3WFQ—1600型牵引式风送喷雾机研制与试验

张 亮，刘俊峰，李建平，侯天宇

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)



3WFQ—1600型牵引式风送喷雾机研制与试验

张 亮，刘俊峰，李建平，侯天宇

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)

因现代新型果园的种植模式及管理特点，小型的喷药植保机械不能满足新型果园的植保要求。为此，研制了3WFQ—1600型牵引式风送喷雾机。该机在隔膜泵和风机变速箱之间加装了联轴器，动力通过联轴器传递，优化了整机结构。通过理论计算完成了喷雾部件的选型，设计了R级风机流道结构和风机变速箱，风机叶轮直径1.0m，叶片数为14，风机变速箱有高低两个挡位，其传动比分别是1:3.7和1:4.6，实现了风机转速0～2 000r/min和0～2 500r/min的无级变速。借用Inventor软件的实体建模功能，完成了喷雾机整机的设计装配。室内试验和样机的田间试验表明：风机转速达到1 500r/min时，风机两侧14个测试点的平均风速为16.3m/s，风量为12.8m3/s，雾滴密度合格率为98.61%。

果园喷雾机；牵引式；风机；变速箱

0 引言

果树作物是一种世界性经济作物，其施药作业占果树生产管理总劳动量的30%左右，具有季节性强、劳动强度高、效率低及耗时费工等特点，施药作业效果直接影响了果品品质及产量[1-5]。国外果园施药机普遍采用风送喷雾技术，在果树施药装备方面，美、欧、日各国在果树施药植保作业时已经考虑到农机与农艺相结合，多采用大行距、小株距的现代化果园种植模式，果树的株、行距及树形大小规范统一，施药作业基本上由拖拉机配套的牵引式风送施药机完成[6]。

我国果园机械化施药装备正处于发展期[5]。现阶段，国家加大了对现代化果园建设的扶持力度，极大地调动了果农对老园改造和建设现代化新型果园的积极性，高效果园施药装备的需求日益迫切。如农业部南京机械化研究所研制的低矮果园自走式风送喷雾机、南京农业大学工程院研制的3WZ-700型自走式果园风送定向喷雾机。但总体来说，其喷雾传动结构复杂，药箱容量小，作业幅宽偏窄，不适用于现代新型果园的喷雾作业。本文针对现代新型果园的种植及管理模式，研制了3WFQ-1600型牵引式风送喷雾机，优化了动力传动系统，减轻了整机质量，设计了可调节速比的风机变速箱，并对风机和样机进行了室内和田间试验。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构及工作原理

现代新型果园采用高纺锤形栽培模式，株距1.2～2m、行距3.5～4.0m，整体树形呈高细纺锤形状或者圆柱状，成形后树冠冠幅小而细高，平均冠幅1～1.5m，树高3.5～4m，主干高0.8～0.9m。果园一般配备有29.4～44.1kW的大型拖拉机[7]。本果园喷雾机采用牵引式，主要由牵引架、支架、隔膜泵、联轴器、机架、药箱、承重轮及风送辅助装置等组成，如图1所示。

1.牵引架 2.支架 3.隔膜泵 4.联轴器 5.机架 6.承重轮 7.药箱 8.风送辅助装置

喷雾机工作时，牵引架与拖拉机的下拉杆连接，动力由拖拉机后输出轴经联轴器传递到隔膜泵，隔膜泵和风机变速箱之间由联轴器连接，动力经由联轴器传递到风机变速箱。药液从药箱经隔膜泵加压后，一部分药液经射流搅拌器回流到药箱起搅拌作用，其余药液经高压控制阀、管路、喷头喷出。根据作业环境，调控风机变速箱转速比和喷雾压力，进行风力辅助喷雾作业。

1.2 主要技术参数

外形尺寸(长×宽×高)/mm：3 600×1 300×1 350

隔膜泵传动形式：双侧花键输出

隔膜泵排量/L·min-1：135

喷雾工作压力/MPa：0.3～2

拖拉机输出转速/r·min-1：540

配套拖拉机/kW：29.4～44

药箱容积/L：1 600

喷头数量/个：14

整机重量/kg：450

作业幅宽/m：8～12

作业速度/m·s-1：0.72～1.5

2 关键部件的选型及设计

2.1 喷雾部件的选型

喷雾部件的选型如表1所示。根据喷雾机总体设计，风机两侧分别安装有7个方向可调防滴喷头，工作压力为0.3～2.5MPa，流量为2.19～5.22L/min，14个喷头全部工作时总整机喷雾量为30.66～70.08 L/min。考虑药箱内装有两个射流搅拌器及喷雾控制阀向药箱内回水的功能后，选择意大利UDOR公司生产的OMEGA135TS2C型隔膜泵。该泵最大工作压力为4MPa，工作转速范围为0～550L/min。

表1 喷雾部件选型

2.2 风送辅助装置的设计

2.2.1 风量的确定

风送辅助装置的作用是产生风场，风机吹出的高速气流不仅将喷头雾化的雾滴撞击成更加细小均匀的雾滴，使雾滴二次雾化，还可以驱动雾滴喷洒向靶标作物，使作物的枝叶不停的翻动，并在作物叶背、叶面、树膛内部外部均匀地覆盖上雾滴。果园风送喷雾机风量的确定需遵循置换原则及末速度原则，其原理为:喷雾机风机吹出带有二次雾化的雾滴气流应能置换风机前方直至果树内部空间的全部空气[8]。

如图2所示：当喷雾机作业时，其风机转速和行进速度不变，根据置换原则，这时风机的风量应为图中虚线所示长方体的体积，风量计算公式为[9]

Q≥V×L×H×K

(1)

式中 Q—风机风量(m3/s)；

V—拖拉机作业速度(m/s)；

L—喷洒幅宽(m)；

H—树高(m)；

K—气流衰减和沿途损失系数。

各参数的取值范围为：V=0.72～1.5m/s，L=3.5～4m，H=3.5～4m，K=1.3～1.6。将上述参数代入式(1)中，求得Q=11.5～38.4m3/s。

图2 风送喷雾机置换原则计算简图

2.2.2 风机的确定

风机流道装置结构如图3所示。采用R级，主要包护栏、挡风板、扇叶、叶轮及风筒，这种级型的风机结构简单，制造方便。综合考虑风机风量与消耗功率匹配等因素，拟定Q=12m3/s。设定风机转速n=1 500r/min，全压Pq=400Pa，风机参数计算公式为[10]

(2)

(3)

(4)

d=ω×D

(5)

其中，Pt为轴功率(kW)；η1为全压效率；η2为机械效率；n为风机转速(r/min)；ns为风机比转速；φt为全压系数；d为轮毂直径(m)；D为叶轮外径(m)；ω为轮毂比。

查通用风机实用手册，确定各参数[10]如下：η1=0.8，η2=0.9，φt=0.1，ω=0.2。计算结果Pt=6.6kW，ns=419，D=1m，d=0.2m。

根据风机叶片数目M与轮毂比ω的关系，通过式(6)[10]计算叶片数目，则

(6)

式中 λm—平均半径处叶片弦比；

τm—平均半径处的叶栅稠度；

M—叶片数目。

查通用风机实用手册，确定各参数[10]如下：λm=2.0，τm=1.0～1.5。计算结果M在9.42～14.13之间，为了减少风机的噪音，确定M=14。

1.护栏 2.挡风板 3.叶轮 4.轮毂 5.风筒

2.3 风机变速箱的设计

为了满足喷雾作业环境的要求，设计了可调节速比的风机变速箱。其结构主要包括转速拨杆、壳体、传动齿轮、输入轴、滑键套及输出轴，如图4所示。

1.转速拨杆 2.壳体 3.传动齿轮

通过旋转转速拨杆，齿轮在滑键套上移动，从而可调节齿轮的传动比。其传动比分别是1:3.7和1:4.6，实现了风机转速0～2 000r/min和0～2 500r/min的无级变速。

2.3.1 轴的设计

初始条件：当拖拉机后输出轴达到额定转速540r/min时，风机变速箱传动比为1:3.7，此时风机的转速为2 000r/min，风机消耗的功率Pc1=9.6kW。风机变速箱传动比为1:4.6，此时风机的转速为2 500r/min，风机消耗的功率Pc2=13.2kW。

根据式(7)[11]计算变速箱输入轴的功率为

(7)

式中 η—联轴器传递效率；

Pr—变速箱动力输入端功率(kW)；

Pc—变速箱动力输出端功率(kW)。

查机械设计手册[12]，η=0.98，计算结果Pr1=9.8kW， Pr2=13.5kW。

根据式(8)～式(11)[11]计算输入输出轴的直径和扭矩，有

(8)

(9)

(10)

(11)

其中，dr为输入端齿轮轴直径(mm)；dc为输入端齿轮轴直径(mm)；nr为输入轴转速(r/min)；nc为输出轴转速(r/min)；Tr为输入轴扭矩(N·mm)；Tc为输出轴扭矩(N·mm)；C为材料系数。

当风机变速箱传动比为1:3.7时，各参数取值：nr=540r/min，nc1=2 000r/min。计算结果为：dr1≥28.1mm，Tr1=1.73×105N·mm，Tc1=4.58×104N·mm，dc1≥18mm。

当风机变速箱传动比为1:4.6时，各参数取值：nr=540r/min，nc2=2 500r/min。计算结果为：dr2≥31.3mm，Tr2=2.39×105N·mm，Tc2=5.0×104N·mm，dc2≥18.6mm，dr≥max{dr1，dr2}=31.2mm，dc≥max{dc1，dc2} =18.6mm。

材料系数C取107～118，作用在轴上的弯矩比扭矩小时，C取较小值，C=107。输入和输出端有键槽、连接联轴器时，该端加大3%～5%[11]，所以dr=33mm，dc=20mm。

2.3.2 齿轮的设计

当旋转转速拨杆可调节齿轮的传动比时，输入轴上的齿轮在滑键套上移动，因此齿轮的结构形式选择直齿轮。输出轴小齿轮选用45钢，HB 230；输入轴大齿轮选用45钢，HB 200[13]。齿轮参数计算公式为[11]

(12)

(13)

(14)

Zd=Zx×i

(15)

(16)

(17)

其中，[σH1]为小齿轮许用接触应力(N/mm2)；σH1为小齿轮接触疲劳极限(N/mm2)；[σH2]为大齿轮许用接触应力(N/mm2)；σH2为大齿轮接触疲劳极限(N/mm2)；A为中心距(mm)；Zd为大齿轮齿数；Zx为小齿轮齿数；m为模数；K为载荷系数；Tr为输入轴扭矩(N·mm)；φs为齿宽系数；SH为齿面的接触疲劳安全系数。

查机械设计手册[13]可知：σHlim1=550N/mm2，σHlim2=540N/mm2，SH=1.1。计算得：[σH1]=500N/mm2，[σH2]=491N/mm2。

当传动比为1:3.7时，各参数的取值为：i=3.7、K=1.4，φs=0.4，Tr=1.73×105。拟定Zx1=29，计算结果A1≥226.5mm，Zd1=107。

当传动比为1:4.6时，各参数的取值为：i=4.6，K=1.4，φs=0.4，Tr=2.39×106。拟定Zx2=31，计算中心距A2≥279.6mm，Zd2=143，Zd+Zx=min{ Zd1+Zx1，Zd2+Zx2}=136，中心距A≥max{A1，A2}。拟定A=280mm，计算m=4.1，查机械设计基础确定m=4.5，实际中心距A=306mm。

3 基于Inventor的三维实体设计

Inventor是一种三维参数化实体模拟软件，实体建模方面采用一种精确的三维数字样机，能生成各种特征和实体模型及工艺特征[14]。运用 Inventor软件将牵引式风送喷雾机进行三维建模、装配，从而检查各个零件的干涉情况。结果表明：各部件不存在干涉现象，结构设计合理[5]。牵引式风送喷雾机总体装配如图5所示。

图5 喷雾机总装图

4 试验

4.1 风机性能试验

风机性能的优劣直接影响了果园风送喷雾机的作业效果，在TCC电力四驱土槽实验台车上进行风机性能试验。风机主要结构参数为:风机叶轮外径D=1.0m，轮毂直径d=0.2m，风机叶片数目M=14。

4.1.1 试验仪器

TCC电力四驱土槽试验台车主要由机架、驱动轮、主转动系统、控制柜、液压泵站及制动等部分组成，如图1所示。动力输出轴采用变频电机、液压泵站驱动马达进行无级调速。选用30kW变频电动机作为泵站动力，基频50Hz，同步转速为15 000r/min。采用A2F定量马达驱动动力输出轴，满足输出轴的两个转数的要求，即n1=540r/min，n2=1 000r/min，并且可以在0～1 200r/min之间无极调速。TCC土槽试验车监控软件可对土槽车的行进速度、动力输出轴扭矩、转速、功率或其它接入的传感器数据进行采集、显示及存储。

图6 土槽实验台

4.1.2 试验方法

风机安装在TCC电力四驱土槽实验台车后面，动力输出轴输出的动力经皮带轮传递给风机；按下变频控制柜上的动力输出按钮，启动动力输出电机变频控制，调整动力输出变频器操作面板上的电位器旋钮，设定动力输出轴转速540r/min；选用不同传动比的皮带轮，分别使风机转速达到1 500r/min、2 000r/min、2 500r/min。如图7所示：风机两侧分别安装有7个喷头，用风速仪分别测定风机在不同转速下14个测试点的风速，在风机的一侧分别取3个测试点，距测试点1、2、3、4m处用风速仪测量风机出口外侧风场分布。

图7 风机风速测试

4.1.3 试验结果

根据测试数据绘制了风机在不同转速下出风口的风速曲线，如图8所示。风机转速达到1 500r/min时，风机两侧14个测试点的平均风速为16.3m/s，则[10]

Q=V×S

(18)

其中，Q为风机风量(m3/s)；V为出风口风速(m/s)；S为风道截面积。计算Q=12.8m3/s，大于初始设定的风量12m3/s。

图8 不同转速下的风机出口风速

风机出口外侧风速值如表2所示。根据测试结果，果园风送作业末速度约为10m/s，大于气流到达果树枝叶的末速度9m/s[8]。

表2 风机出口外侧风速

风机转速分别达到1 500r/min、2 000r/min、2 500r/min时，TCC电力四驱土槽实验台车上的传感器对功率数据进行采集、显示以及存储。已知皮带轮的传动效率ηp=0.9，根据公式(19)[11]计算风机不同转速消耗的功率如表3～表5所示。

PF=PC×ηP

(19)

式中 ηp—皮带轮传递效率；

PC—土槽实验台车后输出轴功率(kW)；

PF—风机消耗功率(kW)。

表3 1 500r/min风机消耗功率

表4 2 000r/min风机消耗功率

表5 2 500r/min风机消耗功率

4.2 田间试验

2015年7月，在河北中农博远装备有限公司进行了样机的试制，并在燕郊现代新型大型果园进行了田间试验，配套动力为29.4kW拖拉机，如图9所示。当喷雾机风机转速达到1 500r/min、作业速度为1m/s时，在喷雾机的左右两侧各选取3棵苹果树，在每棵测试果树的内膛和外围上、中、下3个部位各选3片树叶，叶面、叶背均布上纸卡，计数每级雾滴数的纸卡数。试验结果如表6所示。

图9 样机田间试验

雾滴密度/滴·cm-2左外叶面纸卡数左外叶背纸卡数左内叶面纸卡数左内叶背纸卡数右外叶面纸卡数右外叶背纸卡数右内叶面纸卡数右内叶背纸卡数≤200001010120～502333234450～10077989788≥1001817151516161514

按风送式果园喷雾机作业质量(NY/T992—2006)的标准，雾滴沉积密度大于20滴/cm2为合格。根据试验结果，可得雾滴密度合格率为98.61%。

5 结论

1)针对现代新型果园的种植模式，设计了3WFQ-1600型牵引式风送喷雾机，通过理论计算完成了关键喷雾部件的选型。喷雾机工作时，动力输入和传递完全由联轴器来承担，使整机结构更加紧凑。

2)为了满足现代新型果园的喷雾作业要求，设计了风送辅助装置，确定风机结构型式为R级，风机直径为0.1m，叶片数为14。

3)风机性能试验表明：风机转速达到1 500r/min时，风机两侧14个测试点的平均风速为16.3m/s，风量为12.8m3/s，大于初始设定的风量12m3/s。

4)为了满足现代新型果园喷雾作业要求，设计了可调节速比的风机变速箱。其传动比分别是1:3.7和1:4.6，实现了风机转速0～2 000r/min和0～2 500r/min的无级变速。

5)样机的田间试验表明：当喷雾机风机转速达到1500r/min、作业速度为1m/s时，雾滴密度合格率为98.61%。

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Design and Experiment of 3WFQ-1600 Traction Type Air-assisted in Orchad

Zhang Liang, Liu Junfeng, Li Jianping, Hou Tianyu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China)

According to the characteristics of the modern new orchard planting pattern and management, small spraying plant protection machinery cannot meet the requirement of the plant protection of new gardens. As a result, the traction type air-assisted of 3WFQ-1600 was developed to solve similar problems. Between the diaphragm pump and fan gearbox of this machine is a coupling, and the power is transmitted through the shaft coupling ,which optimize the structure of the whole machine. Through the theoretical calculation of finished spray parts selection, rated R fan flow channel structure and fan gearbox were designed ,the diameter of fan impeller is 1.0 m and blade number is 14.Turbine gearbox has high and low two gears, the transmission ratio are 1: 3.7 and 1:4.6, achieving the fan speed 0～2000r/min and 0～2500r/min. To complete the spray machine design and assembling of the machine, we used the AIP software entity modeling capabilities. The field test and indoor test shows that when the fan rotation speed reaches 1500r/min, 14 test points of the fan on both sides of the average wind speed is 16.3m/s, air volume is 12.8m/s, drop density percent of pass is 98.61%.

orchard sprayer; traction type; fan; gearbox

2016-04-27

国家苹果产业技术体系项目(CARS-28)；国家公益性行业(农业)科研专项(201203016)

张 亮(1990-)，男，河北保定人，硕士研究生，(E-mail)15933463553@163.com。

刘俊峰(1956-)，男，河北保定人，教授，(E-mail)liujf@hebau.edu.cn。

S491

A

1003-188X(2017)04-0062-06