柔性底盤自走式高地隙噴桿噴霧機的設(shè)計

朱 勇，劉忠軍，尹素珍，趙鄭斌，張 鐵

(現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司，北京 100083)

0 引言

農(nóng)作物病蟲害的防治主要包括農(nóng)業(yè)技術(shù)防治、生物防治、物理防治、機械防治和藥物化學(xué)防治等措施。其中，施用農(nóng)藥進行化學(xué)防治病蟲害見效速度快、防治效果好、成本低，且不受區(qū)域或季節(jié)的限制，在今后相當長一段時間內(nèi)，仍將是各國防治病蟲害的最主要手段。目前，農(nóng)業(yè)施藥裝備為保證糧食安全、農(nóng)產(chǎn)品的有效供給和農(nóng)業(yè)豐收起到了巨大的作用。

目前，在我國農(nóng)業(yè)病蟲害防治施藥裝備中主要有手動式、機動式、機牽式、自走式及航空防治5大類300多種型號。其中，手動和小型機動式植保施藥裝備機械化程度低、勞動強度大、操控性差、作業(yè)效率低且農(nóng)藥殘留指標超標，特別近年來我國農(nóng)村勞動力短缺及國內(nèi)外不斷提高農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留的檢測門檻，使得這種小型機已不再適合我國農(nóng)業(yè)植保裝備的發(fā)展方向。隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模的日益加大，機牽式施藥裝備的需求逐年增加，但一旦農(nóng)作物生長到一定的高度，拖拉機就無法進地實施噴藥作業(yè)，迫切需求一種地隙高、噴藥穿透性好的高效施藥裝備。由于大型高地隙植保設(shè)備價格昂貴，中小型高地隙植保機械深受大眾用戶的歡迎。國內(nèi)中小型植保機械大多采用水田固定式立軸傳動車橋，沒有減震系統(tǒng)，在旱地容易造成機體開裂，駕駛舒適性差、效率低[1-5]。

本文設(shè)計開發(fā)了一種專門用于旱田的柔性底盤自走式高地隙噴桿噴霧機，該機采用了前橋單軸交接橡膠限位減震，后輪雙軸彈簧獨立減震系統(tǒng)，具有操作舒適性好、作業(yè)效率高及操作方便等特點，可有效解決高速噴藥過程的顛簸造成機體開焊的問題。

1 整機設(shè)計

該機主要由柔性底盤、動力系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、操控系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.操控系統(tǒng) 2.柔性底盤 3.液壓系統(tǒng) 4.動力系統(tǒng) 5.噴藥系統(tǒng)

在滿足縱向穩(wěn)定性、操縱機動性和舒適性的前提下，輪距越小轉(zhuǎn)彎半徑越小。經(jīng)綜合考慮，軸距設(shè)定為214cm。噴霧機的最小離地間隙主要由車輛的穩(wěn)定性和農(nóng)作物的生長高度要求兩因素決定，在滿足車輛穩(wěn)定性的前提下應(yīng)盡量提高車輛的最小離地間隙，以保證車輛工作時的順利通行而不刮苗。本文中的高地隙噴霧機主要為小麥、大豆、蔬菜生長全程和玉米中前期病蟲害防治而設(shè)計的，綜合考慮各項要求，設(shè)定高地隙底盤高度95cm；小麥、大豆等農(nóng)作物的種植行距各不相同，為滿足其農(nóng)藝要求輪距設(shè)定為160～175cm可調(diào)；根據(jù)種植地塊大小的實際情況設(shè)定藥箱，藥箱容積650L，噴桿工作幅寬12m，噴桿高度50～150cm可調(diào)；動力系統(tǒng)必須為整機行走系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)提供足夠的動力，經(jīng)綜合計算考慮發(fā)動機采用節(jié)能高效的國三單杠發(fā)動機，動力23.5kW。底盤系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用前輪液壓助力轉(zhuǎn)向，行走驅(qū)動采用后輪機械鏈式傳動。噴藥系統(tǒng)采用高效穩(wěn)定的全液壓驅(qū)動，前橋減震系統(tǒng)采用單軸鉸接仿形減震形式，后輪減震系統(tǒng)采用獨立彈簧減震結(jié)構(gòu)，可保證機器在斜坡上保持機架水平，降低了側(cè)翻風(fēng)險，增強了駕駛的舒適性。該機采用輪距無極可調(diào)機構(gòu)，可適應(yīng)作物不同種植行距的農(nóng)藝要求，提高了噴霧機的通過性且操作簡單快捷。

2 主要部件設(shè)計

2.1 驅(qū)動部件的設(shè)計

驅(qū)動部件主要由輪胎、驅(qū)動鏈輪箱、減震支撐軸、旋轉(zhuǎn)固定軸、動力輸入軸、減震彈簧及驅(qū)動輪轂等組成，如圖2所示[6]。

1.減震支撐軸 2.旋轉(zhuǎn)固定軸 3.動力輸入軸 4.限位栓 5.減震彈簧 6.驅(qū)動鏈輪箱 7.驅(qū)動輪轂 8.輪胎

驅(qū)動部件為后輪鏈式傳動結(jié)構(gòu)，且采用雙軸縱向搖擺式獨立仿形機構(gòu)。旋轉(zhuǎn)固定軸與減震支撐軸前后布置支撐機架，傳動軸設(shè)置在其兩軸之間以增大力臂，當行走遇到溝坎時能提供良好的減震效果。傳動軸采用滑動直通結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動鏈輪箱的位置來調(diào)節(jié)輪距以適應(yīng)不同農(nóng)作物的種植農(nóng)藝要求。采用鏈式驅(qū)動結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、傳動可靠及成本低等優(yōu)點。工作時，發(fā)動機帶動變速箱高速旋轉(zhuǎn)，噴霧機的機手通過離合器和換擋桿控制變速箱輸出軸的結(jié)合分離，變速箱的輸出軸通過萬向傳動軸連接鏈輪箱的動力輸入軸，動力輸入軸通過鏈輪、鏈條帶動驅(qū)動輪轂，從而驅(qū)動輪胎轉(zhuǎn)動，行駛速度如表1所示。

表1 噴霧機各檔位理論速度

2.2 前橋及轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

前橋主要由前梁、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向套、轉(zhuǎn)向臂機構(gòu)、轉(zhuǎn)向軸、制動鼓及輪胎等組成，如圖3所示。

1.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向套 2.前梁 3.轉(zhuǎn)向臂機構(gòu) 4.制動鼓 5.轉(zhuǎn)向軸 6.輪胎

為了適應(yīng)農(nóng)田的顛簸路況，前橋采用了單軸鉸接減震結(jié)構(gòu)；為了保證車輛直線行駛的穩(wěn)定性、制動時的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向輕便，內(nèi)傾角β取2°，外傾角取0.5°，前束角取2.6°。輪距調(diào)節(jié)時，松開固定拉桿和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，根據(jù)農(nóng)藝要求將調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向套拉出進行輪距無極調(diào)節(jié)[7]。

轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用前輪液壓助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，主要包括轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向臂拉桿、轉(zhuǎn)向軸及轉(zhuǎn)向器等。對于前輪轉(zhuǎn)向，在轉(zhuǎn)向時由于外側(cè)輪走過的距離比內(nèi)側(cè)輪要長， 因此要求左右輪以不同的角速度旋轉(zhuǎn)，以減少輪胎磨損、功率消耗和改善轉(zhuǎn)彎操縱性。為了保證車輪在轉(zhuǎn)向時輪胎只做純滾動，通過各個車輪的幾何軸線的垂直平面都應(yīng)相交與同一軸線O點上，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向運動示意圖

由圖4可得轉(zhuǎn)彎半徑為

其中，R為轉(zhuǎn)彎半徑(mm)；α為外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度(°)；β為內(nèi)側(cè)輪的轉(zhuǎn)向角度(°)；L為前后輪軸距(mm)；M為左右轉(zhuǎn)向軸間距(mm)；N為轉(zhuǎn)向臂長度(mm)；θ為轉(zhuǎn)向梯形底角(°)。

為了滿足車輛轉(zhuǎn)彎時不側(cè)滑，轉(zhuǎn)向梯形的機構(gòu)需滿足內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角有如下關(guān)系，即

利用余弦定理可推得底盤轉(zhuǎn)向梯形給出的實際轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系為

車輛在轉(zhuǎn)彎時內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角從0°轉(zhuǎn)到最大時外側(cè)輪實際轉(zhuǎn)角與理論值應(yīng)盡量接近，即

其中，ωi為加權(quán)系數(shù)；αi為外側(cè)輪實際轉(zhuǎn)角；αoi為外側(cè)輪理論轉(zhuǎn)角。

轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)在車輛轉(zhuǎn)彎至極限位置時為避免出現(xiàn)死點現(xiàn)象故最小傳動角應(yīng)滿足δ>δmin,有

其中，φmax為外側(cè)輪實際轉(zhuǎn)角的最大值。

轉(zhuǎn)向角度誤差過大會造成車輛側(cè)滑、輪胎磨損嚴重、動力損耗等問題，則有

|αi-αoi|≤3°通過上述公式對高地隙的轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向梯形底角75°，內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角為36.56°，轉(zhuǎn)向角度誤差為1.71°，最小轉(zhuǎn)角為31.58°，優(yōu)化結(jié)果滿足要求[8-10]。

2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)主要由多路閥、單穩(wěn)閥、液壓泵、馬達、轉(zhuǎn)向器及油缸等組成，如圖5所示。

1.液壓發(fā)達 2.油箱 3.單穩(wěn)閥 4.液壓泵 5.轉(zhuǎn)向器 6.轉(zhuǎn)向油缸 7.右側(cè)折疊油缸 8.左側(cè)折疊油缸

本文設(shè)計的液壓系統(tǒng)的執(zhí)行控制由多路閥和轉(zhuǎn)向器實現(xiàn)，多路閥由4路換向閥組成，3路控制噴桿油缸的工作，1路控制液壓馬達的工作，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。通過多路閥自帶的溢流功能可調(diào)節(jié)工作壓力，確保油缸在最大行程時壓力油卸荷回油箱。單穩(wěn)閥主要功能是確保轉(zhuǎn)向器始終有足夠的液壓源提供動力來執(zhí)行轉(zhuǎn)向油缸的工作,確保安全駕駛。液壓油箱設(shè)置有加油濾清器和回油濾清器，確保液壓油清潔。

2.4 噴桿的設(shè)計

噴桿主要由左側(cè)噴桿、中噴桿、右噴桿、折疊拉桿、噴頭及四連桿機構(gòu)組成，如圖6所示。

1.左外噴桿 2.左內(nèi)噴桿 3.折疊拉桿 4.中噴桿 5.右內(nèi)噴桿 6.右外噴桿

圖6 噴桿結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.6 Schematic diagram of boom folding mechanism

噴桿采用后置式向前折疊四連桿上下升降結(jié)構(gòu)。噴桿后置，工作時噴藥機高速作業(yè)，藥液相對噴藥機向后漂移，增大了藥液與駕駛員的距離，極大地減少了藥液與操作者的接觸，防止了藥液對操作者的傷害。采用的一端與機架后梁連接一端與中噴桿連接的四連桿結(jié)構(gòu)可保證噴桿上下升降平穩(wěn)且始終保證噴桿處于水平狀態(tài)，且可根據(jù)農(nóng)作物的生產(chǎn)情況在50～150cm的范圍內(nèi)通過多路閥控制油缸無極調(diào)節(jié)噴桿的工作高度，始終保持噴頭與農(nóng)作物的距離在50cm左右，以達到噴頭的最佳噴霧效果。

工作時，通過液壓多路閥首先控制升降油缸，使噴桿升到最高點脫離噴桿支架，然后依次控制左、右側(cè)折疊油缸使噴桿依次展開，之后根據(jù)農(nóng)作物的生長高度調(diào)節(jié)噴桿的工作高度。整個噴桿總長度12m，右噴桿5m，中噴桿2m，左噴桿5m，噴頭24個，每個噴頭相隔50cm[11-12]。

2.5 動力系統(tǒng)的設(shè)計

動力系統(tǒng)采用四路分流的方式:由發(fā)動機的動力通過皮帶輪一路輸入到主變速箱，主變速箱通過差速器、傳動軸將動力分別輸送給左右側(cè)驅(qū)動鏈輪箱的輸入軸，輸入軸通過鏈輪、鏈條驅(qū)動輪胎轉(zhuǎn)動；一路輸入到發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的電力為電控系統(tǒng)提供動力從而控制發(fā)動機的電噴系統(tǒng)和整車燈光；一路輸入到液壓泵，液壓泵提供的液壓源為油缸、馬達提供動力；一路輸入到發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)，保證發(fā)動機的系統(tǒng)溫度在95°以下。動力傳動系統(tǒng)路線原理圖如圖7所示[13-15]。

2.6 噴藥系統(tǒng)的設(shè)計

噴藥系統(tǒng)主要由藥箱、過濾器、隔膜泵、噴桿及分配器等組成，如圖8所示。

圖7 動力傳動系統(tǒng)原理圖

1.藥箱 2.過濾器 3.隔膜泵 4.噴桿 5.分配閥

噴藥系統(tǒng)工作壓力0.3～0.5MPa，藥液攪拌采用回水射流攪拌的結(jié)構(gòu)形式，整個噴藥系統(tǒng)的額定噴藥量為48L/min，液泵采用流量80 L/min 的480隔膜泵。噴藥系統(tǒng)采用加水過濾、出水過濾和噴藥過濾三級過濾保證噴頭正常工作不被堵塞。分配閥設(shè)有壓力表、調(diào)壓閥、溢流閥和4個分段開關(guān)，噴藥準備階段通過分配閥的調(diào)壓閥把壓力調(diào)整到系統(tǒng)的工作壓力，分配閥的4個開關(guān)控制著噴桿的4段，可根據(jù)農(nóng)作物的實際情況來開關(guān)每一路的施藥。在系統(tǒng)工作壓力下，分配閥中溢流裝置，讓部分藥液溢流并經(jīng)過射流口流回藥箱，藥液在射流的作用下與水進行充分的混合，時刻保證藥液的均勻，達到最佳的施藥效果。出水過濾器設(shè)置有旁通閥門，當噴藥完成時可進行藥箱的清洗、放水。

3 田間試驗

試驗于2016年8月2日在河北淶水縣玉米種植基地進行，試驗地玉米種植行距550mm，玉米平均生長高度810mm。經(jīng)試驗，測試機具輪距調(diào)節(jié)方便，噴藥系統(tǒng)控制靈活，最大作業(yè)速度可達10km/h，耗油量為0.7L/hm2。

4 結(jié)論

1) 柔性底盤自走式高地隙噴桿噴霧機試驗表明：該機具作業(yè)效率較高，噴藥質(zhì)量好，結(jié)構(gòu)簡單可靠。

2) 采用的柔性底盤操作舒適性好，改善了機具顛簸開焊的問題；噴藥系統(tǒng)采用全液壓控制結(jié)構(gòu)簡單、操作方便；采用的輪距調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強，可滿足大多數(shù)農(nóng)作物不同種植行距的農(nóng)藝要求；采用的藥箱前置，噴桿后置結(jié)構(gòu)，平衡了重心同時又減少了藥液對人體的傷害。