3WZ-600型自走式果園風(fēng)送噴霧機設(shè)計*

王斌斌 ， 岳丹丹 ， 陳中武 ， 藍(lán)玩榮 ， 湯杰鵬

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510630；3.江門市農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，廣東 江門 529000；4.江門市新會區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心，廣東 江門 529000）

目前，農(nóng)用噴霧機主要可分為手動式、機動式、牽引式、自走式、航空植保式五大類[1-6]。手動式、機動式噴霧機存在工作效率低、勞動強度大的特點[7]；牽引式噴霧機設(shè)備體積大，多適用于大田作業(yè)[8]，不適用于小地塊、不規(guī)則、坡陡彎多的丘陵山地的噴霧工作[9]；航空植保式噴霧機作業(yè)存在葉片正反面藥液覆蓋均勻性差的特點，不能很好地滿足果園植保要求[10-11]。隨著丘陵山地經(jīng)濟作物日益發(fā)展，一款可適用于丘陵山地果園的噴霧機需求逐漸增加，課題組擬針對丘陵山地果園種植密度大、植被行距偏小、樹冠層形狀與疏密不一以及地形田塊小、坡陡彎多、落差大的特點，設(shè)計一款通過性強、可滿足丘陵山區(qū)工作的自走式果園風(fēng)送噴霧機，旨在為樣機的改進(jìn)和丘陵山區(qū)果園植保作業(yè)提供合適的噴霧機器。

1 材料與方法

1.1 總體結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)參數(shù)

1）總體結(jié)構(gòu)。此自走式果園風(fēng)送噴霧機底盤采用履帶式結(jié)構(gòu)，可搭載作業(yè)人員工作，其主要由履帶行走底盤系統(tǒng)與風(fēng)送噴霧系統(tǒng)組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。履帶行走底盤系統(tǒng)負(fù)責(zé)承載風(fēng)送式噴霧系統(tǒng)的機架、藥液箱等，主要包括底盤機架、操縱臺、前罩、行走發(fā)動機、行走變速箱、履帶、驅(qū)動輪、支重輪和導(dǎo)向輪；風(fēng)送噴霧系統(tǒng)主要包括藥液箱、噴霧發(fā)動機、噴藥泵和噴霧裝置。

2）工作原理。履帶行走底盤系統(tǒng)負(fù)責(zé)承載風(fēng)送噴霧系統(tǒng)各部件、搭載人員噴霧作業(yè)以及接受行駛驅(qū)動用發(fā)動機的動力，驅(qū)動噴霧機行走。此行駛驅(qū)動用發(fā)動機固定在車架的左前方，通過皮帶連接變速箱經(jīng)驅(qū)動輪組件將動力傳遞給履帶，驅(qū)動車輛前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向。風(fēng)送噴霧系統(tǒng)為噴霧施藥功能的具體實施部分，由噴霧用發(fā)動機為噴霧系統(tǒng)提供動力。此噴霧用發(fā)動機通過皮帶分別與柱塞泵電磁離合器以及風(fēng)送電磁離合器連接，帶動風(fēng)機與柱塞泵一起運行，實現(xiàn)機器的泵水與風(fēng)送噴霧功能。

3）技術(shù)參數(shù)。根據(jù)自走式果園風(fēng)送噴霧機的應(yīng)用環(huán)境、工作要求，分析出噴霧機行走與噴霧采用的發(fā)動機功率、噴霧機的速度、藥箱容積、噴幅寬度等技術(shù)參數(shù)，具體要求如下：行走用發(fā)動機功率為13.5 kW，噴霧用發(fā)動機功率為23.5 kW，行駛速度為1.7 km/h~5.6 km/h，藥箱額定容積600 L，噴幅寬度≥18 m，空載質(zhì)量為1 000 kg。1．前罩；2．操縱臺；3．藥液箱；4．環(huán)罩；5．風(fēng)送噴霧系統(tǒng)；6．行走發(fā)動機；7．驅(qū)動輪；8．支重輪；9．人字形支重輪；10．導(dǎo)向輪；11．履帶；12．底盤機架。

1.2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計

1.2.1 履帶行走底盤系統(tǒng)設(shè)計

履帶行走底盤系統(tǒng)負(fù)責(zé)承載噴霧機各部件、搭載人員噴霧作業(yè)以及接受行駛驅(qū)動用發(fā)動機的動力，驅(qū)動噴霧機行走。該系統(tǒng)主要包括履帶底盤、行駛用發(fā)動機和變速箱等。

1）履帶底盤選型。自走式風(fēng)送噴霧機履帶總成主要包括一組驅(qū)動輪、兩組雙聯(lián)“人”字形支重輪、兩組普通支重輪、一組托帶輪、一組導(dǎo)向輪及各種連接件。履帶總成長、寬、高分別為1 600 mm、250 mm、400 mm，驅(qū)動輪直徑為198 mm，支重輪直徑為150 mm，托帶輪直徑為131 mm，導(dǎo)向輪直徑為160 mm。底盤中部的兩組雙聯(lián)“人”字形支重輪，每組使用一個支點鉸接在底盤機架上，行駛時該組支重輪可以繞該鉸接點在一定范圍內(nèi)仿地形調(diào)整姿態(tài)，可達(dá)到減震目的，提高了噴霧機的通過性以及乘坐舒適性。

2）變速箱的設(shè)計。市面上常見的農(nóng)用機械變速箱可分為手動變速箱與自動變速箱。其中，手動變速箱通過手動改動傳動比，改變發(fā)動機曲軸傳遞的轉(zhuǎn)矩，使履帶機在起步、加速、勻速行駛時克服不同道路工況、不同駕駛條件下驅(qū)動車輪牽引力的要求。課題組設(shè)計的履帶式噴霧機底盤行走裝置屬于低速履帶行走系統(tǒng)，根據(jù)不同使用工況，研發(fā)了具有3個前進(jìn)檔與2個后退檔的專用變速箱，其中Ⅰ檔主要用于起步與爬坡，Ⅱ檔為工作檔，用于噴霧和轉(zhuǎn)向工作，Ⅲ檔為行走檔。根據(jù)本設(shè)計對噴霧機作業(yè)速度的要求和變速箱各檔傳動比之間的關(guān)系，設(shè)計整機行進(jìn)作業(yè)速度以及變速箱各檔位對應(yīng)傳動比，如表1所示。變速箱三維效果如圖2所示。

表1 噴霧機各檔位作業(yè)速度表

圖2 變速箱三維效果圖

3）行駛用發(fā)動機的選型。根據(jù)噴霧機總體設(shè)計方案，噴霧機工作時搭載600 kg藥液以及一名約70 kg的工作人員，即噴霧機裝載質(zhì)量m可取1 670 kg。

履帶噴霧機工作時常見工況有以下三種：平地直線行駛工況、平地轉(zhuǎn)彎工況、上坡行駛工況。其中，噴霧機工作時，平地轉(zhuǎn)彎工況下所需驅(qū)動力最大，此時受到的阻力有：轉(zhuǎn)彎阻力Fz、滾動阻力Ff、慣性阻力Fj、內(nèi)部阻力Fn，即履帶噴霧機需要克服的總阻力F1=Fz+Ff+Fj+Fn。

①轉(zhuǎn)彎阻力。在實際工程計算中，采用經(jīng)驗公式計算轉(zhuǎn)彎阻力Fz=(0.7~0.9)μmaxmg，取系數(shù)為0.8，轉(zhuǎn)彎阻力系數(shù)μmax=0.5，得出轉(zhuǎn)彎阻力Fz=0.4mg。

②滾動阻力。在設(shè)計中，考慮到履帶機的行駛路況多為草地、干土路以及泥土路，經(jīng)過查閱相關(guān)資料，f取0.07~0.12較為合適，此設(shè)計中取滾動阻力系數(shù)f=0.12，即Ff=mgfcosα=0.12mg。

③慣性阻力。在實際工程中，慣性阻力可根據(jù)工程實際經(jīng)驗取值，一般取0.01mg~0.02mg，取履帶噴霧機的慣性阻力為Fj=0.01mg。

④內(nèi)部阻力。在實際工程中，內(nèi)部阻力值一般不直接由公式計算，而是根據(jù)工程經(jīng)驗，按照整機的質(zhì)量給出估值，一般的履帶式機器常取整機質(zhì)量的3%~8%。由于本機器內(nèi)部零部件鉸接點較少，故此設(shè)計選擇Fn=0.05mg。

綜上所述，履帶機在平地轉(zhuǎn)彎工況下總阻力F1=0.58mg。m是整車質(zhì)量，為1 670 kg，g是重力加速度，為9.8 N/kg。驅(qū)動力Ftq=F1=0.58×1 670×9.8=9 492.28 N。

經(jīng)分析可知，噴霧機Ⅱ檔轉(zhuǎn)彎工況下克服的總阻力最大，此時所需發(fā)動機提供的扭矩所需發(fā)動機提供的功率其中i為12.9，i皮為2.347 8，r為驅(qū)動半徑，取0.099 m，η取0.81，V取3.6 km/h，計算得T=38.31 N·m，P=11.72 kW。為滿足工作要求，選取宗申GB620型汽油發(fā)動機為噴霧機行走提供動力，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 行走發(fā)動機技術(shù)參數(shù)表

1.2.2 風(fēng)送噴霧系統(tǒng)設(shè)計

風(fēng)送噴霧系統(tǒng)作為地面植保技術(shù)被廣泛應(yīng)用，其主要優(yōu)勢在于：風(fēng)機吹出來的高速氣流能夠?qū)婎^霧化的液滴再次細(xì)化，并通過氣流的攜帶作用將農(nóng)藥液滴定向吹灑在作物表面，減少農(nóng)藥的飄失；再者，強大的氣流可以增大霧滴穿透性，并能夠促使葉片抖動、翻轉(zhuǎn)，從而在作物葉片的正反面形成更好的沉積效果。風(fēng)送噴霧系統(tǒng)主要由藥液箱、噴霧發(fā)動機、噴藥泵和噴霧裝置等組成，其主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 風(fēng)送噴霧系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

1）藥液箱與柱塞泵選型。選擇合適的藥箱容積是提高噴霧作業(yè)效率的關(guān)鍵因素之一。機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 992—2006《風(fēng)送式果園噴霧機 作業(yè)質(zhì)量》對于機具穩(wěn)定性有如下要求：噴霧機處于運輸狀態(tài)，在空載（未加水）和滿載（加額定容量清水）條件下，以縱向和橫向的4個方向停放在坡度為8.5°的堅硬傾斜面上應(yīng)保持穩(wěn)定；滿載的噴霧機傾斜時藥液箱的藥液不應(yīng)溢出。本噴霧機選定的藥箱額定容積為600 L，確定噴霧機藥液箱的總?cè)莘e不小于650 L。

對采用液力攪拌方式的噴霧機而言，所選噴霧泵的流量應(yīng)大于攪拌器流量與總噴頭流量。其中，履帶自走式噴霧機噴頭個數(shù)為26個，在額定壓力下所選噴頭最大噴霧量為2.23 L/min，26個噴嘴的總噴霧量為2.23×26=58 L/min；采用液力攪拌器的噴霧機，其攪拌流量一般為藥箱額定容積的10%~12%，本噴霧泵的藥箱額定容積為600 L，計算得需要的攪拌流量應(yīng)在72 L以上。最終選用OS柱塞泵，其排量為

75.66 L/min，壓力為1.5 MPa，轉(zhuǎn)速為944 r/min。

2）噴霧發(fā)動機選型。噴霧泵與風(fēng)機消耗的功率共同決定噴霧機發(fā)動機的型號。其中：

式中，N1——柱塞泵消耗的功率；η1——柱塞泵的總效率；Q1——柱塞泵的排量；P1——柱塞泵的壓力；N2——風(fēng)機消耗的功率；η2——風(fēng)機效率；Q2——風(fēng)機的排量；P2——風(fēng)機的風(fēng)壓；η3——皮帶輪的傳遞效率。經(jīng)過以上計算，選取宗申GB1000型汽油發(fā)動機為噴霧提供動力，主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 噴霧作業(yè)發(fā)動機技術(shù)參數(shù)表

3）噴霧裝置設(shè)計。噴霧裝置主要由風(fēng)機、三段環(huán)形管、噴桿、噴頭、風(fēng)向?qū)О?、?dǎo)流板組成，如圖3所示。采用三段式環(huán)形水管能夠保證各噴頭的壓力一致，噴霧作業(yè)時可根據(jù)果園實際情況開閉噴頭，調(diào)節(jié)噴霧角度和噴藥范圍，有效提高噴霧的效率和降低噴藥成本。

圖3 噴霧裝置

2 試驗與分析

試驗于2020年7月在廣東省弘科公司試驗基地進(jìn)行，分別對履帶噴霧機行駛速度、噴霧距離以及穩(wěn)定性進(jìn)行試驗。記錄噴霧機空載與滿載兩種負(fù)荷下行走50 m所用時間，具體數(shù)據(jù)記錄如表5所示，可見履帶式噴霧機的行駛速度為1.7 km/h~5.6 km/h，各檔位下機器速度區(qū)別明顯，且噴霧機負(fù)荷量不影響機器的行駛速度，說明噴霧機動力模塊設(shè)計合理。

表5 空載、滿載運行速度

圖4 a、4b、4c為噴霧機穩(wěn)定性試驗，由圖4a、4b可知，噴霧機在空載和滿載條件下，能夠以縱向與橫向姿態(tài)穩(wěn)定停靠在14°坡道上，并且藥液箱未見泄漏；由圖4c可知，配備雙聯(lián)“人”字形支重輪的履帶底盤能在一定范圍內(nèi)仿地形調(diào)整姿態(tài)，達(dá)到減震目的。圖4d為噴霧機噴霧距離試驗，記錄噴霧機水平噴霧寬度，觀察到噴霧機噴幅寬度≥18 m。通過噴霧機穩(wěn)定性試驗與噴霧距離試驗，可知噴霧機具有良好的縱向與橫向穩(wěn)定性，噴幅寬度能滿足一般丘陵山地果園植保作業(yè)要求。

圖4 噴霧機性能試驗

3 結(jié)語

針對丘陵山地果園復(fù)雜地形地貌，課題組研制一款履帶自走式風(fēng)送噴霧機，以減少農(nóng)藥對作業(yè)人員的傷害，提高噴霧作業(yè)效率，降低勞動強度。首先，對樣機總體結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)提出要求；其次，對噴霧機履帶行走底盤系統(tǒng)與風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計；最后，對噴霧機動力性、穩(wěn)定性以及噴霧效果進(jìn)行了試驗測試。結(jié)果表明：該履帶自走式噴霧機三檔可換，行駛速度為1.7 km/h~5.6 km/h，噴幅寬度≥18 m，滿足一般丘陵山地果園植保作業(yè)要求，有效提高了噴霧效率，降低了勞動強度。為了進(jìn)一步提高噴霧機的噴霧效能，減少藥液的浪費，后續(xù)建議對變量噴霧模塊進(jìn)行設(shè)計與集成研究。