3MD-8型低量彌霧植保機的設計與試驗

孫冬霞，李明軍，曹龍龍，李 偉，王 成，張愛民

(濱州市農業機械化科學研究所，山東 濱州 256600)

0 引言

長久以來，病蟲害一直是影響作物生產的重要因素。由于作物不同生長時期病蟲害的種類不同，各種病蟲害會對作物生產造成極大的影響[1]。目前，控制各種病蟲害的主要手段是以噴施農藥為主的化學調控[2]。隨著農業產業化、規模化、集約化發展，化學調控成為作物管理的重要環節[3]。在推進農業機械化進程中，植保化控機械化是其重要組成部分。近年來，精準施藥技術有所發展；但從總體上來說，我國植保機械與發達國家相比仍存在著用水用藥多、殘留量大、有效利用率不高等缺點[4]。為此，設計了高效、低耗、結構簡易的彌霧機械—3MD-8型低量彌霧植保機。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構與技術參數

3MD-8型低量彌霧植保機主要由藥液箱、藥液箱固定圈、藥液箱支架、風機、機架、韌性連接裝置、輸風管、噴管、支架、皮帶輪、提升臂加長桿及膠管等部件組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

該機型是與雷沃M254-E型拖拉機配套的低量彌霧植保機械，主要用于棉花、大豆等中高稈作物的病蟲害防治、化學調控、噴灑除草劑等作業。該機設計幅寬為8行，安裝拖拉機高架后可在1.2m株高的棉花地內順利通過并進行作業。該機采用風力霧化風力傳送的彌霧原理，作業時藥液在重力作用下從藥液箱流入固定葉輪噴頭，藥液在風機產生的高速氣流的撞擊作用下被撕裂成70～150μm的霧滴，同時被氣流吹送至作物行間附著于作物葉面；作物枝葉在風力作用下翻動，霧滴均勻覆蓋于作物正反葉面上。

1.藥液箱 2.藥液箱固定圈 3.藥液箱前支架 4.藥液箱后支架 5.風機 機架 7.韌性連接裝置 8.輸風管 9.噴管 10.支架 11.皮帶輪 12.提升臂加長桿 13.膠管

該機型的技術參數如表1所示。

表1 低量彌霧植保機的技術參數

續表1

2 總體方案的確定

2.1 霧化動力的確定

現有植保機械的霧化動力主要有液泵和風機兩種，即利用柴油機、汽油機、蓄電裝置或者拖拉機動力輸出軸驅動液泵或風機使藥液霧化[5]。液泵霧化是利用高壓力把藥液從噴孔中壓出以形成霧滴，風機霧化是利用風機的高速氣流把藥液撕裂成70～150μm的霧滴。

要實現低量彌霧的目的，如果使用液泵霧化，需要的壓力較大，會給管道的密封帶來困難，且成本較高，因此不宜采用液泵霧化。與液泵霧化相比，風力霧化具有結構簡單、操作容易、故障少及機具成本低等優點，因此3MD-8型低量彌霧植保機的霧化動力采用風力霧化。

風機是彌霧植保機的主要部件，工作時產生高速氣流把藥液流撕裂成70～150μm的極細霧滴，并吹送到作物上。與國內外同類風機相比，9-19型高壓離心風機具有效率高、噪聲低、性能曲線平穩、高效區寬等優點。根據9-19型高壓離心風機的性能參數與結構特點，項目組選用9-19No5.6A型高壓離心風機。該型號風機的性能參數如表2所示。

表2 9-19No5.6A型高壓離心風機的性能參數

Table 2 Performance parameters of 9-19No5.6A high pressure centrifugal fan

轉速/r·min-1工況點全壓/Pa流量/m3·h-1所需功率/kW29001718222627.02727327148.13723631679.147109361910.256954399611.266709444812.576400490113.9

由風機7個工況點可知：第5工況點所需功率為11.2kW，全壓為6 954Pa，流量為3 996m3/h，能夠滿足設計的需求。

2.2 聯結方式的確定

為簡化機具的結構，設計利用拖拉機后輪軸固定擋泥板的兩個螺紋孔來固定機架的主梁。機架由主梁、橫梁及加強支撐等部件組成，風機和輸風管等部件固定在機架上。機架的尺寸較短，作業及運輸狀態時擺動少，穩定性好，便于田間操作，結構如圖2所示。

圖2 機架示意圖

2.3 傳動方式的確定

風機的動力來源于拖拉機的動力輸出軸。拖拉機皮帶輪轉速為1 000r/min，而風機的額定轉速為2 900r/min，因此設計一級皮帶輪變速即可滿足傳動要求。利用拖拉機動力輸出軸與皮帶輪的配合簡化了機構，降低了機具成本。

2.4 折疊機構的確定

3MD-8型低量彌霧植保機的工作幅寬可達5.6m，為避免運輸、轉彎時不便，在拖拉機液壓機構提升臂與輸風管間設置簡易韌性連接裝置，依靠提升臂的升降動力實現輸風管折疊和伸直。

2.5 噴頭的確定

為使噴霧能夠集中對準作物，3MD-8型低量彌霧植保機作業時8個噴頭各噴1行作物。該機采用轉盤式超低量噴頭，主要由噴口、分流錐、軸承、霧化盤組合及噴嘴軸等部件組成，如圖3所示。霧化盤組合由前齒盤、后齒盤及驅動葉輪聯結組成，此組件靠軸承支撐在噴嘴軸上，軸承蓋安裝在前齒盤的軸承座上起防塵、緊固的作用[6]。

1.噴口 2.封閉蓋 3.密封墊 4.分流錐 5.分流錐蓋 軸承 7.螺母 8.軸承壓蓋 9.霧化盤組合 10.噴嘴軸

拖拉機啟動之后，由離心風機產生的高速氣流進入噴口，遇到分流錐從噴口呈環狀噴出，噴出的高速氣流吹到驅動葉輪上，使霧化盤組件高速旋轉；同時，流入噴嘴軸的藥液從噴嘴軸上的一個小孔流出；進入前、后齒盤之間縫隙中的藥液在高速旋轉的前、后齒盤的離心作用下，沿著前、后齒盤外緣圓周上的齒尖拋出，破碎成細小的霧滴；霧滴被噴口內噴出的氣流吹向遠處，借氣流及作物間的亂流和重力等作用被輸送到作物上。

2.6 藥液箱的確定

該機采用2個圓柱形藥液箱，具有操作簡便、成本低等優點，總容量為500L。藥液箱結構示意圖如圖4所示。

2.7 行距調整方式的確定

機采棉種植模式的行距為76cm，考慮到調整次數不多，因此采用加接風管和利用調節桿微調相結合的方式來實現行距調整。

圖4 藥液箱示意圖

3 主要工作部件的設計與計算

3.1 功率的計算

由第5工況點可知，風機所需功率P=11.2kW。

1)雷沃M254-E型拖拉機最大輸出軸功率P1為

P1=0.86B

(1)

式中B—拖拉機發動機功率，取B=18.8kW。

由公式(1)得，P1=16.17kW，大于風機所需功率。

2)拖拉機可選擇Ⅲ～Ⅳ擋作業，如按Ⅳ擋計算，已知機具使用質量M=2 160kg，阻力系數f=0.16，Ⅳ擋時機具作業速度v=5.4km/h，則滾動阻力所消耗的功率P2為

P2=fMgv

(2)

式中f—阻力系數，取值f=0.16；

M—機具使用質量，取M=2160kg；

g—重力加速度，取g=9.8m/s2；

v—Ⅳ擋時機具作業速度，取v=5.4km/h。

將數據代入公式(2)得：P2=5.08kW。

3)所需總功率P總。機組所需的總功率P總是風機所需功率與滾動阻力所消耗的功率之和，即16.28kW，小于雷沃M254-E型拖拉機發動機功率18.8kW。因此，Ⅳ擋作業能夠滿足使用要求，功率得到充分合理的使用，機具功率匹配合理。

3.2 皮帶輪的設計與計算

已知傳遞功率P=11.2kW，風機額定轉速n1=2 900r/min，動力輸出軸皮帶輪轉速n2=1000r/min。

3.2.1 膠帶斷面型號的選擇

查閱機械設計手冊，根據傳遞功率與風機額定轉速選取膠帶斷面型號。普通V帶選型如圖5所示，膠帶斷面型號選B型帶。

圖5 普通V帶選型圖

3.2.2 皮帶輪的計算

1)風機皮帶輪公稱直徑D1取125mm。

2)動力輸出軸皮帶輪公稱直徑D2為

(3)

式中D1—風機皮帶輪公稱直徑，取D1=125mm；

n1—風機額定轉速，取n1=2900r/min；

n2—動力輸出軸皮帶輪轉速，取n2=1000r/min；

η—傳動效率，取η=98.5%。

將數據代入公式(3)得：D2=368mm。

3)膠帶速度v為

(4)

式中D1—風機皮帶輪公稱直徑，取D1=125mm；

n1—風機額定轉速，取n1=2900r/min；

vmax—普通V帶的最大速度，一般vmax=25～30m/s。

將數據代入公式(4)得：v=18.97m/s

4)根據實際，確定兩皮帶輪中心距A=810mm。

5)風機皮帶輪包角α為

(5)

式中D1—風機皮帶輪公稱直徑，取值D1=125mm；

D2—動力輸出軸皮帶輪公稱直徑，取D2=368mm；

A—兩皮帶輪中心距，取A=810mm。

一般情況下，小帶輪包角應≥120°。由公式(5)得：α=162.81°>120°。因此，小帶輪包角合格。

6)膠帶計算長度L為

(6)

式中D1—風機皮帶輪公稱直徑，取D1=125mm；

D2—動力輸出軸皮帶輪公稱直徑，取D2=368mm；

A—兩皮帶輪中心距，取A=810mm。

將公式代入公式(6)得：L=2 412.24mm，取標準值2 500mm。

7)膠帶繞轉次數μ為

(7)

式中v—膠帶速度，取v=18.97m/s；

L—膠帶計算長度，取L=2 500mm。

一般情況下，膠帶繞轉次數應小于10～15次/s。由公式(7)得μ=7.59，合格。

8)膠帶根數Z計算公式為

(8)

式中P—傳遞功率，取值P=11.2kW；

K1—小帶輪包角修正系數，取K1=0.95；

K2—帶長修正系數，取K2=1.03；

P0—特定條件下單根膠帶傳遞的功率，取P0=2.96kW；

ΔP0—單根膠帶傳遞功率的增量，取ΔP0=0.79kW。

由公式(8)得Z=3.05，取整為3根膠帶。

3.3 輸風管道的設計

輸風管的作用是將風機產生的氣流輸送到霧化噴頭。輸風管除直長部分外，還有使氣流轉彎的彎頭。空氣通過彎頭的阻力比直長部分大得多，因此管件設計合理與否與輸風的效果有直接關系。彎頭的曲率半徑R越大，空氣受到的阻力越小，一般R取1～2倍的管道直徑。彎頭的角度越大，空氣受到的阻力越大，根據使用要求取彎頭角度為90°。彎頭環節不應過多，彎頭環節過多，看起來雖然圓滑，但節縫也會相應增多，并不能減少阻力。因此，取每個環節15°～18°，每個彎頭取5～6個環節。輸風管的結構圖如圖6所示。

圖6 輸風管結構圖

4 室內性能測定

4.1 霧滴直徑的測定

測定方法參照試驗大綱，沿霧滴軸向在射程范圍內放7個測試點，每個測試點重復取樣3次，共取樣霧滴242個。取樣后經數據處理，用數理統計法分別計算平均霧滴直徑d、標準差s、平均數標準誤差sd、變異系數v、霧滴直徑D，結果如表3所示。

表3 霧滴直徑測定表

由表3可知：霧滴直徑在101～107μm范圍內，符合設計要求(設計要求不大于150μm)。經統計，霧滴直徑58～140μm的數量占76%，30μm以下的霧滴僅占2%。據資料介紹，在氣候干燥的條件下，30μm以下霧滴利用率小于0.5%，100μm霧滴的利用率約80%。因此，從霧滴試驗測試情況看，該機霧化良好。

4.2 水平射程與噴幅的測定

根據試驗大綱的要求，對單噴頭進行水平射程和噴幅的測定，以氣流達到2m/s流速的最遠邊界到噴口的水平距離為射程，和射程垂直的最遠邊界為噴幅，重復3次測得平均射程為3m，噴幅為0.6m，結果如表4所示。

表4 射程與噴幅測定表

4.3 噴霧量與殘留液的測定

根據試驗大綱的要求，將藥箱裝滿500L清水，按工作狀態進行噴灑，記錄噴完所需時間，收集殘留液體。測定噴完500L水所需時間為42min，計算得每分鐘平均噴霧量為12L，藥箱利用率為99.9%，結果如表5所示。

表5 噴霧量與殘留液測定表

4.4 拖拉機配套機組穩定性測定

拖拉機機組穩定性測定時，考慮到低架比高架穩定，因此只測定高架穩定性即可。測定方法：將藥液箱裝滿水，駕駛座上坐1人稱量機組質量(即機組使用質量)P，把前輪置于磅秤上測定其質量P1；然后把前輪墊高h，測定其質量P2；列力矩方程式，算出重心坐標。

測量結果為：機組總質量P=2250kg，前輪質量P1=730kg，前輪墊高h=150mm后稱重P2=660kg，后輪質量P3=1520kg，拖拉機高架軸距L=1639mm，輪距B=1460mm。

1)機具重心到后軸距離a為

(9)

由公式(9)得：a=532mm。

2)機具重心到地面的垂直距離H為

(10)

式中r—后輪半徑，取r=300mm；

P1—前輪質量，取P1=730kg；

P2—前輪墊高后的質量，取P2=660kg；

P—機組總質量，取P=2250kg；

L—拖拉機高架軸距，取L=1639mm；

h—前輪墊高高度，取h=150mm。

由公式(10)得：H=855mm。

3)上坡極限角α上為(見圖7)

(11)

式中a—機具重心到后軸距離，取a=532mm；

H—機具重心到地面的垂直距離，取H=855mm。

將數據代入公式(11)得：α上=31.89°

4)下坡極限角α下為

(12)

式中L—拖拉機高架軸距，取L=1639mm；

a—機具重心到后軸距離，取a=532mm；

H—機具重心到地面的垂直距離，取H=855mm。

將數據代入公式(12)得：α下=52.32°。

5)橫向極限角α橫為(見圖8)

(13)

式中B—輪距，取B=1460mm；

e—重心對左右輪胎對稱面的偏移量，由于該機組配置基本對稱，e可忽略不計；

H—機具重心到地面的垂直距離，取H=855mm。

將數據代入公式(13)得：α橫=40.49°。

未安裝機具時，雷沃M254-E型拖拉機上坡極限角α上為36.85°，下坡極限角α下為48.35°，橫向極限角α橫為36.88°。與未安裝機具時的雷沃M254-E型拖拉機相比較，懸掛機具后上坡極限角減少了4.96°，下坡極限角增加了3.97°，橫向極限角增加了3.61°，能夠滿足使用要求。

圖7 機組上坡極限角示意圖

圖8 機組橫向極限角示意圖

5 田間試驗

5.1 防治棉鈴蟲試驗

項目組先后進行了多次田間防治棉鈴蟲和蚜蟲的試驗。查蟲方法是：在試驗田內取5個測試點，每點數棉株20株，把噴藥前后每個點查得的幼蟲、卵分別記錄。

在田間試驗時，除了對棉鈴蟲和蚜蟲的防治效果進行調查外，還進行了不同濃度藥液在不同作業速度下合理配備的考查。例如，拖拉機由Ⅲ擋(3.4km/h)提高到Ⅳ擋(5.4km/h)進行作業，每667m2施藥量不變，藥液濃度由Ⅲ擋833倍提高到Ⅳ擋400倍，每667m2施藥液量由11L降低為3L。后經統計，殺蟲效率并沒有降低，仍可達95%以上。這說明每公頃施藥量不變，適當減少藥液量(即提高藥液濃度和作業速度)，既不降低殺蟲效率，又能省水和提高生產率。田間試驗均使用Ⅳ擋作業，藥液400倍配制。防治棉鈴蟲情況如表6所示。

表6 防治棉鈴蟲情況表

續表6

5.2 防治蚜蟲試驗

項目組在防治棉鈴蟲的同時，也進行了防治蚜蟲的調查，如表7、表8所示。由防治蚜蟲情況表可知：蚜蟲減退率可達98%以上。

表7 噴藥前蚜蟲記錄表

表8 噴藥后蚜蟲記錄表

5.3 霧滴附著狀況調查

進行該項查定時，棉株高度40cm，每株平均葉片數45個。取樣方法采用紙卡法，即在每一觀察點上中下3層固定紙卡，在藥液中加1%的染料，按正常狀態進行噴灑，噴后收回紙卡；以5～10倍手持式放大鏡觀察，并數出每張紙卡上的霧滴數及計算每平方厘米面積的霧滴數。通過查定可以看出：無論棉株上部還是中部，葉片著藥最多的都連成片，下部最少的葉片也不少于每平方厘米25個霧滴。附著狀況如表9所示。

據每平方厘米霧滴數大于20個為有效霧滴的經驗可以看出：3MD-8型低量彌霧植保機在株高40cm左右時，無論在葉的正面還是反面，霧滴附著都比較均勻，因此殺蟲效果都比較顯著。

表9 霧滴附著狀況測定表

5.4 田間實際噴藥液量的測定

按田間實際作業狀況，藥箱裝入額定藥液，測定噴完一藥箱藥液機具進行的距離及作業幅寬，重復3次，按公式(12)計算每667m2藥量。

(12)

式中Q—實際用藥量；

G—額定用藥量；

B—工作幅寬；

L—工作距離。

田間實際噴藥液量如表10所示。

表10 田間實際噴藥液量測定表

6 結論

1)該機主要由風機、動力輸出軸、皮帶輪、輸風管、藥液箱、機架及噴頭等部件組成，造價低。霧滴采用風力霧化，管道壓力較小，噴頭不易磨損。噴頭噴孔大，無堵塞現象，作業期間基本不出故障，機具可靠性良好。

2)由于采用低量彌霧原理，每667m2用水量少。與常量噴霧機相比，可節約用水50%～70%，從而提高了作業效率。

3)防治效果好。低量彌霧噴量低，噴后葉面不出現滴落現象，藥液濃度高，藥效持久，霧粒細，覆蓋性能好，殺蟲效果可達95%以上。

4)該機利用主機液壓升降機構拉緊韌性連接裝置實現輸風管折疊，結構簡單，操作靈活。作業方式采用順行作業，噴頭在作物上部，高于作物15cm，田間通過性能良好。作業時，只要操作正確，機具本身不存在掛枝劃蕾現象。