3WPX-1500悬挂式喷药机支架系统设计

初金哲 庄卫东

黑龙江八一农垦大学，黑龙江大庆

病虫害防治是农业生产中重要的作业环节。近些年来，随着气候变暖以及农业生态环境和种植业结构等因素的改变，我国病虫害问题严重加剧，由于常规的施药机械很难适应，而人工施药不仅强度大、效率低，还极易对人身体造成伤害[1]，因此，植保机械越来越受到人们的重视。从2015 年国际农机展的情况分析来看，未来的植保机械发展空间比较大。在国家日渐关注食品安全的形势下，植保机械将迎来一个良好的发展机遇[2]。目前，国内的植保机械发展与发达国家相比滞后较多，国内喷雾机大多数为中低端产品，多数机型为牵引式或自走式，工作效率和质量、安全问题都有待进一步完善。国内在悬挂式喷雾机的研发方面仍处于初级阶段。我国耕地大多地势不平，在喷洒农药的过程中，会产生喷杆的倾斜[3-4]，为此设计了一种可以自由调整喷杆高度及能够实现喷杆调平的喷药机械，以满足大面积机械化植保需求。我国的植保机械经历了从无到有漫长的发展过程，也取得了一定的好成绩，但是较国外先进的植保机械，仍不能满足当前我国农业发展的需要，我国大面积的机械化作业水平依旧不高，传统的手动式植保机械仍然占据着主导地位[5-7]。依据我国植保机械的现状，设计用于大面积喷药的植保机械，悬挂式喷药机。3WPX-1500悬挂式喷药机通过大马力拖拉机提供动力——喷杆高度较高，在大田间作业时，不会出现剐蹭农作物和拖地现象，适用于水稻、大豆、玉米、小麦、棉花等农作物后期病虫害的防治、叶面肥和除草剂、杀虫剂的喷施等大田喷药作业。3WPX-1500悬挂式喷药机适用于不同地区不同种植行距和不同长势高低农作物的植保作业，技术性能先进，作业效率高，作业面积大，是我国目前比较先进的大型植保机械。秋天可进行不同农作物的杀虫喷药作业，经过杀虫喷药作业的农作物病虫害发生几率减小20%，农作物颗粒饱满，产量提高。

1 整体机构和工作原理

1.1 整体机构

3WPX-1500 型悬挂式喷药机与134 kW 备有后置输出轴、液压泵的拖拉机配套悬挂作业，拖拉机液压提升的上下拉杆与机具三点悬挂。适用于大面积田间农作物如玉米、花生、小麦、马铃薯及大豆等病虫害防治，可喷洒液态肥和化学药剂等。该型号喷药机支架系统主要由龙门架、升降架、喷杆架机构、喷杆折叠机构组成。采用可折叠的喷杆机构作为喷药装置，由拖拉机动力输出轴带动喷洒作业。结构如图1所示。

图1 悬挂式喷雾机总体结构图

1.2 工作原理

3WPX-1500 型悬挂式喷药机喷药作业时，药箱应注满药液。由拖拉机动力输出装置带动传动装置驱动液压泵，在药液从药箱中流入液压泵时迅速加压。通过调压阀来调节液压泵中的药液压力，通过开关系统，由5只阀门分别操控5段喷杆，喷杆喷架装置通过液压升降装置和液压伸展折叠装置进行升降和伸展折叠，同时将喷架上升达到作业高度。经调节、加压后的药液经过滤网、防滴阀等过滤装置后由扇形喷头雾化喷出。要保持两侧喷杆的左右平衡，喷杆折叠需要设计关节，喷杆的折叠机构采用钢索和链条，因此，本次设计采用的是液压油缸折叠，以保证喷药机喷杆在进行工作时能够可靠地保持左右平衡，维持工作状态。

1.3 主要技术参数

按照喷药技术的要求及大面积喷药的特点, 确定了悬挂式可升降喷雾机支架系统的主要技术参数见表1。

表1 喷药机主要技术参数

2 工作部件结构设计

2.1 喷杆衍架

根据喷雾机喷杆幅宽的相应要求，设计喷雾机喷杆为5 段式对称结构，主框与中间架相连，左右对称各2 段，包括中央喷架、大展臂喷架、小展臂喷架。左右大展臂喷架分别与中央喷架、左右小展臂喷架分别与大展臂喷架均设计有效喷幅15.0 m，喷杆结构宽度也为15.0 m。高度调节范围在0.6～0.8 m，喷架选用30×50×5-DN100 的无缝钢管焊而成。喷杆衍架装置通过底座安装在机架上端，中央喷架喷杆通过接触点固定在升降装置上。中央喷架和大展臂喷架的两侧分别设置了折叠液压装置，大展臂喷架与连接杆铰接，中央喷架和大展臂喷架通过液压装置的往复运动实现折叠。大展臂喷架两端末尾分别设置了折叠液压装置。小展臂喷架和连接杆连接，小展臂喷架与大展臂喷架之间通过液压装置的往复运动实现折叠。

2.2 升降装置

依据小麦、玉米、水稻等农作物种类不同，以及生长周期存在差异和植物长势高低不同的作业特点，要求悬挂式喷药机的喷药系统在竖直高度上可以自由地做往复运动来调节喷药高度，以适应植物长势高低不同对药液喷洒的需求。如图2所示，在喷药机机架的后部装有1 台升降装置，由多根无缝钢管焊接了1个滑道，喷药机机架与喷杆桁架间通过1个连接销联接，连接架平稳固定在滑道内，通过液压装置的作用做往复运动，以此来实现喷杆高度方向上的调节，调整范围为0～70 mm。

图2 升降装置

2.3 喷头

3WPX-1500型悬挂式喷药机的喷头选择扇形喷头。扇形喷头具有流量范围大、角度适中、雾化效果好等特点，经常用于悬挂式喷药机中。多个喷头沿喷杆以一定相等的间距依次排开，能够形成均匀的喷洒效果。悬挂式喷药机整体采用国外先进防滴漏扇形喷头，喷雾角为110°，喷雾压力为0.2～0.5 MPa，每一个喷头都带有流量控制阀。扇形可防滴喷头装置包括进水口、出水口、喷嘴、膜片、膜片座和弹簧。药液通过压力从喷杆进入喷头，药液进入喷头后由进水口流入膜片，撞开膜片后克服弹簧的压力流入出水口，最终流进喷头处经过雾化喷出。当药液压力低于弹簧的最小压力值时，膜片就会在弹簧的压力作用下封堵出水口，使整个管道处于封闭状态。扇形可防滴喷头装置可在药液喷洒完成后，防止药液滴漏和回流，起到了节约药液的作用，降低了生产成本，避免了造成浪费，并防止了对环境造成二次污染。

2.4 防反弹机构

为了防止大展臂喷架和小展臂喷架折叠后会出现的反弹现象，在大展臂喷架和小展臂喷架的铰接点处设计了一个防反弹连接件。在小展臂喷架铰接点的底部应用钢板固定，然后在大展臂喷架的铰接点底部安放一段直管。每当小展臂喷架处于展开的状态时，钢板会随着小展臂喷架的旋转转到大展臂底部的直管处并处于卡死状态，用来限制小展臂喷架的自由转动。

3 主要参数设计计算

3.1 药箱体积

根据悬挂式喷药机工作时的单位面积所需的喷药量和喷药面积确定药液箱的容积，药箱的容积应不小于喷药机工作时的总体喷药量，即：

式中，Q——药箱的容积m3；

A——单次喷药的工作面积m2；

q——单位面积上的喷药量L·m-2；

μ——体积系数，μ=1.5。

根据黑龙江省农业人员的喷药作业情况，遵循喷药作业一次的作业面积A=66 667 m2计算，我国有关部门规定有机农药和无机农药喷药量为1 500 L/hm2，q=0.15 L·m-2，Q=1.5 m3。

3.2 喷头高度

选取相邻的扇形喷头喷药角度叠加最少为基准。

式中，H——喷头距离植株的高度m；

S——喷头间的距离，该机取S=0.8 m；

a——喷头雾锥角，悬挂式喷药机取a=110°；

则H=0.65 m。

3.3 液泵的选择

隔膜泵用于植保机械，是非常稳定的压力泵。与传统泵相比，隔膜泵具有稳定性高，压力大、操作方便、工作效率高等特点。植保机械经常使用的隔膜泵有220 型、240 型、480 型。对于采取液泵搅拌的悬挂式喷药机，液泵的排量大小要满足喷药机喷药量多少，液泵的回流量是一个非常重要的衡量标准，液泵的回流量是液态农药进行混合搅拌的重要依据。

喷药机喷杆喷头的总喷药量为：

式中：V——喷药机的行驶速度m·s-1；

Q2——喷药机每公顷的喷药总量L·hm-2；

B——喷药机的幅宽m；

当V=7 km·h-1，Q2=1 500 L·hm-2时，则有Q1=400 L·min-1。

试验结果：药液混合搅拌时需要的回流量一般是药箱容积的15%～20%，3WPX-1500 型悬挂式喷药机采用回液搅拌，回流量假设Q3，则选取Q3为药箱容积的15%，则Q3=15%×1 500=225 L·min-1， 3WPX - 1500 型悬挂式喷药机液泵的总流量Q4=Q1+Q3，即Q4=400+225=625 L·min-1。根据计算，最终选用ZMB480型隔膜泵。

3.4 喷药机喷架的尺寸选择与计算

通过计算与分析选择如下尺寸对喷架进行设计，主喷架（见图3） 选用60×60×5-DN100的无缝钢管焊接，中央部位焊接有支柱连接，采60×100×5-DN100 的无缝钢管焊接。主喷架的两侧对称排布，主喷架的幅宽为3 m。

图3 主喷架

侧喷架（见图4） 对称排布于主喷架的两侧，选用50×60×5-DN100 的无缝钢管焊接。侧喷架中央部位焊接支柱连接，采用50×50×5-DN100的无缝钢管焊接，侧喷架幅宽为3 m。

图4 侧喷架

边喷架（见图5） 对称排布在侧喷架两侧，喷杆选用50×60×5-DN100的无缝钢管焊接。边臂喷架中央部分焊接有支柱连接，支柱采用50×50×5-DN100 的无缝钢管焊接而成，边喷架幅宽为3 m。

图5 边喷架

4 结论

对3WPX-1500悬挂式喷药机支架系统设计进行了理论分析和结构设计。悬挂式喷药机能够针对不同的农作物，在喷药机器允许的范围内随意调节喷杆的高度以此来满足不同的农作物。喷药工作结果表明，喷杆喷架的功能均能实现，满足基本的设计要求，为研发先进适用、具有自主知识产权的3WPX-1500悬挂式喷药机支架系统奠定了基础。为高秆农作物和大面积农作物生长的中后期病虫害的预防提供了可靠的技术保障，对于解决高秆农作物和大面积农作物的后期无法喷药的问题与推进农作物施药全程的机械化进程有积极的意义。