遥控自走式喷杆喷雾机的设计与实现

吴兆鑫 甘伟 李双

摘要：目前中国水稻病虫草害仍主要靠人力背负喷雾机进行防治，然而农村劳动力短缺问题日趋严重，针对此情况设计出一种遥控自走式喷杆喷雾机。主要对该机器的行走转向系统、喷架喷杆系统进行了理论分析与结构设计，建立了转向模型和整机的三维模型。机器四轮分别由电机独立驱动，结构简单，配合行走转向控制算法能够实现灵活转向且不会产生旋挖，对作物伤害小，作业效率高。分析了该机器的转向性能、越埂性能和坡道稳定性能，制造出样机并通过田间试验验证了该设计方案的可行性与有效性。

关键词：自走式喷杆喷雾机;转向系统;结构设计;性能分析;性能试验

中图分类号：S224         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）06-0131-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.06.030           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： At present， rice diseases， insect pests and weeds are still mainly controlled by manpower spray machine in China. However， the shortage of rural labor force is becoming more and more serious. In order to solve this problem， a remote control self propelled boom sprayer was designed. The theoretical analysis and structure design of the steering system of the machine and the spray lance stand unit were carried out， and the steering model and three-dimensional model of the whole machine were established. Articulated steering is adopted in this machine and the four wheels are independently driven by each motor. Driven by steering control algorithm， the machine can steer flexibly with no rotary digging and high efficiency and cause little damage to crops. The steering performance， running performance and climbing ridge performance of the machine were analyzed theoretically. A prototype was manufactured and the feasibility and rationality of the design were verified by field experiments.

Key words： boom sprayer; steering systems; structural design; performance analysis; performance tests

中国玉米、小麦、水稻等农作物的种植相对单一化，这使得病虫危害发生频繁，一方面导致防治费用居高不下，另一方面粮食产量的损失也很严重[1，2]。随着中国城市化进程不断向前推进，农村人口在逐步减少，特别是青壮年人口的流失，导致农村劳动力变得日趋紧缺[3]。农田集约化程度在增加，然而适应大田病虫害防治的机械在中国还没有普及，目前的防治措施仍以人力背负小型喷雾机喷药为主。人工背负喷雾机进行病虫害防治作业不仅工作效率低、药液喷洒不均匀，而且农药对人员造成的伤害更是在所难免，这都与现代农业高效、智能、精细的发展目标不相符合[4-7]。

中国农业机械发展起步较西方发达国家晚，但发展速度并不慢，历经了仿制、消化吸收自主研制、联合研制等阶段。针对大田蔬菜地施药，周海燕等[8]研制出一种轻便型自走式高地隙喷杆喷雾机，该机器四轮驱动，四轮转向，行驶稳定，但是喷幅较小，不适于大面积作业;沈景新等[9]研制的3WP-650型智能变量喷杆喷雾机，通过拖拉机牵引，能够实时监测行驶速度、喷雾流量和药箱液位;何万宝等[10]设计的采用静液压驱动的3WPZ-2000型自走式喷杆喷雾机，驾驶室、喷杆高度及轮距可以调节，喷幅及药箱容量很大，适用于大田;王佳文等[11]针对耕地起伏不平的问题，设计出一款自动调平喷杆式喷药机。目前在中国西北、东北等地区应用的植保喷雾机器大多为从国外引进的大型机械，价格昂贵。其余的一些自主研发生产的机器或多或少存在一些譬如喷幅小、作业效率低、对作物损伤大、续航里程短等问题[12，13]。

本研究着眼于水稻整个生长周期的病虫草害防治目标，设计出一种遥控自走式喷杆喷雾机，对整机的行走转向系统、喷架喷杆系统进行了研究设计，并通过了田间实地性能测试，各项性能指标均能满足实际喷药作业的要求，对推广植保喷雾机在中国的广泛使用和解决农村劳动力不足的问题有重要意义。

1  整机结構与工作原理

1.1  整机结构

遥控自走式喷杆喷雾机整机结构如图1所示。采用橡胶凸齿窄胎体轮胎，轮胎宽度较小且胎面花纹凹凸程度很大，方便在松软的水田中行驶;轮胎前方设置有拨苗器，行走时将秧苗拨开以减少压倒秧苗。4个车轮分别由各自独立的永磁无刷直流电机通过驱动立轴单独驱动，结构简单。主控器控制驱动电机转速差异能够实现转向过程中不会产生旋挖，因而转向阻力小，转向灵活，这也是该机器同其他机器相比优势明显的一点。车身后部设置——平衡轴，用以保证四轮能够在高低起伏的田地里同时与地面接触，从而使驱动力充分发挥，使机器具备优秀的越障能力。喷雾系统通过3个水泵分别控制左、中、右3路喷杆喷头。车身最小离地间隙980 mm，配合伺服电缸驱动喷架升降，能够满足水稻整个生长周期的喷药作业需求。