3MD-8型低量弥雾植保机的设计与试验

2019-05-27孙冬霞李明军曹龙龙张爱民

农机化研究 2019年8期

孙冬霞，李明军，曹龙龙，李伟，王成，张爱民

(滨州市农业机械化科学研究所，山东滨州 256600)

0 引言

长久以来，病虫害一直是影响作物生产的重要因素。由于作物不同生长时期病虫害的种类不同，各种病虫害会对作物生产造成极大的影响[1]。目前，控制各种病虫害的主要手段是以喷施农药为主的化学调控[2]。随着农业产业化、规模化、集约化发展，化学调控成为作物管理的重要环节[3]。在推进农业机械化进程中，植保化控机械化是其重要组成部分。近年来，精准施药技术有所发展；但从总体上来说，我国植保机械与发达国家相比仍存在着用水用药多、残留量大、有效利用率不高等缺点[4]。为此，设计了高效、低耗、结构简易的弥雾机械—3MD-8型低量弥雾植保机。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构与技术参数

3MD-8型低量弥雾植保机主要由药液箱、药液箱固定圈、药液箱支架、风机、机架、韧性连接装置、输风管、喷管、支架、皮带轮、提升臂加长杆及胶管等部件组成，如图1所示。

1.2 工作原理

该机型是与雷沃M254-E型拖拉机配套的低量弥雾植保机械，主要用于棉花、大豆等中高秆作物的病虫害防治、化学调控、喷洒除草剂等作业。该机设计幅宽为8行，安装拖拉机高架后可在1.2m株高的棉花地内顺利通过并进行作业。该机采用风力雾化风力传送的弥雾原理，作业时药液在重力作用下从药液箱流入固定叶轮喷头，药液在风机产生的高速气流的撞击作用下被撕裂成70～150μm的雾滴，同时被气流吹送至作物行间附着于作物叶面；作物枝叶在风力作用下翻动，雾滴均匀覆盖于作物正反叶面上。

1.药液箱 2.药液箱固定圈 3.药液箱前支架 4.药液箱后支架 5.风机机架 7.韧性连接装置 8.输风管 9.喷管 10.支架 11.皮带轮 12.提升臂加长杆 13.胶管

该机型的技术参数如表1所示。

表1 低量弥雾植保机的技术参数

续表1

2 总体方案的确定

2.1 雾化动力的确定

现有植保机械的雾化动力主要有液泵和风机两种，即利用柴油机、汽油机、蓄电装置或者拖拉机动力输出轴驱动液泵或风机使药液雾化[5]。液泵雾化是利用高压力把药液从喷孔中压出以形成雾滴，风机雾化是利用风机的高速气流把药液撕裂成70～150μm的雾滴。

要实现低量弥雾的目的，如果使用液泵雾化，需要的压力较大，会给管道的密封带来困难，且成本较高，因此不宜采用液泵雾化。与液泵雾化相比，风力雾化具有结构简单、操作容易、故障少及机具成本低等优点，因此3MD-8型低量弥雾植保机的雾化动力采用风力雾化。

风机是弥雾植保机的主要部件，工作时产生高速气流把药液流撕裂成70～150μm的极细雾滴，并吹送到作物上。与国内外同类风机相比，9-19型高压离心风机具有效率高、噪声低、性能曲线平稳、高效区宽等优点。根据9-19型高压离心风机的性能参数与结构特点，项目组选用9-19No5.6A型高压离心风机。该型号风机的性能参数如表2所示。

表2 9-19No5.6A型高压离心风机的性能参数

Table 2 Performance parameters of 9-19No5.6A high pressure centrifugal fan

转速/r·min-1工况点全压/Pa流量/m3·h-1所需功率/kW29001718222627.02727327148.13723631679.147109361910.256954399611.266709444812.576400490113.9

由风机7个工况点可知：第5工况点所需功率为11.2kW，全压为6 954Pa，流量为3 996m3/h，能够满足设计的需求。

2.2 联结方式的确定

为简化机具的结构，设计利用拖拉机后轮轴固定挡泥板的两个螺纹孔来固定机架的主梁。机架由主梁、横梁及加强支撑等部件组成，风机和输风管等部件固定在机架上。机架的尺寸较短，作业及运输状态时摆动少，稳定性好，便于田间操作，结构如图2所示。

图2 机架示意图

2.3 传动方式的确定

风机的动力来源于拖拉机的动力输出轴。拖拉机皮带轮转速为1 000r/min，而风机的额定转速为2 900r/min，因此设计一级皮带轮变速即可满足传动要求。利用拖拉机动力输出轴与皮带轮的配合简化了机构，降低了机具成本。

2.4 折叠机构的确定

3MD-8型低量弥雾植保机的工作幅宽可达5.6m，为避免运输、转弯时不便，在拖拉机液压机构提升臂与输风管间设置简易韧性连接装置，依靠提升臂的升降动力实现输风管折叠和伸直。

2.5 喷头的确定

为使喷雾能够集中对准作物，3MD-8型低量弥雾植保机作业时8个喷头各喷1行作物。该机采用转盘式超低量喷头，主要由喷口、分流锥、轴承、雾化盘组合及喷嘴轴等部件组成，如图3所示。雾化盘组合由前齿盘、后齿盘及驱动叶轮联结组成，此组件靠轴承支撑在喷嘴轴上，轴承盖安装在前齿盘的轴承座上起防尘、紧固的作用[6]。

1.喷口 2.封闭盖 3.密封垫 4.分流锥 5.分流锥盖轴承 7.螺母 8.轴承压盖 9.雾化盘组合 10.喷嘴轴

拖拉机启动之后，由离心风机产生的高速气流进入喷口，遇到分流锥从喷口呈环状喷出，喷出的高速气流吹到驱动叶轮上，使雾化盘组件高速旋转；同时，流入喷嘴轴的药液从喷嘴轴上的一个小孔流出；进入前、后齿盘之间缝隙中的药液在高速旋转的前、后齿盘的离心作用下，沿着前、后齿盘外缘圆周上的齿尖抛出，破碎成细小的雾滴；雾滴被喷口内喷出的气流吹向远处，借气流及作物间的乱流和重力等作用被输送到作物上。

2.6 药液箱的确定

该机采用2个圆柱形药液箱，具有操作简便、成本低等优点，总容量为500L。药液箱结构示意图如图4所示。

2.7 行距调整方式的确定

机采棉种植模式的行距为76cm，考虑到调整次数不多，因此采用加接风管和利用调节杆微调相结合的方式来实现行距调整。

图4 药液箱示意图

3 主要工作部件的设计与计算

3.1 功率的计算

由第5工况点可知，风机所需功率P=11.2kW。

1)雷沃M254-E型拖拉机最大输出轴功率P1为

P1=0.86B

(1)

式中B—拖拉机发动机功率，取B=18.8kW。

由公式(1)得，P1=16.17kW，大于风机所需功率。

2)拖拉机可选择Ⅲ～Ⅳ挡作业，如按Ⅳ挡计算，已知机具使用质量M=2 160kg，阻力系数f=0.16，Ⅳ挡时机具作业速度v=5.4km/h，则滚动阻力所消耗的功率P2为

P2=fMgv

(2)

式中f—阻力系数，取值f=0.16；

M—机具使用质量，取M=2160kg；

g—重力加速度，取g=9.8m/s2；

v—Ⅳ挡时机具作业速度，取v=5.4km/h。

将数据代入公式(2)得：P2=5.08kW。

3)所需总功率P总。机组所需的总功率P总是风机所需功率与滚动阻力所消耗的功率之和，即16.28kW，小于雷沃M254-E型拖拉机发动机功率18.8kW。因此，Ⅳ挡作业能够满足使用要求，功率得到充分合理的使用，机具功率匹配合理。

3.2 皮带轮的设计与计算

已知传递功率P=11.2kW，风机额定转速n1=2 900r/min，动力输出轴皮带轮转速n2=1000r/min。

3.2.1 胶带断面型号的选择

查阅机械设计手册，根据传递功率与风机额定转速选取胶带断面型号。普通V带选型如图5所示，胶带断面型号选B型带。

图5 普通V带选型图

3.2.2 皮带轮的计算

1)风机皮带轮公称直径D1取125mm。

2)动力输出轴皮带轮公称直径D2为

(3)

式中D1—风机皮带轮公称直径，取D1=125mm；

n1—风机额定转速，取n1=2900r/min；

n2—动力输出轴皮带轮转速，取n2=1000r/min；

η—传动效率，取η=98.5%。

将数据代入公式(3)得：D2=368mm。

3)胶带速度v为

(4)

式中D1—风机皮带轮公称直径，取D1=125mm；

n1—风机额定转速，取n1=2900r/min；

vmax—普通V带的最大速度，一般vmax=25～30m/s。

将数据代入公式(4)得：v=18.97m/s

4)根据实际，确定两皮带轮中心距A=810mm。

5)风机皮带轮包角α为

(5)

式中D1—风机皮带轮公称直径，取值D1=125mm；

D2—动力输出轴皮带轮公称直径，取D2=368mm；

A—两皮带轮中心距，取A=810mm。

一般情况下，小带轮包角应≥120°。由公式(5)得：α=162.81°>120°。因此，小带轮包角合格。

6)胶带计算长度L为

(6)

式中D1—风机皮带轮公称直径，取D1=125mm；

D2—动力输出轴皮带轮公称直径，取D2=368mm；

A—两皮带轮中心距，取A=810mm。

将公式代入公式(6)得：L=2 412.24mm，取标准值2 500mm。

7)胶带绕转次数μ为

(7)

式中v—胶带速度，取v=18.97m/s；

L—胶带计算长度，取L=2 500mm。

一般情况下，胶带绕转次数应小于10～15次/s。由公式(7)得μ=7.59，合格。

8)胶带根数Z计算公式为

(8)

式中P—传递功率，取值P=11.2kW；

K1—小带轮包角修正系数，取K1=0.95；

K2—带长修正系数，取K2=1.03；

P0—特定条件下单根胶带传递的功率，取P0=2.96kW；

ΔP0—单根胶带传递功率的增量，取ΔP0=0.79kW。

由公式(8)得Z=3.05，取整为3根胶带。

3.3 输风管道的设计

输风管的作用是将风机产生的气流输送到雾化喷头。输风管除直长部分外，还有使气流转弯的弯头。空气通过弯头的阻力比直长部分大得多，因此管件设计合理与否与输风的效果有直接关系。弯头的曲率半径R越大，空气受到的阻力越小，一般R取1～2倍的管道直径。弯头的角度越大，空气受到的阻力越大，根据使用要求取弯头角度为90°。弯头环节不应过多，弯头环节过多，看起来虽然圆滑，但节缝也会相应增多，并不能减少阻力。因此，取每个环节15°～18°，每个弯头取5～6个环节。输风管的结构图如图6所示。

图6 输风管结构图

4 室内性能测定

4.1 雾滴直径的测定

测定方法参照试验大纲，沿雾滴轴向在射程范围内放7个测试点，每个测试点重复取样3次，共取样雾滴242个。取样后经数据处理，用数理统计法分别计算平均雾滴直径d、标准差s、平均数标准误差sd、变异系数v、雾滴直径D，结果如表3所示。

表3 雾滴直径测定表

由表3可知：雾滴直径在101～107μm范围内，符合设计要求(设计要求不大于150μm)。经统计，雾滴直径58～140μm的数量占76%，30μm以下的雾滴仅占2%。据资料介绍，在气候干燥的条件下，30μm以下雾滴利用率小于0.5%，100μm雾滴的利用率约80%。因此，从雾滴试验测试情况看，该机雾化良好。

4.2 水平射程与喷幅的测定

根据试验大纲的要求，对单喷头进行水平射程和喷幅的测定，以气流达到2m/s流速的最远边界到喷口的水平距离为射程，和射程垂直的最远边界为喷幅，重复3次测得平均射程为3m，喷幅为0.6m，结果如表4所示。

表4 射程与喷幅测定表

4.3 喷雾量与残留液的测定

根据试验大纲的要求，将药箱装满500L清水，按工作状态进行喷洒，记录喷完所需时间，收集残留液体。测定喷完500L水所需时间为42min，计算得每分钟平均喷雾量为12L，药箱利用率为99.9%，结果如表5所示。

表5 喷雾量与残留液测定表

4.4 拖拉机配套机组稳定性测定

拖拉机机组稳定性测定时，考虑到低架比高架稳定，因此只测定高架稳定性即可。测定方法：将药液箱装满水，驾驶座上坐1人称量机组质量(即机组使用质量)P，把前轮置于磅秤上测定其质量P1；然后把前轮垫高h，测定其质量P2；列力矩方程式，算出重心坐标。

测量结果为：机组总质量P=2250kg，前轮质量P1=730kg，前轮垫高h=150mm后称重P2=660kg，后轮质量P3=1520kg，拖拉机高架轴距L=1639mm，轮距B=1460mm。

1)机具重心到后轴距离a为

(9)

由公式(9)得：a=532mm。

2)机具重心到地面的垂直距离H为

(10)

式中r—后轮半径，取r=300mm；

P1—前轮质量，取P1=730kg；

P2—前轮垫高后的质量，取P2=660kg；

P—机组总质量，取P=2250kg；

L—拖拉机高架轴距，取L=1639mm；

h—前轮垫高高度，取h=150mm。

由公式(10)得：H=855mm。

3)上坡极限角α上为(见图7)

(11)

式中a—机具重心到后轴距离，取a=532mm；

H—机具重心到地面的垂直距离，取H=855mm。

将数据代入公式(11)得：α上=31.89°

4)下坡极限角α下为

(12)

式中L—拖拉机高架轴距，取L=1639mm；

a—机具重心到后轴距离，取a=532mm；

H—机具重心到地面的垂直距离，取H=855mm。

将数据代入公式(12)得：α下=52.32°。

5)横向极限角α横为(见图8)

(13)

式中B—轮距，取B=1460mm；

e—重心对左右轮胎对称面的偏移量，由于该机组配置基本对称，e可忽略不计；

H—机具重心到地面的垂直距离，取H=855mm。

将数据代入公式(13)得：α横=40.49°。

未安装机具时，雷沃M254-E型拖拉机上坡极限角α上为36.85°，下坡极限角α下为48.35°，横向极限角α横为36.88°。与未安装机具时的雷沃M254-E型拖拉机相比较，悬挂机具后上坡极限角减少了4.96°，下坡极限角增加了3.97°，横向极限角增加了3.61°，能够满足使用要求。

图7 机组上坡极限角示意图

图8 机组横向极限角示意图

5 田间试验

5.1 防治棉铃虫试验

项目组先后进行了多次田间防治棉铃虫和蚜虫的试验。查虫方法是：在试验田内取5个测试点，每点数棉株20株，把喷药前后每个点查得的幼虫、卵分别记录。

在田间试验时，除了对棉铃虫和蚜虫的防治效果进行调查外，还进行了不同浓度药液在不同作业速度下合理配备的考查。例如，拖拉机由Ⅲ挡(3.4km/h)提高到Ⅳ挡(5.4km/h)进行作业，每667m2施药量不变，药液浓度由Ⅲ挡833倍提高到Ⅳ挡400倍，每667m2施药液量由11L降低为3L。后经统计，杀虫效率并没有降低，仍可达95%以上。这说明每公顷施药量不变，适当减少药液量(即提高药液浓度和作业速度)，既不降低杀虫效率，又能省水和提高生产率。田间试验均使用Ⅳ挡作业，药液400倍配制。防治棉铃虫情况如表6所示。

表6 防治棉铃虫情况表

续表6

5.2 防治蚜虫试验

项目组在防治棉铃虫的同时，也进行了防治蚜虫的调查，如表7、表8所示。由防治蚜虫情况表可知：蚜虫减退率可达98%以上。

表7 喷药前蚜虫记录表

表8 喷药后蚜虫记录表

5.3 雾滴附着状况调查

进行该项查定时，棉株高度40cm，每株平均叶片数45个。取样方法采用纸卡法，即在每一观察点上中下3层固定纸卡，在药液中加1%的染料，按正常状态进行喷洒，喷后收回纸卡；以5～10倍手持式放大镜观察，并数出每张纸卡上的雾滴数及计算每平方厘米面积的雾滴数。通过查定可以看出：无论棉株上部还是中部，叶片着药最多的都连成片，下部最少的叶片也不少于每平方厘米25个雾滴。附着状况如表9所示。

据每平方厘米雾滴数大于20个为有效雾滴的经验可以看出：3MD-8型低量弥雾植保机在株高40cm左右时，无论在叶的正面还是反面，雾滴附着都比较均匀，因此杀虫效果都比较显著。