森林病虫害防治喷雾机药箱配置及整机性能分析

雒鹰，陈玲，杨丽婕，刘冰，尹子康， 李继平，崔铁花，付晓霞

(1.吉林省林业科学研究院，长春 130033；2.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022)

森林病虫害防治喷雾机药箱配置及整机性能分析

雒鹰1，陈玲1，杨丽婕2，刘冰1，尹子康1， 李继平1，崔铁花1，付晓霞1

(1.吉林省林业科学研究院，长春 130033；2.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022)

针对6HW30和6HW-12A两种型号森林病虫害防治喷雾机药箱总成配置对整机带来的稳定性问题和药箱防锈蚀问题，课题组做了药箱总体方案改进设计，并对喷雾机主机、6HW30、6HW-12A和6HW-12B型喷雾机进行了纵向稳定性计算分析。关于药箱防锈蚀问题，本文通过对A3钢、A3钢涂刷防腐材料和不锈钢进行了试验对比，结果显示：A3钢不具备防腐性能，未经处理不能做药箱材料。A3钢涂刷防腐材料，防腐性能只能维持2 a之久，之后便不具防腐性能。0Cr18Ni11Nb不锈钢虽然药箱成本会有所提高，但耐锈蚀性能较为理想。研究结果表明：6HW30、6HW-12A和6HW-12B三种型号喷雾机当中，6HW-12B型森林病虫害防治喷雾机无论在稳定性方面还是耐锈蚀方面都优于前两者。

高射程；森林病虫害；喷雾机；药箱

0 引言

6HW系列喷雾机特指风送高射程森林病虫害防治喷雾机，是植物保护机械(简称植保机械)的一种[1]，目前，我国植保机械的发展和发达国家相比还存在着很大差距[2]，主要表现在以下几个方面：施药技术落后，农药利用率低；机型单一，缺少专业化防治机械；风机、喷头、液泵和药箱等关键零部件达不到理想的工作要求，仍需改进和创新[3]。为了研发高效、低耗植保机械，国外早在20世纪40年代就开始研究采用风送喷雾技术对林木进行病虫害防治。该技术利用风机产生的高速气流将雾滴雾化并输送至靶标，增加了雾滴穿透性，有效减少了雾滴飘移，实现了低量喷雾[4]。为了提高农药利用率，降低污染，80年代又开发出隧道式循环喷雾机，其最大的特征是拥有一个隧道型的罩盖，作业过程在一个近乎封闭的空间内完成。通过Peterson和Hogmire的试验证明，在罩盖内使用横流风机能让气流横向送出，沉积效果要好于轴流风机[5]。同期，国外又出现了风幕式喷杆喷雾机，该机作业时在风筒出风口处形成风幕，迫使雾滴向作物沉积[6]。1999年Salyani在柑橘果园进行喷雾试验，通过改变喷雾机的风机风量和地面行驶速度得出喷雾机的喷雾效果[7]。采用化学农药防治病、虫、草害及其他有害生物来提高树木生长量和质量是现代化林业不可缺少的重要手段。而评价农药喷施质量的重要指标是农药有效物质在喷施靶标上的均匀沉积分布，要达到这一指标，除采用质优的喷洒机具和正确的操作外，还必须使农药有效物质与稀释用的载体(通常是水)在喷头喷出前混合均匀[8]。农药与水的混合通常是在喷雾机自带的药箱内完成的。药箱作为喷雾机重要组成部分，它的大小、结构形式、布置位置等都会对整机的使用性能带来重要影响。

笔者带领的课题组迄今为止已经开发出6HW30、6HW-12A和6HW-12B三种机型。其中，6HW30型喷雾机的操控方式为手控机械式；6HW-12A型喷雾机的操控方式为电控气动式；6HW-12B型喷雾机的操控方式为电控液压式[9-11]。随着型号和操控方式的改变，药箱总成作为上述三种机型喷雾机的重要的组成部分，在结构的合理性和自动化程度方面都相应得到提高。下面就以上三种型号喷雾机的药箱总成对整机的影响一一加以分析论述。

1 6HW30型喷雾机

该型喷雾机为第一代样机。设计之初，由于受各种因素限制，该机的药箱采用容积比较小的单箱结构，被布置在驾驶员座椅后方，动力输出轴上方，材料为A3钢。评价药箱总成对整机的影响主要从以下三方面考虑[12-14]：①药箱总成位置对整机重心的影响；②药箱总成耐腐蚀度对整机使用效能的影响；③药箱容积大小对整机作业效率的影响。

1.1 药箱总成位置对整机的影响

如上所述，6HW30型喷雾机药箱总成的位置是在驾驶员身后，动力输出轴上方，如图1所示。

图1 6HW30型喷雾机Fig.1 Type 6HW30 sprayer

从图1中可以看出，药箱总成布置在主机大驱动轮中心线之后，加之笨重的风机和机械传动装置，使本不堪负重的后部平添了360 kg(320 kg水加上40 kg箱体重量)的重量。尽管在主机最前部加装了超过100 kg的配重，该机在上坡作业时，纵向稳定性仍旧不能得到充分的保证，时常有风机拖地和前轮翘起情况发生。前面的配重也将无端的消耗发动机部分有效功率。

图2 拖拉机上坡时极限倾翻角示意图Fig.2 Diagram of limit angle of uphill overturn of the tractor

由于选择了药箱布置在上述位置，因受制于后部空间限制并考虑到整机重心对生产作业带来的影响，所以药箱容积不可以随意放大，经过计算，最终确定药箱容积暂定在320 L。看上去不大的药箱，因为设计的位置不尽合理，导致对整机的纵向稳定性带来了巨大影响。6HW30型喷雾机主机(拖拉机)正常上坡时极限倾翻角如图2所示。

图中：L为轴距，1 702 mm；H为重心到地面垂直距离，750 mm；A为重心到大驱动轮中心线距离，a≈L/3 =573 mm；αlim为极限倾翻角[15]，αlim=tg-1(a/h)=tg-1(573/750)= 37.38°

加装了喷雾装置后的6HW30型喷雾机上坡时极限倾翻角如图3所示。

图3 6HW30型喷雾机上坡时极限倾翻角示意图Fig.3 Diagram of limit angle of uphill overturn of type 6HW30 sprayer 注：1.药箱总成；2.齿轮变速箱总成；3.风机总成

从图3中可以看出，影响整机重心后倾的三个总成分别为药箱总成1，齿轮变速箱总成2和风机总成3。其中，尤属药箱总成1重量最重，达360 kg。后部越重，a值就越小。α值越小，上坡时越容易倾翻。合理保持整机重心位置，使其在上下坡均能保持正常作业至关重要。图3中在加装药箱且挂载喷雾机总成后的a值降为210 mm。经过计算，6HW30型喷雾机上坡极限倾翻角αlim= tg-1(a/h)= tg-1(210/750)=15.6°，纵向稳定性大幅降低。a值不能过小，也不能过大。过小上坡稳定性不好，反之则下坡稳定性不好。

1.2 药箱总成耐腐蚀度对整机使用效能的影响

药箱总成耐腐蚀度是衡量喷雾机一项很重要的指标。农药的pH值大都在4.6左右，呈酸性的较多[8]。尽管在实际生产使用中需加入大量水稀释，但稀释后的液体仍呈弱酸性。6HW30型喷雾机由于是第一轮样机，设计之初主要考虑的是各个部件总成能否完成在林地内的规定使用动作，加之科研经费不足，故没有在药箱材料和耐腐蚀性方面做更多的考虑，而直接选用了机械工程设计中最为广泛应用的材料A3钢。A3钢的优点是加工性能好、制造成本低廉。缺点是不具备对农药的耐酸碱度腐蚀。经过一段时间的使用，药箱内部开始大量锈蚀、剥落形成“药渣”。这些“药渣”随离心泵的抽力在管道内、喷嘴处经常发生堵塞而影响实际生产使用，需定期清理。长此以往，对整机使用效能带来巨大影响。

1.3 药箱容积大小对整机有效作业时间的影响

药箱容积对整机作业效率影响甚大。药箱容积大，一次性作业时间就长，作业效率就高；反之，药箱容积小就需要频繁回到路边储水罐处加水。由于储水罐车不能随喷雾机一同进入林地，通常都是在作业林地路边停放。开始作业时，喷雾机距离储水罐车还较近，经过几个小时作业后，喷雾机会距离储水罐车越来越远，频繁加水势必严重影响整机的作业效率。药箱容积又不能过大，过大会消耗大量发动机功率，以至于喷雾机达不到设计喷高，油耗也会随之增大，这也是不可取的。6HW30型喷雾机药箱容积为320 L。单次加满药后连续作业时间为2 h左右。夏季作业，为避免中午酷暑，作业时间一般为上午4：00-11：00，下午15：00-20：00。这中间需要加药6次左右，加药次数偏多。

2 6HW-12A型喷雾机

根据6HW30第一代样机生产使用情况分析，笔者对药箱、风机和齿轮变速箱进行重新设计和选型，继而进行了第二代样机的研制。

第二代样机全称为“6HW-12A高射程自行式森林病虫害防治喷雾机”。该样机不仅对药箱和风机做了全面升级和改动，同时用楔形皮带传动取代了齿轮变速箱机构。药液泵也从玻璃钢离心泵升级为不锈钢旋涡泵。操控方式从第一代的手控机械式升级为第二代的电控气动式。

2.1 药箱总成位置对整机的影响

6HW-12A型喷雾机药箱总成一改6HW30型喷雾机单箱结构而设计成双药箱结构，药箱A和药箱B分列两个大驱动轮上方，药箱底部通过连通器连接。药箱A内侧设有玻璃溢位计。如图4所示。

从图4可以看出，药箱A与药箱B的重量完全作用于主机大驱动轮正上方。此种结构设计最大限度保留了主机的重心位置，使得图2中的a值略有缩小。另外，6HW-12A型喷雾机对风机进行了重新选型，用新型的高压风机取代了图1中笨重的老旧风机，重量减轻近40 kg。为使整机重心尽量前移，6HW-12A型喷雾机还用楔形皮带传动替代了6HW30型喷雾机的齿轮变速箱，使得整机结构更加紧凑，重量进一步降低。改型后的6HW-12A型喷雾机上坡极限倾翻角比主机略有减少，如图5所示。

图4 6HW-12A型喷雾机Fig.4 Type 6HW-12A sprayer

图5 6HW-12A型喷雾机上坡时极限倾翻角示意图Fig.5 Diagram of limit angle of uphill overturn of type 6HW-12A sprayer

从图5中可以看出，在整机后部只有一个体积小、重量轻的风机总成，而且紧贴主机后部。计算中，a≈L/3 = 1 720/3 = 573 mm，考虑到整机后部仍有大部分总成，所以a值会相应缩小，取a= 500 mm。则6HW-12A型喷雾机上坡极限倾翻角为：αlim= tg-1(a/h)=tg-1(500/750)= 33.6°。此参数在平原和丘陵地区林地内作业足够安全。由于重心在后部，下坡极限倾翻角不在此计算。

2.2 药箱总成耐腐蚀度对整机使用效能的影响

由于第一代样机药箱锈蚀严重，所以在6HW-12A型喷雾机研制过程中，着重对药箱耐农药腐蚀做了特殊处理。在中央财政林业科技推广示范项目经费资助下，笔者加工制造了4台新的6HW-12A型喷雾机，药箱内部全部涂刷防腐涂料，以验证该方法的使用效能。经过两年多的实际应用，药箱耐腐蚀性能得到极大提高，偶尔发生轻微阻塞，基本不影响正常使用。但在长期封存车库后，也就是在研制最新一代样机之前，课题组将一台6HW-12A型喷雾机的药箱拆解开来，令人想不到的是防腐涂料在应用一段时间并长期闲置后已无痕迹，并且药箱内部已经开始锈蚀。实践证明：防腐涂料能够解决一时的锈蚀问题，但并不能从根本上彻底解决该问题。

2.3 药箱容积大小对整机作业效率的影响

如前所述，在喷雾量恒定时，药箱容积的大小对整机的作业效能有着不可忽视的作用。6HW30型喷雾机的药箱容积为320 L，而6HW-12A型喷雾机由于布置空间加大并且不受重心偏后影响，综合各方面因素考虑，每个药箱容积设定为230 L，两箱共460 L。每天野外作业仅需加水2～3次即可，大大提高了整机作业效率。

3 6HW-12B型喷雾机

该机是高射程自行式森林病虫害防治喷雾机中最新一款机型。6HW-12B型喷雾机是在总结前两种喷雾机存在问题基础上开发研制的一种集机电液于一机之上的高射程喷雾机。最新一代样机不仅在操控方式上由6HW-12A的电控气动式升级为电控液压式，药箱的溢位计也由6HW-12A的玻璃溢位计改为浮子溢位声光控报警装置。该装置的工作原理是当药箱内的水位加满或用完时，药箱内的浮子就会触碰行程开关，驾驶室内的控制按钮闪亮，蜂鸣器也同时报警[16-19]。值得一提的是该机为主机加装了非标异型全封闭驾驶室，基本解决了驾驶员与农药零距离接触的安全问题。6HW-12B型喷雾机外形如图6所示。

图6 6HW-12B型喷雾机Fig.6 Type 6HW-12B sprayer

6HW-12B型喷雾机与6HW-12A型喷雾机的药箱位置没有发生改变，所不同的是药箱容积增加了40 L，变为500 L。增加的40 L容积对整机纵向稳定性造成的影响微乎其微，可忽略不计。故6HW-12B型喷雾机的上坡极限倾翻角应基本等同于前述的6HW-12A型喷雾机的数值。在药箱耐腐蚀方面，6HW-12B型喷雾机选用不锈钢代替前两代样机的A3钢，从根本上解决了药箱锈蚀问题。随着药箱容积的进一步加大，使得6HW-12B型喷雾机单次作业时间也同步得到延长，有效作业时间显著提高。

4 结论

笔者带领的课题组研制的6HW系列高射程喷雾机，历经三种型号、三代样机，药箱作为整机的重要组成部分，无论是位置、结构还是材料的变化都会对整机产生重大影响。首先，在纵向稳定性方面，主机自身上坡极限倾翻角为37.38°；第一代6HW30型喷雾机上坡极限倾翻角为15.6°；第二代6HW-12A型喷雾机上坡极限倾翻角为33.6°；第三代6HW-12B型喷雾机上坡极限倾翻角应基本等同于6HW-12A型喷雾机。其次，在药箱耐腐蚀方面，由开始的6HW30型喷雾机单纯使用A3钢过渡到6HW-12A型喷雾机A3钢刷防腐涂料，最后到6HW-12B型喷雾机的不锈钢药箱。药箱容积从开始的6HW30型喷雾机单箱320 L提高到6HW-12A型喷雾机双箱460 L，最后确定为6HW-12B型喷雾机的500 L。综上所述，第一代样机6HW30型喷雾机优点：结构简单，维修方便，价格低廉。缺点：爬坡能力差，药箱锈蚀严重，药箱容积偏小。第二代样机优点：纵向稳定性好，自动化程度高，药箱有一定抗锈蚀能力，作业效率高。缺点：风机喷头不能定向喷雾，药液有浪费，药箱仍有锈蚀发生。第三代样机优点：纵向稳定性好，自动化程度高，药箱具有耐酸碱腐蚀功能，作业效率是三代样机中最高的一种型号，可达60 hm2/台班。缺点：驾驶室温度偏高。

高射程自行式森林病虫害防治喷雾机在吉林省西部地区经过7 a生产试验，总作业面积超过30 000 hm2，防治效果良好。随着第三代样机的研制成功，药箱总成也有了质的飞跃，应用前景十分广阔。

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AnalysisofMedicineBoxAssemblyandWholeMachinePerformanceofSprayersforForestDiseaseandPestControl

Luo Ying1，Chen Ling1，Yang Lijie2，Liu Bing1，Yin Zikang1， Li Jiping1，Cui Tiehua1，Fu Xiaoxia1

(1.Jilin Provincial Academy of Forestry Sciences，Changchun 130033； 2.College of Mechanical and Electric Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022)

For the two types of sprayers for forest disease and pest control，6HW30 sprayer and 6HW-12A sprayer，concerning the effect of the medicine box assembly on the stability of the whole machine and the anti-corrosion performance of the medicine box，the overall design plan of the medicine box is improved.The longitudinal stability of the main machine of the sprayer，6HW30 sprayer 6HW-12A sprayer and 6HW-12B sprayer is analyzed in this paper.Then the anti-corrosion performance of the medicine box with different materials，A3 steel，A3 steel brushed with anti-corrosion material and stainless steel，is tested.A3 steel does not have anti-corrosion performance，untreated A3 steel cannot be used as the material of the medicine box.The anti-corrosion performance of A3 steel brushed with anti-corrosion material can be maintained only for two years.The cost of 0Cr18Ni11Nb stainless steel is high，but its anti-corrosion performance is better.The results show that，for the three types of sprayers for forest disease and pest control，6HW30，6HW-12A and 6HW-12B sprayer，the stability of the whole machine of 6HW-12B sprayer and anti-corrosion performance of its medicine box are the best.

High range；forest disease and pest；sprayer；medicine box

S 776.28；S 43

：A

：1001-005X(2017)05-0062-05

2017-04-07

吉林省科技厅重点科技攻关项目(20130206057NY)

雒鹰，研究员。研究方向：林业机械。E-mail：ly13578671811@163.com

雒鹰，陈玲，杨丽婕，等.森林病虫害防治喷雾机药箱配置及整机性能分析[J].森林工程，2017，33(5)：62-66.