风幕式高地隙喷杆喷雾机研究与设计

2018-07-03吴彦强林立恒侯加林刘雪美刘向峰

农机化研究 2018年7期

吴彦强，林立恒，侯加林，苑进，刘雪美，刘向峰

(1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安 271018； 2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安 271018；3.山东华盛农业药械有限责任公司，山东临沂 276017)

0 引言

玉米是我国重要的粮食作物，2016年全国种植总面积约3 717万hm2。玉米生长中后期植株高大、枝叶交叉造成田间郁闭，常规植保机具存在底盘较低无法进地、雾滴飘失及在玉米冠层沉积不均匀等问题，从而使病虫害加剧，玉米产量与质量下降，影响农户收入与国家粮食安全[1-2]。为了解决玉米生长中后期病虫害防治问题，王波等[3]结合吊杆喷雾装置与横喷杆设计了门式喷雾系统，提高了雾滴在玉米不同冠层高度的沉积量及沉积均匀性。范国强等[4]设计了可配套喷雾装置的四轮菱形布置农用高地隙作业机。秦维彩等[5]研究了无人直升机作业高度和喷幅等作业参数对雾滴在玉米中后期植株上沉积量和分布均匀性的影响。

气流辅助式防飘喷雾技术能够有效防止雾滴飘移，改善雾滴在玉米冠层沉积分布，提高农药利用率，减少农药雾滴对非靶标区域的污染[6-9]。严荷荣等[10]研制了风幕式喷杆喷雾机，通过性能试验和田间试验证明风幕系统具有很好的防飘效果。杨学军等[11]针对经济作物如棉花、大豆等中后期病虫害防治研制了自走式高地隙风幕喷杆喷雾机。张铁等[12]对超高地隙风幕式喷杆喷雾机进行了田间试验并分析了相关参数对雾滴沉积量、沉积量均匀程度及飘移率的影响。王俊等[13]利用3WQ-3000型牵引式风幕喷杆喷雾机进行玉米田间试验，研究了风幕式气流辅助喷雾系统搭配不同类型喷头对雾滴沉积与覆盖规律、农药利用率和地面流失率的影响。刘雪美等[14-15]研制了3MQ-600型导流式气流辅助喷杆弥雾机并通过试验验证了该机具的减飘及雾滴沉积性能。

上述研究为本文提供了参考，但存在田间通过性、施药安全性较差及施药效率较低等问题。随着农村土地规模化经营步伐的加快，现代玉米全程机械化植保作业环节对大型、高效、安全农机具的要求也在不断提高。为此，本文针对玉米植保作业研制了高地隙底盘与风幕式防飘技术相结合的大型风幕式高地隙喷杆喷雾机，并对其喷雾作业效果进行了相关试验研究。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

风幕式高地隙喷杆喷雾机主要由驾驶室组件、高地隙静液压底盘、喷杆架组件、喷雾系统和风幕系统等组成，如图1所示。主要技术参数如表1所示。其中，药箱分置于机器两侧，通过提高两侧机架高度和采用大直径车轮来提升底盘离地间隙。整高地隙静液压底盘主要由发动机组件、龙门式机架、行走转向系统、液压系统和电气系统等组成。

(a) 整体图

(b) 左视图

参数数值外形尺寸/mm8600×2900×4100结构质量/kg9300配套动力/kW113驱动方式四轮驱动/二轮、四轮、蟹型转向轮距/mm2280～3300轴距/mm2400驾驶室高度/mm500～3000作业幅宽/mm24000喷雾高度/mm500～3000

续表1

1.2 工作原理

如图2所示：喷雾机工作时，发动机动力带动3组液压泵工作，分别为行走转向系统的轮边马达和转向油缸、喷雾系统的主药泵和搅拌泵马达、风幕系统的风机马达、驾驶室升降油缸、喷杆架组件的升降油缸、喷杆架组件的折叠展开油缸及调平油缸等工作部件提供动力。主药泵从主药箱中抽取药液，加压后一部分经过喷雾压力控制阀和喷雾开关电磁阀组输送至五段喷杆上面喷嘴喷出；另一部分回流到主药箱起回水搅拌作用，两个搅拌泵分别从一侧药箱中抽水加压后经管路送入另一侧药箱，对两侧药箱药液进行射流搅拌。风幕系统风机马达驱动风机产生高速气流，经风筒及风囊下方出风孔吹出，形成一道风幕，从而隔绝或减弱自然风的影响，降低雾滴飘失，高速气流还可以胁迫雾滴定向加速飞向靶标，增加了雾滴对植株冠层的穿透性[23-25]。

2 关键部件的设计

2.1 龙门式机架的设计

龙门式机架是风幕式高地隙喷杆喷雾机高地隙静液压底盘关键部件之一，主要由发动机支架、左侧和右侧机架总成、前轮和后轮立柱、前后转向油缸、前轮距和后轮距调节油缸等组成，如图3所示。左右侧机架总成分别安装在发动机支架两侧，左侧机架总成与右侧机架总成可以沿着发动机支架上的前轮距调节缸套和后轮距调节缸套左右伸缩来改变轮距，由前、后轮距调节油缸同步控制调节前、后轮轮距。驾驶室组件与喷杆架组件分别通过相应平行四边形升降机构安装在前挂架底座与后挂架底座上，驾驶室组件与喷杆架组件升降由各自液压油缸控制，两者升降高度在500～3 000mm可调。两侧机架下方中部，前轮立柱与后轮立柱之间安装药箱。整机工作时，玉米植株从机架中间经过，减少了机器对玉米植株的损坏。考虑到所设计驾驶室宽度及我国北方地区玉米种植行距情况，同时兼顾其它大田作物(如小麦、棉花等)作业，龙门式机架轮距调节范围为2 280～3 300mm，最小离地间隙为2 400mm。

图2 风幕式高地隙喷杆喷雾机整机结构框图

(a) 轴测图 (b) 主视图

2.2 喷雾系统设计

喷雾系统主要包括主药箱、辅药箱、混药器、主药泵、搅拌泵、过滤器、安全阀、组合喷头、喷雾智能控制器、流量传感器、速度传感器、压力传感器、电控压力阀、喷雾电磁阀组，以及管路等，喷雾系统管路连接如图4所示。该喷雾系统可以完成由主药泵向主药箱和辅药箱中加水、利用混药器向主药箱和辅药箱加药、主药箱和辅药箱中药液的搅拌和混合，以及根据车速变化智能变量施药等功能。整机喷杆段分5段，共有48个组合喷头，每个组合喷头可安装3个喷嘴，组合喷头安装间距为0.5m，喷幅为24m。

1.辅药箱 2.混药器 3.手动球阀Ⅰ 4.安全阀 5.流量传感器 6.速度传感器 7.电控压力阀 8.三级过滤器 9.喷雾电磁阀组 10.喷杆段 11.组合喷头 12.压力传感器 13.外部水源 14.主药泵 15.二级过滤器 16.手动球阀Ⅱ 17.主药箱 18.搅拌泵

喷雾机工作时，首先控制手动球阀Ⅰ和Ⅱ向两侧药箱中加水，然后按照农艺要求将一定量的农药通过混药器注入两侧药箱进行加药与混药；主药泵从主药箱中抽取药液加压后一部分经安全阀、流量传感器、电控压力阀、喷雾电磁阀组等送达各喷杆段上的组合喷头喷嘴喷出，另一部分经安全阀回路、电控压力阀回路及喷雾电磁阀组回路回流至主药箱，对主药箱进行回水搅拌。搅拌泵设有两个，分别从一侧药箱抽取药液加压后注入另一侧药箱，对另一侧药箱药液进行射流搅拌。主药泵及搅拌泵由相应液压马达驱动，根据不同防治对象所选用的喷嘴类型和喷嘴数量且考虑到主药箱回水搅拌、向两侧药箱注水等功能，主药泵选用AR-280BP隔膜泵(意大利艾热公司)，其最大流量为277.8L/min。根据药箱射流搅拌流量为药箱容量的0.1～0.2[16]，单侧药箱容积为1 300L，因此搅拌泵选用AR-135BP隔膜泵(意大利艾热公司)，其最大流量为132L/min。为满足智能变量施药控制要求，本机选用了Teejet公司844-E智能喷雾控制器以及98600-C-433E喷雾控制单元，通过采集速度、压力、流量传感器数据经计算后与设定的每公顷喷量进行比较，根据车速的不同自动调整喷雾压力，保证精量施药。喷雾开关、喷雾量及喷雾压力的设定均由其控制。

药泵液压马达选型计算如下：

驱动药泵所需扭矩为

(1)

式中Tm—药泵马达驱动扭矩(N·m);

Pm—药泵额定功率(kW)；

Nm—药泵额定转速(r/min)。

药泵马达排量计算公式为

(2)

式中Vm—药泵马达排量(cm3/r)；

Δp—进、出油口压差(Pa)；

ηmm—液压马达机械效率，取0.95。

主药泵与搅拌泵额定功率分别为9.48、5kW，转速皆为550r/min，液压系统工作压力取12MPa。主药泵马达及搅拌泵马达回油口直接接回油箱，出口压力为零，带入式(1)和式(2)计算得主药泵与搅拌泵马达所需排量分别为90.89、47.93cm3/r。考虑动力储备，主药泵马达选用1个BMSY100摆线马达，搅拌泵马达选用2个BMP63摆线马达。

2.3 风幕系统设计

风幕系统主要包括轴流风机、驱动马达、风筒与两侧风囊等。参考现有风幕系统结构形式，设计了如图5所示的风幕系统。

1.风幕系统安装底座 2.风机 3.风筒 4.风囊

其中，风幕系统风筒和风囊下方设有一系列出风孔，出风孔为圆形，直径为35mm，间隔60mm，共设404个。为减少风量损失，保证各出风孔风速一致，采用收紧风囊设计方式，风囊与风筒靠近一端为大端，风囊尾端为小端，大端直径为520mm，小端直径300mm。在风筒内安装有金属液压螺旋油管，利用高速气流对液压油进行降温。

2.3.1 风量的确定

风量是轴流风机重要参数之一，风量大小直接影响风幕系统工作效果，同一时间段内轴流风机的风量应该等于风筒与风囊下方出风孔吹出的气体总量，即

Q=NπD2V/4

(3)

式中Q—轴流风机风量(m3/s)；

N—出风孔数量；

D—出风孔直径(m)；

V—出风孔气流速度(m/s)。

带入各参数数值，为保证风幕系统具有良好的防飘效果，借鉴文献[11]，取V=20m/s，求得Q=7.77 m3/s。

2.3.2 风压的确定

风机的全压主要由动压损失和静压损失组成，而静压损失又包括局部压力损失和沿程压力(摩擦压力)损失。

动压损失为

(4)

式中PdF—风机动压损失(Pa)；

ρ—空气密度(kg/m3)；

v—气流速度(m/s)。

摩擦压力损失为

(5)

式中Pm—风机摩擦压力损失(Pa)；

λ—气流与气囊内壁摩擦因数，取0.1；

R—输送管道半径(m)；

L—风囊长度(m)。

局部压力损失为

(6)

式中Pj—风机局部压力损失(Pa)；

ζ—局部阻力系数，取0.3。

风机全压为

PtF=PdF+Pm+Pj

(7)

式中PtF—风机全压(Pa)。

各参数取值：ρ=1.29 kg/m3，v=30m/s，R=0.4m，L=24m，求得风机全压PtF=1 625.4Pa。

2.3.3风机轴功率

风机轴功率Psh计算式为

(8)

式中Psh—轴流风机轴功率(kW)；

ηi—叶轮效率，取0.98；

ηm—机械效率，取0.9。

带入各参数数值，计算得Psh=14.32kW。

参考式(1)和式(2)，计算得风机驱动马达排量37.66cm3/r，最终选用CMG2040齿轮马达。

3 性能试验

为测试样机额定工况下雾滴沉积性能及防飘性能，采用高度为2m的仿真玉米和水敏纸(瑞士先正达作物保护公司)进行了雾滴沉积分布试验。试验时间为2016年10月，试验地点为山东华盛农业药械有限责任公司试验场，试验液体为常温下不含固体悬浮物的清水，发动机为额定状态，试验地点气温20℃，相对湿度60%，自然风速1～2m/s。试验步骤如下：

1)因两侧喷杆性能一致，仅对左侧喷杆进行试验，如图6所示。在空地上沿与喷杆平行方向设置3个采样区域，每两个采样区域间隔4m，每个采样区域布置9棵仿真玉米，按照行距60cm、株距30cm布置3行3列，取每个采样区域中间的仿真玉米为采样植株，依次编号为A～C，试验前在采样植株离地80、140、180cm左右的上、中和下层的叶子正、反面布置水敏纸。

图6 试验方案示意图

2)在距离采样区域50m处启动样机，调整喷雾压力为0.4MPa，打开药泵及喷头(选择Teejet公司XR110-03喷嘴)，以6km/h的速度在有辅助气流与无辅助气流的情况下对采样区进行喷雾，待水敏纸晾干后立即收集并用自封袋密封，做好标记，带回实验室处理。

3)将收集的水敏纸用扫描仪扫描为图片后，利用DepositScan软件对水敏纸分析，得到雾滴在仿真玉米冠层的覆盖率并记录。

4)重复步骤2)及步骤3)3次并计算平均值，图7为试验现场，结果如图8所示。

图7 雾滴沉积分布试验现场

(a) 叶片正面

(b) 叶片反面

由图8可以看出：雾滴在仿真玉米上、中、下层覆盖率依次降低，同一冠层高度下，叶片正面覆盖率显著高于叶片背面。有风幕时，玉米整个冠层叶片正面和反面雾滴平均覆盖率分别为59.17%和12.29%；无风幕时，玉米整个冠层叶片正面和反面雾滴平均覆盖率分别为43.02%和2.39%，无风送情况下玉米叶片反面雾滴几乎无法沉积。有风送较无风送雾滴在玉米整个冠层平均覆盖率提高了57.37%，说明辅助气流改善了雾滴在中、下层正反两面的沉积效果，提高了雾滴在玉米冠层的穿透性，降低了雾滴飘移，从而提升了喷雾质量。

4 结论

1)针对玉米中后期病虫害防治难及普通喷杆喷雾机雾滴飘失严重等问题，设计了风幕式高地隙喷杆喷雾机。该机采用了高地隙龙门式机架，轮距可调，药箱分布于整机两侧，降低了整机重心，提高了机器的稳定性；驾驶室与喷杆高度可调，满足了对不同高度作物和不同地势的适用性；集成智能施药喷雾控制系统、风幕防飘移技术，提高了施药均匀性与雾滴穿透性，减少了雾滴飘失，降低了对环境的污染。

2)性能试验表明：有风幕时，玉米整个冠层叶片正面和反面雾滴平均覆盖率分别为59.17%和12.29%；无风幕时，玉米整个冠层叶片正面和反面雾滴平均覆盖率分别为43.02%和2.39%，有风送较无风送雾滴在玉米整个冠层覆盖率提高了57.37%。由此可见，风幕系统对于增加雾滴在玉米冠层沉积及减少雾滴飘失作用明显。

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