率提高了57.37%。由此可見，風幕系統對于增加霧滴在玉米冠層沉積及減少霧滴飄失作用明顯。

參考文獻：

[1] 楊帥，王國賓，楊代斌，等.無人機低空噴施苯氧威防治亞洲玉米螟初探[J].中國植保導刊，2015，35(2)：59-62.

[2] 王果，龔艷，張曉，等.不同施藥機具在玉米田間的霧滴沉積分布試驗[J].農機化研究，2017，39 (6)：177-182.

[3] 王波，張東興，楊麗，等.高構架玉米噴霧機門式噴霧系統[J].農業機械學報，2014，45(6)：104-111.

[4] 范國強，張曉輝，王金星，等.四輪菱形布置農用高地隙作業機設計與試驗[J].農業機械學報，2016，47(2)：84-89.

[5] 秦維彩，薛新宇，周立新，等.無人直升機噴霧參數對玉米冠層霧滴沉積分布的影響[J].農業工程學報，2014， 30(5)：50-56.

[6] 楊學軍，嚴荷榮，徐賽章，等.植保機械的研究現狀及發展趨勢[J].農業機械學報，2002，33(6)：129-131，137．

[7] 何雄奎.改變我國植保機械和施藥技術嚴重落后的現狀[J].農業工程學報，2004，20(1)：13-15.

[8] 燕明德，毛罕平，賈衛東，等.風幕式噴桿噴霧霧滴粒徑與速度分布試驗[J].農業機械學報，2014(11)：104-110.

[9] 劉秀娟，周宏平，鄭加強.農藥霧滴飄移控制技術研究進展[J].農業工程學報，2005，21(1)：186-190.

[10] 嚴荷榮，張志平.風幕式噴桿噴霧機的研制[J].農業機械，2006(2)：139-140.

[11] 楊學軍，嚴荷榮，劉樹民，等.自走式高地隙風幕噴桿噴霧機的研制[J].農業機械，2008(16)：34-35.