机采棉静电喷雾机的设计及关键部件仿真分析

肖靖毅 葛云 韩丹丹 杨卫锋

摘要：针对机采棉脱叶催熟剂喷洒效果不理想的问题，运用静电喷雾原理，并结合气流辅助喷雾技术，研制出1种与拖拉机配套使用、附着率高、对环境污染少，适用于棉花脱叶催熟剂喷洒的机采棉静电喷雾机。利用三维软件对整机关键部件进行实体建模，运用有限元分析软件对悬挂架进行静力学分析，采用流体仿真软件对输风风道进行流场模拟，结果表明，机采棉静电喷雾机可以对脱叶催熟剂起到良好的喷洒效果，具有较好的推广前景。

关键词：机采棉;喷雾;静力学分析;流场模拟;仿真分析

中图分类号： S491 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）04-0386-03

收稿日期：2014-05-14

基金项目：新疆八师石河子市中小企业专项（编号：2012QY04）。

作者简介：肖靖毅（1988—），男，新疆哈密人，硕士，主要从事先进制造技术研究。E-mail：1340239029@qq.com。

通信作者：葛 云，硕士，副教授，主要从事机械设计制造及自动化研究。E-mail：gy_shz@163.com。

新疆维吾尔自治区作为中国棉花的主要产区之一，棉花种植面积、产量连续多年居全国第一，在全国棉花种植业中占有重要的地位[1]。随着棉花种植面积的不断扩大，机械采棉在棉花收获作业中的地位越来越重要，具有广阔的发展前景[2]。众所周知，棉花采摘前须喷洒脱叶催熟剂以降低棉花的含杂率[3]，而药液喷洒的效果直接影响棉花质量的高低。目前，由于适用于机采棉脱叶催熟剂的喷雾机主要采用“雨淋式”方式喷洒药物，药液喷雾量大、雾滴粗，在作物表面难以沉积，特别是叶片背面及隐蔽部位难以实现有效附着，造成农药浪费，同时污染了环境[4]。随着机采棉种植面积的不断增加，喷洒脱叶催熟剂效果不理想的问题日益突出，导致棉花含杂率上升、质量下降，严重影响棉农的经济效益。

本研究基于静电感应原理[5]，结合气流辅助喷雾[6]及管路静电等技术，设计出一种适用于喷洒棉花脱叶催熟剂的机采棉静电喷雾机，该机器具有“静电回绕”现象[7]，实现了对叶片背面及隐蔽部位的有效附着，提高了作业效率与农药利用率。

1 整体设计

1.1 整机结构

机采棉静电喷雾机主要由悬挂架、输液系统、风送系统与静电系统等构成，其中输液系统由药液箱、输液管道、药液泵、弥雾可调喷头组成[8]，风送系统由输风风道、离心风机组成，静电系统由高压静电发生器、感应线圈组成。机采棉静电喷雾机整机布置于悬挂架上，通过三点悬挂置于拖拉机后部（图1），药液泵动力由拖拉机后动力输出轴提供，静电系统电

源由拖拉机电力系统提供，离心风机动力由拖拉机液压系统提供（图2）。

1.2 工作原理

机采棉静电喷雾机采用静电喷雾与气流辅助喷雾相结合的工作原理，即将压力雾化与静电雾化相结合，利用静电感应使药液雾滴感应荷电，并采用气力辅助雾化技术，以增加雾滴附着性能、减少农药流失。具体工作过程为：药液泵利用拖拉机动力输出轴提供的动力，将药液从药液箱中抽出，通过输液管道送向喷头，在喷头处设置风送系统以增强雾滴的穿透性，同时在药液泵出水口处设置环形感应电极，利用感应荷电方式，对进入输液管道的药液进行感应充电，使静电喷雾与辅助气流在喷头处汇合，形成风送式静电喷雾（图3）。

1.3 主要技术参数

机采棉静电喷雾机主要技术参数为：工作状态时的外形尺寸（长×宽×高）为11.2 m×1.834 m×1.731 m，运输状态时的外形尺寸为3.94 m×1.12 m×1.731 m，药箱容积 1 800 L，配套动力55.9 kW，工作压力0.15～0.40 MPa，液泵最大压力3 MPa，喷幅11.82 m，工作效率5～8 km/h。

2 关键部件设计

2.1 悬挂架

悬挂架作为喷雾机与拖拉机连接的中间环节，是整机的基础与主要承重部件，须满足药箱、离心风机、输风风道及药液泵等部件的承重要求。悬挂架主要由Q235钢焊接而成（图4），在悬挂架上布置风机、输风风道、离心风机、药箱等部件，悬挂架前方通过支撑梁的3个销轴孔与拖拉机三点悬挂相连，形成机械负载状态。利用Ansys软件对悬挂架进行静力學分析，结果表明，悬挂架弯曲变形为0.445 82 mm，最大应力为11.91 MPa（图5、图6），弯曲变形较小，具有良好的承载能力。

2.2 输风风道

输风风道是连接离心风机与喷头的重要部件，离心风机所产生的风通过输风风道送向喷头，与喷雾融合，达到气力辅助输送的目的。利用Solidworks软件对输风风道进行三维实 体建模（图7）;将三维实体模型导入Gambit前处理器，以输风风道入口作为速度入口，输风风道出口作为压力出口，完成对零件的网格划分与边界条件定义;将零件导入CFD流体仿真软件Fluent中进行求解，得到输风风道压力云图（图8）、输风风道速度云图（图9）、输风风道出口速度云图（图10）。由图8至图10可知：当输风风道入口初始风速为10 m/s时，输风风道出口最大风速为15.5 m/s，并由外向内逐渐增大。

2.3 静电系统

雾滴带电是通过外加静电场实现的，而外加静电场的产生由静电系统提供，一般通过电源、高压静电发生器[9]与电极三者之间相互连接实现，其中高压静电发生器作为中间环节，一端与电源连接，一端与电极连接。静电喷雾机的静电系统采用直流负高压充电（图6），高压静电发生器的输入电压为直流12 V，最大输出电压为30 kV;电极采用环形电极，一端与高压静电发生器相连，另一端接地，整体布置于药液泵出水口处，形成外加高压静电场，使液体荷电。静电系统工作示意图见图11。

3 结论

运用静电喷雾原理结合气流辅助喷雾技术，研制出1种

小型机载机采棉静电喷雾机，改变了现有机采棉静电喷雾机脱叶催熟剂喷洒效果不理想的现状。通过对整机及静电系统进行设计，对关键部件进行仿真分析，结果表明，机采棉静电喷雾机对机采棉脱叶催熟剂的喷洒效果良好，具有比较广阔的推广前景。

参考文献：

[1]宋淑然，洪添胜，刘洪山，等. 宽喷幅风送式喷雾机空间气流速度分布规律[J]. 农业工程学报，2013（24）：17-24.

[2]顾家冰. 风送式变量喷雾机气液两相流及雾化的试验研究[D]. 南京：南京农业大学，2012.

[3]代亚猛，周 艳，贾首星，等. 3种孔径的静电喷头喷雾性能比较[J]. 江苏农业科学，2013，41（9）：358-360.

[4]戴奋奋. 风送喷雾机风量的选择与计算[J]. 植物保护，2008，34（6）：124-127.

[5]周 艳，代亚猛，贾首星，等. 不同材质的静电喷头雾滴荷电性能比较[J]. 江苏农业科学，2013，41（10）：361-363.

[6]王军锋，张娟娟，王贞涛，等. 风幕式气力辅助静电喷雾沉积特性[J]. 农业机械学报，2012，43（2）：61-65.

[7]刘彦娜. 静电雾化过程的理论分析与数值模拟[D]. 上海：东华大学，2009.

[8]陈汇龙，赵英春. 感应荷电喷雾静电场与荷电特性分析[J]. 高电压技术，2010，36（10）：2519-2524.

[9]张 京，宫 帅，宋坚利，等. 气液两相感应式静电喷头性能试验[J]. 农业机械学报，2011，42（12）：107-110，120.