履帶自走式雙隧道噴霧機設計與試驗*

殷慧子，奚小波，陳金楚，張翔，徐金，張瑞宏,

(1. 揚州大學機械工程學院，江蘇揚州，225127； 2. 揚州大學農學院，江蘇揚州，225009； 3. 江蘇銀濤智能裝備有限公司，江蘇泰州，225311)

0 引言

目前，籬架型作物病蟲害類型和發生規律變得越來越復雜，傳統施藥技術以手動背負式噴霧器、背負式機動噴霧噴粉機以及噴槍為主，其普遍存在作業效率低、作業質量差、防治效率低，農藥利用率低等問題，嚴重影響了作物品質和產量[1]，如何做到精確、高效施藥成為當前籬架型作物植保研究重點。

20世紀70年代，國外研發的隧道循環噴霧機可完成覆蓋式噴霧并能夠實現藥液回收，其大體可分為“π”型罩蓋型、收集器型、反射型和氣流循環型四類[2-3]。Planas等[4]研究了空氣輔助隧道式循環噴霧機，并在地中海果園和葡萄園進行了使用。Ade等[5]研制了一種液體循環與空氣循環的隧道式噴霧機并進行了試驗，并與軸流風機鼓風式噴霧機進行了性能比較。Ade等[6]研究一種空氣輔助隧道式噴霧器并進行了試驗。國內關于隧道循環噴霧機的研究相對較少，宋堅利等[7]研制了未達靶霧滴回收再利用的“π”型循環噴霧機，采用柵格端面罩蓋來提高藥液回收率。張疼[8]研制了三位一體多功能噴霧機，其將有風時與無風時霧滴沉積量進行對比，并計算霧滴變形系數。牛萌萌等[9]設計了高地隙隧道式循環噴霧機，其通過調節噴頭安裝偏角來確定實現更好的霧滴沉積均勻性和更高的葉片反面霧滴量。目前國內外隧道噴霧機大多為牽引式，其機動性較差，且多數為單隧道噴霧機，作業效率較低。因此設計出一種履帶自走式雙隧道噴霧機，重點對整機結構、履帶行走底盤、風送及藥液系統進行了設計，該機具一次作業可完成兩組籬架型作物的并行施藥，提高作業整體效率。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

履帶自走式雙隧道噴霧機的整體結構，如圖1所示。

圖1 履帶自走式雙隧道噴霧機整體結構簡圖Fig. 1 Schematic diagram of overall structure of crawler self-propelled dual tunnel sprayer1.履帶行走底盤 2.機架 3.風道 4.離心風機 5.扇形噴頭 6.出風口 7.伸縮機構 8.藥液泵 9.同步閥 10.藥液分流器 11.流量計 12.進風口 13.藥箱 14.操縱臺 15.藥液回收槽

其主要由履帶行走底盤、藥液噴施系統、風送系統、藥液回收裝置、隧道幅寬伸縮裝置組成。其中，藥液噴施系統包括藥箱、藥液泵、扇形噴頭、流量計、節流閥等；風送系統由風機和風管組成；藥液回收裝置由藥液回收槽、藥液泵、藥箱組成；隧道幅寬伸縮裝置由液壓泵、液壓油缸、搖桿、齒輪、齒條等組成。

1.2 工作原理

履帶自走式雙隧道噴霧機具有行走、噴霧、藥液回收等功能。機具工作時可根據作物行距及高度進行隧道幅寬和噴頭角度的調整，使之滿足作物施藥要求。底盤采用液壓驅動履帶行走裝置，具有良好的通過性與操控穩定性。藥箱內設置小型藥液泵，實現藥液循環與攪拌，并將藥液加壓分流至各噴頭。風送系統通過離心風機產生氣流，增強隧道內作物表面與藥液的接觸，提高霧滴在葉片上的沉積附著效果。隧道內側底部設置藥液回收槽，通過回收藥液泵將藥液回收至藥箱。機具主要參數見表1。

表1 機具主要工作參數Tab. 1 Main working parameters of trimmer

2 關鍵部件的設計與選型

噴霧機在作業時，要對下方底盤的行走裝置、上方隧道的伸縮裝置以及隧道內藥液回收裝置進行設計。相應地，考慮到噴霧作業效果的最優化，對噴頭和風機進行計算選型。

2.1 履帶行走底盤

輪式底盤作為行走裝置的結構應用較廣，歸因于充氣輪胎的減振性,使得行駛過程中振動小、速度快，但它的牽引附著性能差，不適于濕地作業。結合實際噴霧作業的地面情況，使用履帶底盤行走裝置，采用“四輪一帶”結構，主要由履帶、驅動輪、托帶輪、導向輪、支撐橋臂組成，具體結構如圖2所示。

機具作業時需要人工操作，履帶行走機構保證噴霧機的操控穩定性和行駛平順性。同時，根據籬架式作物施藥作業要求，并結合作業環境，要求機具行走具備良好的通過性。所以，履帶底盤設計時應盡可能采用小轉彎半徑。設計的履帶行走底盤主要參數如表2所示。

圖2 履帶底盤結構Fig. 2 Crawler chassis structure1.支撐橋臂 2.減震彈簧 3.張緊裝置 4.拖帶輪 5.驅動輪 6.履帶 7.導向輪 8.支重輪

表2 底盤主要參數Tab. 2 Main parameters of chassis

2.2 可調節隧道幅寬

為滿足不同作物施藥時對于寬度的不同要求，對雙隧道進行幅寬可調節設計，通過液壓泵驅動焊接型液壓油缸伸縮，推動與之連接的兩外側板，當隧道與籬架的距離達到預定值后，停止動作，從而實現外側板幅寬的調節。幅寬調節裝置同時采用手動調節，利用搖桿帶動齒輪轉動，齒輪帶動齒條做往復運動從而實現內側板幅寬調節。幅寬伸縮裝置結構如圖3所示。

圖3 幅寬伸縮裝置結構圖Fig. 3 Width expansion device structure drawing1.齒輪 2.液壓油缸 3.液壓泵 4.齒條 5.搖桿

此結構的設計可以根據作物的橫向間距，最大程度容納農作物，避免其與機具接觸，同時兩側擋板可進行脫靶藥液的附著回收。避免因隧道過窄而損害農作物或過寬導致藥液浪費現象的發生。

2.3 藥液系統

藥液系統由噴施系統和藥液回收裝置組成，其液壓原理如圖4所示。在行走裝置機架的兩端有固定噴霧板，噴霧板縱向排布若干個噴頭，機架上的藥液泵通過液壓管道連接過濾器、截止閥、藥箱、流量計和單向閥。藥液由藥箱提供，通過藥液泵加壓來進行管內的流動。各個噴頭的管路中安裝一個開關節流閥，能夠調節藥液管路內壓力從而控制藥液噴灑的啟停。此外，藥箱外側還連接著有過載保護作用的溢流閥。噴頭組從上而下間隔排列，作物從上而下均勻接收藥液霧滴。噴施系統中的流量計能夠顯示藥液流速。

藥液從藥箱中流出，通過高壓管道進入噴頭噴出的同時，利用風機從隧道后部吸風并從隧道前部風口重新噴出形成風幕，這樣使得隧道內部氣流不斷循環，既減少了藥液飄失又改善了藥液在冠層內的霧滴沉積。循環噴霧過程中部分脫靶飄失的藥液流入藥液回收槽，然后通過藥液回收槽回收到藥箱中。藥液回收槽固定在隧道內外側板底部。收集管安裝在內外側板底部，過濾器安裝在藥液箱中。藥液經管道被液泵回收到過濾器中，經過過濾清洗后又回到藥液箱中。

圖4 藥液系統原理圖Fig. 4 Schematic diagram of the liquid medicine system1.開關電磁閥1 2.回收藥液泵1 3.回收槽1 4.扇形噴頭 5.開關節流閥 6.回收槽4 7.開關電磁閥2 8.回收藥液泵2 9.回收槽2 10.溢流閥 11.截止閥 12.流量計 13.單向閥 14.藥液泵 15.過濾器 16.藥液箱 17.回收槽3

2.4 噴頭選型

噴頭性能好壞直接影響植保噴霧作業效果，它決定著霧滴的粒徑、密度以及分布均勻性等特征。植保作業中運用最多的是扇形噴頭和離心噴頭。扇形噴頭是通過壓力泵對藥液施壓然后將藥液從噴頭噴出后逐漸變薄再裂解成霧滴，該噴頭穿透力強、產生的藥液漂移量小，適合除蟲劑的噴灑。離心噴頭是在電機的作用下高速旋轉帶出藥液并通過離心力將藥液甩出，該噴頭霧化效果好，霧滴直徑較小，但其防飄性不足且其壽命較短。

根據籬架式作物種植方式，隧道噴霧機選用扇形噴頭提高噴施作業效果。在對隧道噴霧機進行設計時，將兩側噴頭距離籬架式作物30～60 cm，相鄰兩噴頭距離為32 cm。單側隧道的兩內側板分別安裝一根2 m長噴管，則隧道每個內側板噴管上都豎直排列6個噴頭。為避免漏噴狀況，相鄰噴頭之間藥液會有一定的藥液重疊，相鄰噴頭間距要小于噴頭到籬架型作物之間的距離。所以，霧錐角可由式(1)計算得到。

(1)

式中：L1——噴頭間距，cm；

H——噴頭到籬架型作物距離，cm；

α——霧錐角，(°)。

將各參數代入式中，計算得出α≥56.1°，具體參數如表3所示。

表3 噴頭參數Tab. 3 Nozzle parameters

2.5 風機選型

風量、風壓值是風機選型的關鍵。風機能夠在藥液噴灑的同時吹出帶有霧滴的氣流，不僅能對風機前方至作物范圍內的全部空氣進行置換，還能通過產生的流速對枝葉表面進行翻動，從而實現置換[10-12]。

2.5.1 風機風量確定

根據置換原則，設計的噴霧機采用雙隧道形式，在作業的過程中，需要考慮置換的空間體積，為圖5所表示的區域提供所需的風量[13]。

圖5 風量置換圖Fig. 5 Air volume displacement diagram

風量計算公式

Q1=Ve(H1+H2)L2K1/2

(2)

式中：Ve——噴霧機行駛速度，m/s；

H1——噴幅寬度，m；

H2——作物高度，m；

L2——風管出口到果樹的距離，m；

K1——氣流沿途衰減損失系數，K1=1.3～1.6。

又因為要考慮末速度原則，因此應在風機產生風量的基礎上再乘上系數K2，得

Q=K2Q1=Ve(H1+H2)L2K1K2/2

(3)

式中：Q——風機風量，m3/s；

K2——氣流沿途衰減損失系數。

通過分析參考相關噴霧機作業參數，各參數取值為Ve=0.76 m/s，H1=2 m，H2=1.6 m，L2=0.5 m，K1=1.3，K2=1.3，得Q=1.16 m3/s。

2.5.2 風機風壓確定

風機的全壓主要包括動壓損失，靜壓損失(摩擦壓力和局部壓力)。

動壓損失

Pd=(ρv2)/2

(4)

摩擦壓力損失

(5)

局部壓力損失

Pj=(ζρv2)/2

(6)

總壓

P=Pd+Pm+Pj

(7)

式中：ρ——空氣密度，kg/m3；

v——氣流速度，m/s；

λ——摩擦因數；

R——輸送管道半徑，m；

ζ——局部阻力系數；

L3——風管長度，m。

各參數選值為ρ=1.21 kg/m3，v=17 m/s，λ=0.1，R=0.031 m，ζ=0.3，L3=2 m，得P=791 MPa。

根據風機功率計算公式，得

(8)

式中：ηm——機械效率，ηm=0.9；

ηj——葉輪效率，ηj=0.98。

計算得N=1.04 kW。根據風量和風壓的計算結果，最終選用11-62多翼式離心風機，其主要參數見表4。

表4 風機主要參數Tab. 4 Main parameters of centrifugal fan

3 噴霧效果仿真

3.1 霧滴模型建立

在農用噴霧機的應用上，只要將霧滴直徑控制在0.1 mm以下，就能達到霧滴分布有效密度的要求，此時霧滴數能達到10～20個/cm2，能滿足大多數情況下的噴霧作業具備的防治效果。

霧滴直徑在噴霧機結構方面上，取決于噴霧機具的壓力、孔徑大小和藥液的表面張力。在理論公式上取決于擴散系數k和印記直徑d。霧滴直徑D如式(9)所示。

D=k×d

(9)

在EDEM中的模型如圖6所示。考慮到球形顆粒的半徑值越小，對于仿真時間的影響越大，仿真時將霧滴顆粒的半徑值設為0.05 mm。根據球形顆粒的體積公式算得單個顆粒體積為5.236×10-4mm3。藥箱的總容積為4.5×105mm3，最終分配到24個噴頭。

圖6 霧滴顆粒模型Fig. 6 Droplet particle model

3.2 參數設定

參照水的物理性質來對EDEM中的Bulk Material進行設置，其彈性模量E為2.16×109Pa，泊松比ν1為0.5，密度ρ1為1 000 kg/m3。采用CATIA創建噴頭機架的幾何模型，材料選用Q235，其密度ρ2為7 850 kg/m3，剪切模量G為8×1010Pa，泊松比ν2為0.3。

Q235屬于碳素結構鋼，對于水滴顆粒的恢復系數K為0.78，滾動摩擦系數為0.014，靜摩擦系數為0.027；水滴顆粒間的恢復系數為0.6，滾動摩擦系數為0.02，靜摩擦系數為0.05。

根據噴霧機的幅寬可調節特性，采用600 mm、900 mm、1 200 mm幅寬下有無離心風機進行風送的6組數據進行單一仿真和耦合仿真，對顆粒的分布情況以及各顆粒的速度值進行標定。把扇形噴頭的排布簡化成矩形面來生成顆粒，對速度分支下的spray條件進行參數設置：標準差(0.05 m/s)、平均流速(10 m/s)、噴霧角(80°)。標準差的設置是用來反映顆粒的離散度和精確度。

3.3 耦合處理

將噴頭形成的霧滴面設置為速度入口，從而設置風速大小，機架下端面為默認壓力出口部分。通過EDEM中的Coupling Serve連接Fluent中Manage公式，導入耦合文件edem_udf。由此插件的加載來連接EDEM和Fluent求解器進行同步仿真。在進行耦合時，接口以串行方式打開(并行時求解器的進程設為0)。再由此插件的加載來連接EDEM和Fluent求解器。湍流模型選擇Standardk-ε模型。依據局部固相體積保持比例占總體積的比例來看，選用Euler法來耦合。

3.4 仿真結果

仿真結果如圖7所示，其中圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)是通過EDEM軟件的Spray模塊對X、Y、Z三個方向的速度設置進行仿真生成的，分別對應噴霧形成過程中噴口的水平方向、噴霧角形成的上揚方向、霧滴沉積方向。在無風的情況下，不同幅寬對應的霧滴最小顆粒速度分別為3.392 m/s、8.474 m/s、3.873 m/s。

通過觀察仿真結果發現，600 mm幅寬下霧滴顆粒分布最為集中，900 mm幅寬下顆粒速度最快，1 200 mm 幅寬下霧滴顆粒分布較為稀疏，顆粒速度介于兩者之間。

結合風機產生的風速情況，采用EDEM-Fluent耦合的方式，具體仿真結果如圖7(d)、圖7(e)、圖7(f)所示。在設置入口速度的邊界條件下，不同幅寬對應的霧滴最小顆粒速度分別為2.038 m/s、8.361 m/s、6.526 m/s。

可以看出900 mm幅寬下顆粒的整體速度最快，這與無風情況下的仿真情況是一致的。同樣，1 200 mm幅寬相較于600 mm幅寬顆粒的整體速度稍快，分布也較稀疏。

將兩種情況進行對比分析，無風時顆粒分布的密集程度小于有風時的情況。600 mm幅寬下，霧滴整體速度較小，無風時顆粒速度大于有風，波動值為1.354 m/s，但顆粒呈現向上移動的趨勢；900 mm幅寬下，兩種情況下霧滴整體速度最大，有風時的速度接近無風，波動值為0.113 m/s；1 200 mm幅寬下，顆粒整體速度開始下降，波動值為2.653 m/s。隨著幅寬增大，有風的顆粒速度逐漸大于無風，且大幅寬下顆粒速度下降幅度較小。具體速度值的分布情況如圖8所示。考慮到霧滴沉積對于噴霧效果的影響，加上僅有風時顆粒呈現向上移動的趨勢。可見，有風時的顆粒分布效果最佳。

(a) no-air-600

(b) no-air-900

(c) no-air-1200

(d) air-600

(e) air-900

(f) air-1 200 圖7 無風送、有風送不同幅寬的顆粒分布仿真結果Fig. 7 Simulation results of particle distribution with different width without air and with air

圖8 速度值的分布情況Fig. 8 Value of velocity distribution

4 樣機試驗

為了驗證機具設計的合理性與可行性，研制了履帶自走式雙隧道噴霧機樣機，并進行了噴霧效果試驗，施藥作業對象為人工設置的仿真葡萄葉，架子高度1 600 mm、葉片下垂長度為690 mm。為使霧滴效果具象化，試驗采用長110 mm、寬35 mm的水敏紙采集霧滴沉積效果，用回形針平行固定在作物靶標部位，分上、中、下三層。試驗時履帶行駛速度為0.76 m/s，噴霧壓力0.5 MPa，噴頭角度與地面平行，依次調節單隧道作業幅寬為600 mm、900 mm、1 200 mm，通過開關離心風機分別測試有風與無風狀態下的噴霧效果。噴霧后，將水敏紙取下風干后用掃描儀對試紙進行灰度掃描，并采用霧滴分析軟件進行霧滴沉積效果的顯色測試。

圖9為試紙掃描分析示意圖，具體分析結果見表5和表6。從葉片的正反面，對比不同條件下霧滴沉積量、霧滴數量中徑NMD、霧滴體積中徑VMD，通過NMD與VMD的比值進一步得出霧滴均勻度DR，DR值越趨近于1，表面霧滴尺寸越趨于一致，機具的霧化性能越好；當DR值小于0.67，則霧滴尺寸大小很不均勻，且在葉片上的覆蓋和穿透性能都會很差。

圖9 試紙掃描分析示意圖Fig. 9 Schematic diagram of scan analysis of test paper

表5 無風時的霧滴參數Tab. 5 Parameters of fog drops without wind

表6 有風時的霧滴參數Tab. 6 Parameters of fog drops with wind

根據表格計算得出，無風送時DR的平均值為0.734，有風送時DR的平均值為0.796，有風較無風提升了8.45%；在有風的條件下，600 mm幅寬下的DR平均值為0.72，900 mm為0.85，1 200 mm為0.82，在有風的情況下900 mm幅寬的霧滴均勻度為最佳，與耦合仿真結果一致。

5 結論

1) 針對籬架型作物施藥環節存在的問題，設計了履帶自走式雙隧道噴霧機。該機采用履帶行走底盤，采用小轉彎半徑提高了機具的操控穩定性；隧道幅寬伸縮裝置，能夠滿足生長在兩側不同間距、不同植株的受藥液需求；藥液系統減少了藥液流失及降低了環境污染。

2) 采用EDEM-Fluent耦合方法對不同幅寬及有無風送的條件下進行了霧滴顆粒的狀態仿真，結果表明，有風情況下，顆粒運動速度更快，霧滴密集程度更高，有利于霧滴沉積。

3) 田間試驗表明，有風情況下的DR均值較無風提升8.45%，900 mm幅寬下的DR平均值為0.85，最接近1。