3WXP-800型拖拉机悬挂式甘蔗喷药机设计和试验分析

王秀华，韦丽娇，李 明，董学虎，黄伟华，严晓丽

（中国热带农业科学院 农业机械研究所，湛江 524091）

3WXP-800型拖拉机悬挂式甘蔗喷药机设计和试验分析

王秀华，韦丽娇，李 明※，董学虎，黄伟华，严晓丽

（中国热带农业科学院 农业机械研究所，湛江 524091）

针对我国甘蔗除草、杀虫等喷药主要依赖人力作业，大型轮式拖拉机不适应目前种植行距，研制了3WXP-800型拖拉机悬挂式甘蔗喷药机。该机具可定向喷药，适合甘蔗、木薯等热带作物喷洒化学除草剂、杀虫剂和液态肥料作业等。本文主要对机具的机架、喷杆、管路等进行优化设计，并进行试验测试与分析。测试结果表明，该机各项指标达到了设计要求，大大提高了作业效率和降低了成本。

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0 引言

长期以来，我国甘蔗用的施药机械一直以手动喷雾器为主，机型陈旧落后，喷头品种单一，喷洒性能差，农药浪费现象严重[1]，而且作业效率低，6.67 hm2（100亩）地就要雇佣12人工作1 d。人工背负式喷药机在作业时“跑、冒、滴、漏”现象时有发生，作业效果不能满足甘蔗种植的需要。且作业环境恶劣，农民不愿喷药，造成病虫草害严重，影响甘蔗产量与品质。另外，喷杆喷雾机种类较少、型号单一，喷头等重要喷洒部件系列化程度低，无法满足不同作物、不同病虫害的防治需要。用一种机型防治各种作物的病虫草害，导致农药有效利用率低、农药浪费严重、农产品中农药残留超标、环境污染严重、对操作者健康造成损害[2]。

本文针对现有甘蔗喷药方式落后、不安全等现象以及我国现有中小型拖拉机快速发展的势头，大型拖拉机购入门槛高，且不适应现有甘蔗种植农艺及行距要求等问题，结合现有国内其他作物喷药机具与甘蔗作物的差异[3-7]，开发了一种适合我国甘蔗规模化发展生产的中小型拖拉机配套的甘蔗喷药机。

机具主要用于甘蔗种植时除草封闭、苗期至中耕期作业喷洒虫药、除草封闭等，适用坡度不大于20°，甘蔗拔节高度不超过0.8 m，能一次性完成喷洒8行甘蔗除草或者杀虫作业。其结构简单紧凑，操作、维修、保养方便，配套动力22.08～36.8 kW（30～50马力）的轮式拖拉机，较适宜目前我国甘蔗地田块小，以及甘蔗种植行距为80～110 cm的种植农艺的要求。

1 整机结构和工作原理

3WXP-800型拖拉机悬挂式甘蔗喷药机按照功能要求、结构组合、性能综合的技术思路进行设计，是与22.08～36.8 kW（30～50马力）四轮拖拉机配

套的悬挂式喷杆喷雾机。整机与拖拉机标准三点后悬挂连接，主要由主机架、喷杆桁架、喷药胶管、药液箱、药液泵、喷头、稳压分配装置、过滤装置等组成，如图1所示。综合考虑大田作物种植规格、地块大小、机组效率和机动性，确定喷药机的工作幅宽为8 m（幅宽≤10 m，属于小型），分三段（左节段、中节段、右节段）折叠。喷杆升降、折叠形式采用液压式调节，喷头离地高度可在0～1.5 m范围内自由调节，每个喷头独立开关且左右位置可任意调节。

工作原理和作业过程：拖拉机输出的动力，由万向节传动轴驱动药液泵，将药液从药箱经过滤器吸入液泵内，加压后经调压阀进入分水器，送入喷杆（胶管），进入喷杆（胶管）的药液经防滴阀、过滤网，最后由喷头将液流雾化后喷出，沿喷幅范围形成均匀的雾幕。同时由液泵排出的另一部分高压液流，回流回药液箱，搅拌药液，使药液均匀混合。通过调节调压阀开关，可调节回液搅拌流量及达到正常工作压力，工作压力由分水器上压力表读出[8]。

图1 机具结构示意图

2 关键零部件设计

2.1 主机架

主机架是喷雾机的主要支撑部分，是喷管桁架转向机构、药箱和喷药架体等总成的安装基础，是评价整车装备及车架结构设计合理性的关键。喷药机机架采用长方体结构，主要由横梁、竖梁、纵梁以及支撑药箱中纵梁、边纵梁等组成。其机架前部中纵梁过挂接耳、挂接销与拖拉机形成三点悬挂连接，后部中纵梁与喷杆桁架连接。隔膜泵、药液箱等分别置于长方体机架底部、上部。在保证机架强度、刚度要求的前提下，尽可能减轻车架重量，因此，设计采用的横梁、竖梁、纵梁材料选用80 mm×80 mm的方形钢管，中纵梁、边纵梁选用80 mm×60 mm的方形钢管。

其中喷药机的喷管桁架机构通过一组齿轮齿条机构和一组直线导轨滑块机构连接到主机架，并通过3组液压缸传递的动力来实现整个喷杆桁架上下移动、关闭和张开。

2.2 喷药桁架

本机具设计了一组三折叠式喷药桁架，结构如图2所示，是桁架和中间部位和一侧喷杆摆臂部位示意图。其中，喷药桁架主要采用40 mm×40 mm空心方钢焊接而成，在保证架体强度要求的前提下，减轻了架体自身重量，在满足喷药机有效喷幅的条件下，减小了架体表面积及结构设计的复杂程度，保证了运动时喷药机架体的稳定性。

图2 喷药桁架结构组成图

2.3 直线导轨滑块机构

为了提高工作效率，减少人工辅助作用，整个喷药桁架的移动设计采用了一组直线导轨滑块机构，该机构是一种滚动导引，是由钢珠在滑块跟导轨之间无限滚动循环，从而使负载平台沿着导轨轻易的线性运动，从而节约大量的能量。滑块跟导轨间末制单元设计，使线形导轨同时承受上下左右等各方向的负荷，使其达到很好的索引效果。直线导轨机构如图3所示。

图3 直线导轨滑块机构

2.4 齿轮齿条转向机构

齿轮齿条转向结构是一种最常见的转向器，其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。主要的作用是增大转向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向。因该结构简单，成本低廉，转向灵敏，体积小，通过液压缸传递来的动力可以直接带动摇臂喷药杆的张开和闭合，结构如图4所示。

图4 齿轮齿条转向结构示意图

3 机具试验检测结果及分析

3.1 试验检测结果

2015年6月12日，农业部热带作物机械质量监督检验测试中心在中国热带农业科学院南亚热带作物研究所甘蔗基地对样机进行了性能检测试验，无风，温度30℃，参照JB/T 9805.2—1999《喷杆式喷雾机 试验方法》标准进行检测，主要测试结果如表1。

3.2 检测结果分析

喷头喷雾量：喷头喷雾量均匀性92.3%，说明每个喷头的稳定性比较好。

喷洒性能：机具沿喷杆喷雾量均匀性能达到85.7%，说明其稳定性较好，能满足甘蔗喷洒农药的要求。

喷头防滴性能：在测试的8个喷头当中，有1个喷头有漏滴的情况，按标准测试测得4滴，小于按标准设计的10滴，符合行业规定的标准。

生产率：纯工作小时生产率为2.3 hm2/h，作业小时生产率为1.1 hm2/h。从试验情况来看，生产率大小主要与甘蔗地块大小、操作人员、取水地点等有关。如甘蔗种植行距统一、地块大，操作人员熟练，则生产率高，反之则低。

燃油消耗量：机具燃油消耗量较低，为4.1 kg/hm2。

表1 主要技术参数和性能指标

4 机具经济和社会效益分析

4.1 经济效益分析

3WXP-800型拖拉机悬挂式甘蔗喷药机作业，每天作业8 h，作业小时生产率为1.0 hm2/h，每天可喷洒作业面积6 hm2（即90亩左右），单位面积燃油消耗量约4 kg/hm2，柴油6.0元/kg，则燃油费用为192元/d。拖拉机手人工费为250元/d，两项综合的直接作业成本约392元/d（即约4.5元/亩）。

每台甘蔗喷药设备1.0万元，小拖拉机3.2万元（除农机补贴），如使用年限按5年计算，设备年折旧费用1.0万元，年工作时间100 d，每天折旧费用

是100元，每天管理和维修费按50元计，合计总费用150元，每天中耕面积6 hm2（90亩），则折旧和维修等费用约为30元/hm2（2元/亩）。

总计机械化作业成本是97.5元/hm2（6.5元/亩），如人工背负式作业成本150元/hm2（10元/亩），则约为人工背负式作业成本的65%，节省作业开支52.5元/hm2（3.5元/亩），年工作100 d，则年作业面积600 hm2（9 000亩），则每台设备与人畜作业相比，年节省作业成本开支约 3.0万元，也即购置设备（包括小型拖拉机）2年即可收回投资了。

4.2 社会效益分析

一般人工背负式喷药作业人均仅可完成0.5 hm2/d（7.5亩/d）左右，6.67 hm2（100亩）甘蔗地就需10～12个劳动力；而采用机械化喷药作业每天可达6 hm2（90亩）以上，只需1个劳动力，甘蔗机械化喷药作业较人工作业效率提高约12倍左右。此外，现在蔗区农村劳动力非常缺乏，原来请工给甘蔗喷药每人每天要50～60元，现在100元都常常雇不到人。

因此，甘蔗机械化的推广和应用不仅提高我国甘蔗产业机械化作业水平，减轻农民的劳动强度和负担，减少农药对劳作人员的伤害，而且还减少因用工荒带来的一系列问题。这对加快农村劳动力转移，增加农民收入，促进农业现代化进程，加快发展我国甘蔗作物、促进农业经济发展、推进社会主义新农村建设具有重要的意义，社会效益十分显著。

5 结论与讨论

5.1 结论

3WXP-800型拖拉机悬挂式甘蔗喷药机主要用于甘蔗种植时除草封闭、苗期至中耕期作业喷洒虫药、除草封闭等，适用坡度不大于20°，甘蔗拔节高度不超过0.8 m，能一次性地完成喷洒8行甘蔗除草或者杀虫作业。其结构简单紧凑，操作、维修、保养方便，作业小时生产率为1.1 hm2/h，喷头喷雾量均匀性92.3%，耗油量配4.1 kg/hm2，套动力30～50马力轮式拖拉机，较适宜目前甘蔗种植行距（80～110 cm），也较适宜我国甘蔗地田块小及种植农艺的要求。

5.1 问题讨论

该机具仅适用小苗期及中耕管理，对于甘蔗长到0.8 m以上时则不适用，如何配套高地隙拖拉机的喷药机具还需进一步研究开发。

现有喷雾在药液处理及清洗方面存在不安全、不方便、混药比例可控度低的问题。农药利用率有极大的提高空间，可通过引进和开发精准施药技术，根据喷雾机作业速度和喷雾量的实际测定，自动调控喷雾压力，达到实际喷雾量与设定的单位面积施液量相一致。这种喷雾量变量控制方式，发展前景宽广。

[1]周海燕，王嘉，尹素珍，等.3WQX-1300型悬挂式风幕喷杆喷雾机的研制[J].农业工程，2011，4（1）：67-70.

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Wang Xiuhua，Wei Lijiao，Li Ming※，Dong Xuehu，Huang Weihua，Yan Xiaoli
（Agro-machinery Research Institute of Chinese Academic of Tropical Agricultural Sciences,Zhanjiang 524091，China）

According to Chinese sugarcane's chemical spray of weeding and disinsection mainly relied on human operation,and large wheeled tractor s not suitable to the current plant row spacing,so developed the 3 WXP-800 type hanging type sugarcane spray insecticide machine.The new machinery can directionally sprays and is suitable for the spraying chemical herbicides,insecticides and liquid fertilizer of the tropical crops,such as sugarcane,cassava. This article maily to the optimized design of the machine's frame,spray rod and pipeline,and verified by experiment test and analyzed.The test results showed that the machine's indicators met the design requirements, and improved the work efficiency and reduced cost.

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广东省协同创新与平台环境建设专项项目（2014B090907006）；广东省部产学研合作重大专项项目（2012A090300015）；广西科学研究与技术开发计划项目项目（桂科合1599005-1-8）。

王秀华（1965—），女，汉族，江西东乡人，研究方向为热带农业工程。E-mail：1150745965@qq.com。

※通信作者：李明（1964—），男，汉族，广东化州人，研究员，研究方向为热带农业装备。E—mail：lm3785899@qq.com。