自动调平喷杆式喷药机设计与试验研究

王佳文，杨自栋

(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博　255049；2.浙江农林大学 工程学院，杭州　311300)



自动调平喷杆式喷药机设计与试验研究

王佳文1，杨自栋2

(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博255049；2.浙江农林大学 工程学院，杭州311300)

摘要：针对耕地存在缓坡起伏及不同农作物具有不同的植株高度的特点，设计一套能够自由调节喷杆高度的喷杆式喷药机。该机喷杆始终保持与地面平行，使喷药机在田间工作时能够通过液压系统进行自由提升，且在田间工作时可利用机械部件完成喷杆的调平工作。系统利用动滑轮和液压系统完成喷杆的提升，利用弹簧和阻尼器完成喷杆的机械调平工作。该喷药机对提高农药的利用率、降低农作物生产成本都具有积极的推动作用。

关键词：喷杆式喷药机;提升机构；调平机构；液压系统

0引言

农业生产是人类生存的根本，人类生存离不开农作物。然而，农作物在生长发育过程中，经常遭受到病菌、害虫、杂草等生物的侵害，因此农药喷洒是农业生产工程中必不可少的环节[1]。随着现代科学技术的进步和高效农业的发展，越来越多的农业机械被应用于农业生产中，以提高农产品生产效率和降低工作强度。农药喷洒机械的发展，根据各国情况的不同各有其特点: 日本地块较小、经营分散，故以发展小型机动式喷洒机械为主; 为提高生产效率，近年来开始发展较大型植保机械，如自走式机动喷粉喷雾弥雾机[2]。美国、加拿大等国，因其土地面积较大且比较平坦，故以发展拖拉机配套的悬挂式和牵引式大型喷洒机械为主[3]。我国多山地丘陵，而且种植的农作物种类繁多，不同的作物植株以及同一种作物不同生长时期植株高度不同[4]，而且由于我国耕地大多地势不平，在喷药过程中，难免会产生喷杆的倾斜。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来满足我国的国情需求。

1整机结构及工作原理

1.13WP-1200型喷杆喷雾机结构简图

3WP-1200型喷杆喷雾机与大于等于73.5kW备有后置输出轴、液压泵的拖拉机配套悬挂作业，适用于大田农作物如玉米、小麦、棉花、大豆及马铃薯等病虫草害防治，可喷施化学药剂及液态肥等。

3WP-1200-21喷杆式喷药机总体结构，如图1所示。该型号喷药机主要由大架总成、升降总成、侧臂总成及水路系统等部分组成。

1.机架　2.药液箱　3.清水箱　4.液泵　5.加药箱

主要技术参数：配套动力为73.5～132.3kW，喷洒幅宽20 720mm，喷雾系统工作压力0.2～0.5MPa；液泵为BM380型隔膜泵，最高转速为540r/min，最大流量为210L/min；动力输出轴转速为540r/min,作业幅宽21m，药液箱额定容量1 200L；喷头为间距500mm的42个110°扇形喷头，两侧喷药臂展开时整机外形尺寸(长×宽×高)为20 720mm×1 780mm×2 990mm。

3WP-1200型喷杆喷雾机已经研制生产出样机，如图2所示。

图2　喷杆式喷药机

1.2工作原理及工作过程

本喷药机采用三点悬挂的方式与拖拉机连接，拖拉机的液压系统与喷药机液压系统通过快换接头的方式进行连接。拖拉机正常工作时，拖拉机的液压油通过快换接头进入喷药机液压控制系统中，使喷药臂逐级展开；同时拖拉机驾驶员可以通过调节拖拉机液压油的输入量来调节液压油缸的行程来控制喷药机升降总成在喷药机大架滑槽里的滑动位置，以此来达到控制喷杆的高度的目的；并通过调节一级喷药臂油缸的行程来控制喷杆的角度，能够通过控制几个油缸的行程实现喷杆高度和角度的自由调节。

拖拉机的动力传出轴将动力传递给喷药机底部的隔膜泵，隔膜泵将加药箱中的液体农药及清水箱中的清水进行加压之后送入药液箱之中；农药和清水在药液箱中进行充分混合搅拌形成药液，对混合好的药液进行加压之后经喷药控制系统进入喷药臂上的水管中，经喷头喷洒至农作物的施药部位上。

2主要工作部件设计

2.1升降总成设计

升降总成主要由升降油缸、钢丝绳、平衡油缸、喷杆调平装置、固定滑块及喷杆大臂等部分组成，如图3所示。

图3　升降组成三维示意图

升降总成通过拉簧与大架总成的钢丝绳固定板相连，两条钢丝绳的一端固定在固定板上，另一端固定在升降总成的两侧上，两条钢丝绳各绕过两侧上下4个动滑轮；通过控制液压控制系统的液压油进出升降油缸来控制升降油缸的行程，钢丝绳带动动滑轮位置的改变，固定滑块在大架总成的滑槽里上下自由滑动，以此提升或者降低喷药杆。这样就可以实现喷药杆高度的自由调节，来满足不同农作物的喷药工作。

2.2大架总成

大架总成主要由拉簧、钢丝绳固定板、药液箱固定架、悬挂架、滑槽、水路系统固定板、油管支架，以及喷药臂折叠固定板等部分组成，如图4所示。

图4　大架总成三维示意图

大架通过拉簧与钢丝绳固定板进行连接，升降总成的滑块根据油缸行程的改变，在钢丝绳的作用下在大架总成的滑槽里上下自由滑动，以此来改变喷药杆的高度，实现对不同农作物的喷药工作，如图5所示。

图5大架总成和升降总成结构示意图

Fig.5Schematic diagram of frame assembly and lifting assembly

2.3喷杆调平机构

喷杆调平机构主要由平衡油缸、弹簧及空气阻尼器等部分组成，如图6所示。喷药机开始工作时，需要检查平衡油缸是否升起，若未升起则操纵液压分配器的伸展杆加压，使之升起。只有将平衡油缸升起后，两侧喷药臂和大架产生的四杆机构在平衡油缸的作用下才能达到平衡状态而不产生晃动；同时只有当平衡油缸升起时，平衡阻尼器才会产生作用。调平机构固定在升降总成的大架上，两侧喷杆则通过连杆与调平机构连接，使之成为一个整体；当喷杆产生倾斜时，调平机构产生作用。

图6　调平机构结构示意图

喷药机在田间正常工作时，由于地面不平整，很容易导致拖拉机产生倾斜，进而导致喷杆产生倾斜，喷杆一侧低于预定喷药高度，另一侧高于预定喷药高度，导致药液不能够准确到达施药部位。此时，弹簧会产生阻碍一侧喷杆高度的提升，使之保持原有的喷药高度不变。但弹簧又容易产生简谐运动，使两侧喷杆始终在上下颤动，此时平衡阻尼器开始作用，使这种简谐运动的幅度降低，最终归于平衡。

2.4行走速度的设定

拖拉机的喷雾行走速度，应根据实际作业情况首先测定喷头流量，但作业区域内的土地平整状况也是重要影响因素。一般喷雾速度在3～8km/h[5]。

先向药液罐内加入适量清水，给系统加压，观察雾化情况和压力表，一般工作压力在0.2～0.5MPa。此时，接取一个喷头1min的喷量，可用称重法确定喷量，乘以喷头间距500mm便是全喷幅1min的实际喷量。此时的压力指数及喷量是一项重要数据，可参考《作业速度计算公式》制定出机组行走速度。

ν=600Q/(A·B)

式中ν—作业速度(km/h)；

B—喷头间距(m);

Q—单个喷头的喷量(L/min)；

A—施药量(L/hm2)。

改变行走速度、喷雾压力、喷头大小，均可使公顷施药量改变，用户可根据具体情况灵活掌握。更换喷头时应选用正规厂家的产品，以免造成损失。喷头必须是同一厂家、统一型式、同一标号的喷头，并在作业前实测其喷量，以确定单位面积的施药量。

需要注意的是，拖拉机行走速度的改变是依靠档位的更换，不可靠油门大小控制速度，油门应保持恒定。

3作业过程中主要工作部件的使用和调整

3.1加水

石羊河流域生态恢复路径决策及实施效果分析……………………………………………… 贾小明，张永明(5.36)

向药液箱加水时，若有外动力水源，则直接从上加水口处加入；若无外动力水源，则用喷药机自身独立的加水系统将水打入药液箱。具体操作如下：

1)将吸水带一端与喷药机加水口相连接(见图7)，另一端与水源相连接，或将吸水头放入水中，避开水草杂物确认吸水头完全浸入水面以下；水浅应适当改变浮球绳的长度，防止吸水头沉入泥中，注意吸水管路中不能进气。

2)将A阀门置于“加水”位置， B阀门置于“加水加药”位置，启动拖拉机转动隔膜泵，向药液箱加水。

图7　加水配药阀门结构示意图

3.2配药溶药

在向药液箱加水的同时进行配药溶药。药液箱加水的同时，将D阀门置于“加水”位置，向溶药箱内放入适量水，再将所需药品倒入溶药箱溶解，待药液箱水加注至1/2左右，将A阀门和、E阀门(见图7左下角)置于“加药”位置，将所溶药液吸入；待溶药箱内药液吸净后，再将A阀门置于“加水”位置，D阀门置于“药瓶清洗”位置，将空药瓶嘴向下套于箱内的清洗喷头上，轻轻向下按压3～5s，对药瓶进行清洗，减少残液对环境的污染；再按上述操作往溶药箱中加清水对箱壁进行清洗，最后将清洗的残液按上述加药操作吸入药液箱。

3.3搅拌

观察液位指针，待加注至所需容量后，先停泵，再将A、B阀门置于“喷药”位置，C阀门置于“搅拌”位置。同时，可根据药剂的不同选择搅拌量大小，顺时针旋转阀门C手柄，搅拌量变大；反之，变小，起动液泵开始搅拌。一般，喷药前搅拌量较大，喷药中搅拌量较小。彻底和仔细地搅拌农药是喷雾机作业的重要步骤之一，搅拌不匀将造成施药量不均匀，对于可湿性粉剂一类农药，要一直搅拌到一箱药液喷完为止。

3.4喷药

机组行至作业地点，确定作业路线时应观察有无障碍物，如树木、电杆、沟坎等，作业区域的坡度情况也应引起重视。在地边空旷区域先将喷杆展开，调整喷杆高度，使喷头距目标物的距离为500mm；再查看阀门A、 B、F是否处于“喷药”位置，若F阀门置于“回流”位置，则药液直接流回药箱；最后根据作业情况依次打开喷杆分配器开关(见图8)；拖拉机根据预定挡位、油门、匀速前进，此时根据喷杆分配器打开路数的不同，旋转调压阀H，使喷雾压力达到预定值。顺时针旋转，压力增大，喷药量增大；反之，压力减小，喷药量减小。一般，喷药量的大幅度调整时，调整阀门H，微量调整时，则调整阀门G；同样顺时针旋转，喷药量增大，逆时针旋转，喷药量减小。每个喷药嘴的喷药量则由其所在路的调压阀单独调整，使每一个喷药嘴的喷药量相同。

图8　喷药阀门示意图

4田间试验

4.1场地试验

本文仿照 Jeon 等[6]的试验方案，让牵引喷药机的拖拉机一侧的前轮和后轮先后通过阶跃实验路面，以此进行场地试验，来检验喷杆式喷雾机喷杆调平机构的有效性[7]。试验方案如图9所示。

(a)喷杆喷雾机后视图 (b)喷杆喷雾机左视图

1.阶跃路面2.喷杆喷雾机3.喷杆

图9喷杆喷雾机系统阶跃过程示意图

Fig.9Process of boom sprayer across the step track

为模拟田间实际情况，将阶跃试验路面的高度设为 0.1m，拖拉机的行驶速度设为田间正常作业速度4.9km/h,分别将喷杆的作业高度设定为1 000、1 100、1 200mm。驾驶拖拉机，使其左侧前、后轮相继驶上实验路面，记录左右两侧喷杆最远端的离地高度值,如表1所示[8]。

表1　场地试验结果

由表1可知：在喷杆调平机构的作用下，喷药机在通过试验路面时，两侧喷杆的离地高度相对于作业高度并未改变太多，在喷药工作的允许范围以内。

4.2田间试验

使用喷杆调平系统，在德州乐陵市天成工程机械有限公司试验田进行田间试验，结果如表2所示。试验场地为存在缓坡起伏地势，拖拉机作业速度设为田间正常作业速度4.9km/h[9]。

由表2可见：在喷杆调平机构的作用下，喷药机在通过缓坡起伏的田间时，两侧喷杆的离地高度虽有起伏但相对于作业高度并未改变太多，在喷药工作的允许范围以内，并未影响机器的正常喷药作业。

表2　田间试验结果

5结论

本喷杆式喷药机能够针对不同的农作物，在机器允许范围内自由调节喷药高度来满足不同农作物的喷药工作；同时，在喷杆调平机构的作用下，喷杆在缓坡起伏的田间虽偶有晃动，但能够很快恢复平衡，未发生分行器底部触地现象。

参考文献：

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[2]贾卫东, 张磊江, 燕明德, 等. 喷杆喷雾机研究现状及发展趋势[J].中国农机化学报, 2013, 34(4): 19-22.

[3]杨学军，严荷荣.植保机械的研究现状及发展趋势[J].农业机械学报，2002，33(6):129-137.

[4]郑文钟，应霞芳．我国植保机械和施药技术的现状、 问题及对策[J]．农机化研究，2008(5):219-221．

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[6]Jeon H Y, Womac A R, Wilkerson J B,et al.Sprayer boom instrumentation for field use[J].Transactions of the ASAE,2004,47(3):659-666.

[7]张树冲，金伟明．基于C8051F120的六点支撑液压调平控制系统设计[J]．国外电子测量技术，2009(7):52-55．

[8]郭俊岑，周浚哲，唐健．基于单片机的坦克火控调试台自动调平系统研究[J]．沈阳理工大学学报，2006(3):70-73，76．

[9]王松林,赵春江,王秀.喷杆高度调节系统设计与试验[J].农机化研究,2014,36(8):161-164.

Design and Experimental Research on Automatic Levelling Boom Sprayer

Wang Jiawen1，Yang Zidong2

(1.School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049,China;2.School of Engineering, Zhe Jiang A&F University, Hangzhou 311300，China)

Abstract：For the characters of undulating gentle slope of arable land and the different height of different crops, we design this boom sprayer.The spray bar could remain parallel to the ground.The boom sprayer could lift freely within the allowable range through the hydraulic system.The boom sprayer also could complete the leveling work in the field.The spray bar is lifted by the hydraulic system and movable block.The spring and balancing dampers are used to complete the mechanical leveling work of spray bar.The boom sprayer plays a positive role in Improving the utilization of pesticides and reducing crop production costs.

Key words：boom sprayer; lifting mechanism; leveling mechanism; hydraulic system

文章编号：1003-188X(2016)07-0162-05

中图分类号：S491

文献标识码：A

作者简介：王佳文(1989-),男，山东威海人，硕士研究生，(E-mail)wangjiawen_cool@yeah.net。通讯作者：杨自栋(1970-)，男，甘肃张掖人，教授，博士生导师，(E-mail)yzd66@126.com。

基金项目：山东省技术创新项目(201430113002)

收稿日期：2015-07-22