履带自走式双隧道喷雾机设计与试验*

2022-08-17殷慧子奚小波陈金楚张翔徐金张瑞宏

中国农机化学报 2022年9期

殷慧子，奚小波，陈金楚，张翔，徐金，张瑞宏,

(1. 扬州大学机械工程学院，江苏扬州，225127； 2. 扬州大学农学院，江苏扬州，225009； 3. 江苏银涛智能装备有限公司，江苏泰州，225311)

0 引言

目前，篱架型作物病虫害类型和发生规律变得越来越复杂，传统施药技术以手动背负式喷雾器、背负式机动喷雾喷粉机以及喷枪为主，其普遍存在作业效率低、作业质量差、防治效率低，农药利用率低等问题，严重影响了作物品质和产量[1]，如何做到精确、高效施药成为当前篱架型作物植保研究重点。

20世纪70年代，国外研发的隧道循环喷雾机可完成覆盖式喷雾并能够实现药液回收，其大体可分为“π”型罩盖型、收集器型、反射型和气流循环型四类[2-3]。Planas等[4]研究了空气辅助隧道式循环喷雾机，并在地中海果园和葡萄园进行了使用。Ade等[5]研制了一种液体循环与空气循环的隧道式喷雾机并进行了试验，并与轴流风机鼓风式喷雾机进行了性能比较。Ade等[6]研究一种空气辅助隧道式喷雾器并进行了试验。国内关于隧道循环喷雾机的研究相对较少，宋坚利等[7]研制了未达靶雾滴回收再利用的“π”型循环喷雾机，采用栅格端面罩盖来提高药液回收率。张疼[8]研制了三位一体多功能喷雾机，其将有风时与无风时雾滴沉积量进行对比，并计算雾滴变形系数。牛萌萌等[9]设计了高地隙隧道式循环喷雾机，其通过调节喷头安装偏角来确定实现更好的雾滴沉积均匀性和更高的叶片反面雾滴量。目前国内外隧道喷雾机大多为牵引式，其机动性较差，且多数为单隧道喷雾机，作业效率较低。因此设计出一种履带自走式双隧道喷雾机，重点对整机结构、履带行走底盘、风送及药液系统进行了设计，该机具一次作业可完成两组篱架型作物的并行施药，提高作业整体效率。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

履带自走式双隧道喷雾机的整体结构，如图1所示。

图1 履带自走式双隧道喷雾机整体结构简图Fig. 1 Schematic diagram of overall structure of crawler self-propelled dual tunnel sprayer1.履带行走底盘 2.机架 3.风道 4.离心风机 5.扇形喷头 6.出风口 7.伸缩机构 8.药液泵 9.同步阀 10.药液分流器 11.流量计 12.进风口 13.药箱 14.操纵台 15.药液回收槽

其主要由履带行走底盘、药液喷施系统、风送系统、药液回收装置、隧道幅宽伸缩装置组成。其中，药液喷施系统包括药箱、药液泵、扇形喷头、流量计、节流阀等；风送系统由风机和风管组成；药液回收装置由药液回收槽、药液泵、药箱组成；隧道幅宽伸缩装置由液压泵、液压油缸、摇杆、齿轮、齿条等组成。

1.2 工作原理

履带自走式双隧道喷雾机具有行走、喷雾、药液回收等功能。机具工作时可根据作物行距及高度进行隧道幅宽和喷头角度的调整，使之满足作物施药要求。底盘采用液压驱动履带行走装置，具有良好的通过性与操控稳定性。药箱内设置小型药液泵，实现药液循环与搅拌，并将药液加压分流至各喷头。风送系统通过离心风机产生气流，增强隧道内作物表面与药液的接触，提高雾滴在叶片上的沉积附着效果。隧道内侧底部设置药液回收槽，通过回收药液泵将药液回收至药箱。机具主要参数见表1。

表1 机具主要工作参数Tab. 1 Main working parameters of trimmer

2 关键部件的设计与选型

喷雾机在作业时，要对下方底盘的行走装置、上方隧道的伸缩装置以及隧道内药液回收装置进行设计。相应地，考虑到喷雾作业效果的最优化，对喷头和风机进行计算选型。

2.1 履带行走底盘

轮式底盘作为行走装置的结构应用较广，归因于充气轮胎的减振性,使得行驶过程中振动小、速度快，但它的牵引附着性能差，不适于湿地作业。结合实际喷雾作业的地面情况，使用履带底盘行走装置，采用“四轮一带”结构，主要由履带、驱动轮、托带轮、导向轮、支撑桥臂组成，具体结构如图2所示。

机具作业时需要人工操作，履带行走机构保证喷雾机的操控稳定性和行驶平顺性。同时，根据篱架式作物施药作业要求，并结合作业环境，要求机具行走具备良好的通过性。所以，履带底盘设计时应尽可能采用小转弯半径。设计的履带行走底盘主要参数如表2所示。

图2 履带底盘结构Fig. 2 Crawler chassis structure1.支撑桥臂 2.减震弹簧 3.张紧装置 4.拖带轮 5.驱动轮 6.履带 7.导向轮 8.支重轮

表2 底盘主要参数Tab. 2 Main parameters of chassis

2.2 可调节隧道幅宽

为满足不同作物施药时对于宽度的不同要求，对双隧道进行幅宽可调节设计，通过液压泵驱动焊接型液压油缸伸缩，推动与之连接的两外侧板，当隧道与篱架的距离达到预定值后，停止动作，从而实现外侧板幅宽的调节。幅宽调节装置同时采用手动调节，利用摇杆带动齿轮转动，齿轮带动齿条做往复运动从而实现内侧板幅宽调节。幅宽伸缩装置结构如图3所示。

图3 幅宽伸缩装置结构图Fig. 3 Width expansion device structure drawing1.齿轮 2.液压油缸 3.液压泵 4.齿条 5.摇杆

此结构的设计可以根据作物的横向间距，最大程度容纳农作物，避免其与机具接触，同时两侧挡板可进行脱靶药液的附着回收。避免因隧道过窄而损害农作物或过宽导致药液浪费现象的发生。

2.3 药液系统

药液系统由喷施系统和药液回收装置组成，其液压原理如图4所示。在行走装置机架的两端有固定喷雾板，喷雾板纵向排布若干个喷头，机架上的药液泵通过液压管道连接过滤器、截止阀、药箱、流量计和单向阀。药液由药箱提供，通过药液泵加压来进行管内的流动。各个喷头的管路中安装一个开关节流阀，能够调节药液管路内压力从而控制药液喷洒的启停。此外，药箱外侧还连接着有过载保护作用的溢流阀。喷头组从上而下间隔排列，作物从上而下均匀接收药液雾滴。喷施系统中的流量计能够显示药液流速。

药液从药箱中流出，通过高压管道进入喷头喷出的同时，利用风机从隧道后部吸风并从隧道前部风口重新喷出形成风幕，这样使得隧道内部气流不断循环，既减少了药液飘失又改善了药液在冠层内的雾滴沉积。循环喷雾过程中部分脱靶飘失的药液流入药液回收槽，然后通过药液回收槽回收到药箱中。药液回收槽固定在隧道内外侧板底部。收集管安装在内外侧板底部，过滤器安装在药液箱中。药液经管道被液泵回收到过滤器中，经过过滤清洗后又回到药液箱中。

图4 药液系统原理图Fig. 4 Schematic diagram of the liquid medicine system1.开关电磁阀1 2.回收药液泵1 3.回收槽1 4.扇形喷头 5.开关节流阀 6.回收槽4 7.开关电磁阀2 8.回收药液泵2 9.回收槽2 10.溢流阀 11.截止阀 12.流量计 13.单向阀 14.药液泵 15.过滤器 16.药液箱 17.回收槽3

2.4 喷头选型

喷头性能好坏直接影响植保喷雾作业效果，它决定着雾滴的粒径、密度以及分布均匀性等特征。植保作业中运用最多的是扇形喷头和离心喷头。扇形喷头是通过压力泵对药液施压然后将药液从喷头喷出后逐渐变薄再裂解成雾滴，该喷头穿透力强、产生的药液漂移量小，适合除虫剂的喷洒。离心喷头是在电机的作用下高速旋转带出药液并通过离心力将药液甩出，该喷头雾化效果好，雾滴直径较小，但其防飘性不足且其寿命较短。

根据篱架式作物种植方式，隧道喷雾机选用扇形喷头提高喷施作业效果。在对隧道喷雾机进行设计时，将两侧喷头距离篱架式作物30～60 cm，相邻两喷头距离为32 cm。单侧隧道的两内侧板分别安装一根2 m长喷管，则隧道每个内侧板喷管上都竖直排列6个喷头。为避免漏喷状况，相邻喷头之间药液会有一定的药液重叠，相邻喷头间距要小于喷头到篱架型作物之间的距离。所以，雾锥角可由式(1)计算得到。

(1)

式中：L1——喷头间距，cm；

H——喷头到篱架型作物距离，cm；

α——雾锥角，(°)。

将各参数代入式中，计算得出α≥56.1°，具体参数如表3所示。

表3 喷头参数Tab. 3 Nozzle parameters

2.5 风机选型

风量、风压值是风机选型的关键。风机能够在药液喷洒的同时吹出带有雾滴的气流，不仅能对风机前方至作物范围内的全部空气进行置换，还能通过产生的流速对枝叶表面进行翻动，从而实现置换[10-12]。

2.5.1 风机风量确定

根据置换原则，设计的喷雾机采用双隧道形式，在作业的过程中，需要考虑置换的空间体积，为图5所表示的区域提供所需的风量[13]。

图5 风量置换图Fig. 5 Air volume displacement diagram

风量计算公式

Q1=Ve(H1+H2)L2K1/2

(2)

式中：Ve——喷雾机行驶速度，m/s；

H1——喷幅宽度，m；

H2——作物高度，m；

L2——风管出口到果树的距离，m；

K1——气流沿途衰减损失系数，K1=1.3～1.6。

又因为要考虑末速度原则，因此应在风机产生风量的基础上再乘上系数K2，得

Q=K2Q1=Ve(H1+H2)L2K1K2/2

(3)

式中：Q——风机风量，m3/s；

K2——气流沿途衰减损失系数。

通过分析参考相关喷雾机作业参数，各参数取值为Ve=0.76 m/s，H1=2 m，H2=1.6 m，L2=0.5 m，K1=1.3，K2=1.3，得Q=1.16 m3/s。

2.5.2 风机风压确定

风机的全压主要包括动压损失，静压损失(摩擦压力和局部压力)。

动压损失

Pd=(ρv2)/2

(4)

摩擦压力损失

(5)

局部压力损失

Pj=(ζρv2)/2

(6)

总压

P=Pd+Pm+Pj

(7)

式中：ρ——空气密度，kg/m3；

v——气流速度，m/s；

λ——摩擦因数；

R——输送管道半径，m；

ζ——局部阻力系数；

L3——风管长度，m。

各参数选值为ρ=1.21 kg/m3，v=17 m/s，λ=0.1，R=0.031 m，ζ=0.3，L3=2 m，得P=791 MPa。

根据风机功率计算公式，得

(8)

式中：ηm——机械效率，ηm=0.9；

ηj——叶轮效率，ηj=0.98。

计算得N=1.04 kW。根据风量和风压的计算结果，最终选用11-62多翼式离心风机，其主要参数见表4。

表4 风机主要参数Tab. 4 Main parameters of centrifugal fan

3 喷雾效果仿真

3.1 雾滴模型建立

在农用喷雾机的应用上，只要将雾滴直径控制在0.1 mm以下，就能达到雾滴分布有效密度的要求，此时雾滴数能达到10～20个/cm2，能满足大多数情况下的喷雾作业具备的防治效果。

雾滴直径在喷雾机结构方面上，取决于喷雾机具的压力、孔径大小和药液的表面张力。在理论公式上取决于扩散系数k和印记直径d。雾滴直径D如式(9)所示。

D=k×d

(9)

在EDEM中的模型如图6所示。考虑到球形颗粒的半径值越小，对于仿真时间的影响越大，仿真时将雾滴颗粒的半径值设为0.05 mm。根据球形颗粒的体积公式算得单个颗粒体积为5.236×10-4mm3。药箱的总容积为4.5×105mm3，最终分配到24个喷头。

图6 雾滴颗粒模型Fig. 6 Droplet particle model

3.2 参数设定

参照水的物理性质来对EDEM中的Bulk Material进行设置，其弹性模量E为2.16×109Pa，泊松比ν1为0.5，密度ρ1为1 000 kg/m3。采用CATIA创建喷头机架的几何模型，材料选用Q235，其密度ρ2为7 850 kg/m3，剪切模量G为8×1010Pa，泊松比ν2为0.3。

Q235属于碳素结构钢，对于水滴颗粒的恢复系数K为0.78，滚动摩擦系数为0.014，静摩擦系数为0.027；水滴颗粒间的恢复系数为0.6，滚动摩擦系数为0.02，静摩擦系数为0.05。

根据喷雾机的幅宽可调节特性，采用600 mm、900 mm、1 200 mm幅宽下有无离心风机进行风送的6组数据进行单一仿真和耦合仿真，对颗粒的分布情况以及各颗粒的速度值进行标定。把扇形喷头的排布简化成矩形面来生成颗粒，对速度分支下的spray条件进行参数设置：标准差(0.05 m/s)、平均流速(10 m/s)、喷雾角(80°)。标准差的设置是用来反映颗粒的离散度和精确度。

3.3 耦合处理

将喷头形成的雾滴面设置为速度入口，从而设置风速大小，机架下端面为默认压力出口部分。通过EDEM中的Coupling Serve连接Fluent中Manage公式，导入耦合文件edem_udf。由此插件的加载来连接EDEM和Fluent求解器进行同步仿真。在进行耦合时，接口以串行方式打开(并行时求解器的进程设为0)。再由此插件的加载来连接EDEM和Fluent求解器。湍流模型选择Standardk-ε模型。依据局部固相体积保持比例占总体积的比例来看，选用Euler法来耦合。

3.4 仿真结果

仿真结果如图7所示，其中图7(a)、图7(b)、图7(c)是通过EDEM软件的Spray模块对X、Y、Z三个方向的速度设置进行仿真生成的，分别对应喷雾形成过程中喷口的水平方向、喷雾角形成的上扬方向、雾滴沉积方向。在无风的情况下，不同幅宽对应的雾滴最小颗粒速度分别为3.392 m/s、8.474 m/s、3.873 m/s。

通过观察仿真结果发现，600 mm幅宽下雾滴颗粒分布最为集中，900 mm幅宽下颗粒速度最快，1 200 mm 幅宽下雾滴颗粒分布较为稀疏，颗粒速度介于两者之间。

结合风机产生的风速情况，采用EDEM-Fluent耦合的方式，具体仿真结果如图7(d)、图7(e)、图7(f)所示。在设置入口速度的边界条件下，不同幅宽对应的雾滴最小颗粒速度分别为2.038 m/s、8.361 m/s、6.526 m/s。

可以看出900 mm幅宽下颗粒的整体速度最快，这与无风情况下的仿真情况是一致的。同样，1 200 mm幅宽相较于600 mm幅宽颗粒的整体速度稍快，分布也较稀疏。

将两种情况进行对比分析，无风时颗粒分布的密集程度小于有风时的情况。600 mm幅宽下，雾滴整体速度较小，无风时颗粒速度大于有风，波动值为1.354 m/s，但颗粒呈现向上移动的趋势；900 mm幅宽下，两种情况下雾滴整体速度最大，有风时的速度接近无风，波动值为0.113 m/s；1 200 mm幅宽下，颗粒整体速度开始下降，波动值为2.653 m/s。随着幅宽增大，有风的颗粒速度逐渐大于无风，且大幅宽下颗粒速度下降幅度较小。具体速度值的分布情况如图8所示。考虑到雾滴沉积对于喷雾效果的影响，加上仅有风时颗粒呈现向上移动的趋势。可见，有风时的颗粒分布效果最佳。

(a) no-air-600

(b) no-air-900

(d) air-600

(e) air-900

(f) air-1 200 图7 无风送、有风送不同幅宽的颗粒分布仿真结果Fig. 7 Simulation results of particle distribution with different width without air and with air

图8 速度值的分布情况Fig. 8 Value of velocity distribution

4 样机试验

为了验证机具设计的合理性与可行性，研制了履带自走式双隧道喷雾机样机，并进行了喷雾效果试验，施药作业对象为人工设置的仿真葡萄叶，架子高度1 600 mm、叶片下垂长度为690 mm。为使雾滴效果具象化，试验采用长110 mm、宽35 mm的水敏纸采集雾滴沉积效果，用回形针平行固定在作物靶标部位，分上、中、下三层。试验时履带行驶速度为0.76 m/s，喷雾压力0.5 MPa，喷头角度与地面平行，依次调节单隧道作业幅宽为600 mm、900 mm、1 200 mm，通过开关离心风机分别测试有风与无风状态下的喷雾效果。喷雾后，将水敏纸取下风干后用扫描仪对试纸进行灰度扫描，并采用雾滴分析软件进行雾滴沉积效果的显色测试。

图9为试纸扫描分析示意图，具体分析结果见表5和表6。从叶片的正反面，对比不同条件下雾滴沉积量、雾滴数量中径NMD、雾滴体积中径VMD，通过NMD与VMD的比值进一步得出雾滴均匀度DR，DR值越趋近于1，表面雾滴尺寸越趋于一致，机具的雾化性能越好；当DR值小于0.67，则雾滴尺寸大小很不均匀，且在叶片上的覆盖和穿透性能都会很差。