3WZ-600型自走式果园风送喷雾机设计*

王斌斌 ， 岳丹丹 ， 陈中武 ， 蓝玩荣 ， 汤杰鹏

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东 广州 510630；3.江门市农业技术服务中心，广东 江门 529000；4.江门市新会区农业农村综合服务中心，广东 江门 529000）

目前，农用喷雾机主要可分为手动式、机动式、牵引式、自走式、航空植保式五大类[1-6]。手动式、机动式喷雾机存在工作效率低、劳动强度大的特点[7]；牵引式喷雾机设备体积大，多适用于大田作业[8]，不适用于小地块、不规则、坡陡弯多的丘陵山地的喷雾工作[9]；航空植保式喷雾机作业存在叶片正反面药液覆盖均匀性差的特点，不能很好地满足果园植保要求[10-11]。随着丘陵山地经济作物日益发展，一款可适用于丘陵山地果园的喷雾机需求逐渐增加，课题组拟针对丘陵山地果园种植密度大、植被行距偏小、树冠层形状与疏密不一以及地形田块小、坡陡弯多、落差大的特点，设计一款通过性强、可满足丘陵山区工作的自走式果园风送喷雾机，旨在为样机的改进和丘陵山区果园植保作业提供合适的喷雾机器。

1 材料与方法

1.1 总体结构、工作原理及技术参数

1）总体结构。此自走式果园风送喷雾机底盘采用履带式结构，可搭载作业人员工作，其主要由履带行走底盘系统与风送喷雾系统组成，其整体结构如图1所示。履带行走底盘系统负责承载风送式喷雾系统的机架、药液箱等，主要包括底盘机架、操纵台、前罩、行走发动机、行走变速箱、履带、驱动轮、支重轮和导向轮；风送喷雾系统主要包括药液箱、喷雾发动机、喷药泵和喷雾装置。

2）工作原理。履带行走底盘系统负责承载风送喷雾系统各部件、搭载人员喷雾作业以及接受行驶驱动用发动机的动力，驱动喷雾机行走。此行驶驱动用发动机固定在车架的左前方，通过皮带连接变速箱经驱动轮组件将动力传递给履带，驱动车辆前进、后退以及转向。风送喷雾系统为喷雾施药功能的具体实施部分，由喷雾用发动机为喷雾系统提供动力。此喷雾用发动机通过皮带分别与柱塞泵电磁离合器以及风送电磁离合器连接，带动风机与柱塞泵一起运行，实现机器的泵水与风送喷雾功能。

3）技术参数。根据自走式果园风送喷雾机的应用环境、工作要求，分析出喷雾机行走与喷雾采用的发动机功率、喷雾机的速度、药箱容积、喷幅宽度等技术参数，具体要求如下：行走用发动机功率为13.5 kW，喷雾用发动机功率为23.5 kW，行驶速度为1.7 km/h~5.6 km/h，药箱额定容积600 L，喷幅宽度≥18 m，空载质量为1 000 kg。1．前罩；2．操纵台；3．药液箱；4．环罩；5．风送喷雾系统；6．行走发动机；7．驱动轮；8．支重轮；9．人字形支重轮；10．导向轮；11．履带；12．底盘机架。

1.2 关键零部件的设计

1.2.1 履带行走底盘系统设计

履带行走底盘系统负责承载喷雾机各部件、搭载人员喷雾作业以及接受行驶驱动用发动机的动力，驱动喷雾机行走。该系统主要包括履带底盘、行驶用发动机和变速箱等。

1）履带底盘选型。自走式风送喷雾机履带总成主要包括一组驱动轮、两组双联“人”字形支重轮、两组普通支重轮、一组托带轮、一组导向轮及各种连接件。履带总成长、宽、高分别为1 600 mm、250 mm、400 mm，驱动轮直径为198 mm，支重轮直径为150 mm，托带轮直径为131 mm，导向轮直径为160 mm。底盘中部的两组双联“人”字形支重轮，每组使用一个支点铰接在底盘机架上，行驶时该组支重轮可以绕该铰接点在一定范围内仿地形调整姿态，可达到减震目的，提高了喷雾机的通过性以及乘坐舒适性。

2）变速箱的设计。市面上常见的农用机械变速箱可分为手动变速箱与自动变速箱。其中，手动变速箱通过手动改动传动比，改变发动机曲轴传递的转矩，使履带机在起步、加速、匀速行驶时克服不同道路工况、不同驾驶条件下驱动车轮牵引力的要求。课题组设计的履带式喷雾机底盘行走装置属于低速履带行走系统，根据不同使用工况，研发了具有3个前进档与2个后退档的专用变速箱，其中Ⅰ档主要用于起步与爬坡，Ⅱ档为工作档，用于喷雾和转向工作，Ⅲ档为行走档。根据本设计对喷雾机作业速度的要求和变速箱各档传动比之间的关系，设计整机行进作业速度以及变速箱各档位对应传动比，如表1所示。变速箱三维效果如图2所示。

表1 喷雾机各档位作业速度表

图2 变速箱三维效果图

3）行驶用发动机的选型。根据喷雾机总体设计方案，喷雾机工作时搭载600 kg药液以及一名约70 kg的工作人员，即喷雾机装载质量m可取1 670 kg。

履带喷雾机工作时常见工况有以下三种：平地直线行驶工况、平地转弯工况、上坡行驶工况。其中，喷雾机工作时，平地转弯工况下所需驱动力最大，此时受到的阻力有：转弯阻力Fz、滚动阻力Ff、惯性阻力Fj、内部阻力Fn，即履带喷雾机需要克服的总阻力F1=Fz+Ff+Fj+Fn。

①转弯阻力。在实际工程计算中，采用经验公式计算转弯阻力Fz=(0.7~0.9)μmaxmg，取系数为0.8，转弯阻力系数μmax=0.5，得出转弯阻力Fz=0.4mg。

②滚动阻力。在设计中，考虑到履带机的行驶路况多为草地、干土路以及泥土路，经过查阅相关资料，f取0.07~0.12较为合适，此设计中取滚动阻力系数f=0.12，即Ff=mgfcosα=0.12mg。

③惯性阻力。在实际工程中，惯性阻力可根据工程实际经验取值，一般取0.01mg~0.02mg，取履带喷雾机的惯性阻力为Fj=0.01mg。

④内部阻力。在实际工程中，内部阻力值一般不直接由公式计算，而是根据工程经验，按照整机的质量给出估值，一般的履带式机器常取整机质量的3%~8%。由于本机器内部零部件铰接点较少，故此设计选择Fn=0.05mg。

综上所述，履带机在平地转弯工况下总阻力F1=0.58mg。m是整车质量，为1 670 kg，g是重力加速度，为9.8 N/kg。驱动力Ftq=F1=0.58×1 670×9.8=9 492.28 N。

经分析可知，喷雾机Ⅱ档转弯工况下克服的总阻力最大，此时所需发动机提供的扭矩所需发动机提供的功率其中i为12.9，i皮为2.347 8，r为驱动半径，取0.099 m，η取0.81，V取3.6 km/h，计算得T=38.31 N·m，P=11.72 kW。为满足工作要求，选取宗申GB620型汽油发动机为喷雾机行走提供动力，其主要技术参数如表2所示。

表2 行走发动机技术参数表

1.2.2 风送喷雾系统设计

风送喷雾系统作为地面植保技术被广泛应用，其主要优势在于：风机吹出来的高速气流能够将喷头雾化的液滴再次细化，并通过气流的携带作用将农药液滴定向吹洒在作物表面，减少农药的飘失；再者，强大的气流可以增大雾滴穿透性，并能够促使叶片抖动、翻转，从而在作物叶片的正反面形成更好的沉积效果。风送喷雾系统主要由药液箱、喷雾发动机、喷药泵和喷雾装置等组成，其主要技术参数如表3所示。

表3 风送喷雾系统技术参数

1）药液箱与柱塞泵选型。选择合适的药箱容积是提高喷雾作业效率的关键因素之一。机械行业标准NY/T 992—2006《风送式果园喷雾机 作业质量》对于机具稳定性有如下要求：喷雾机处于运输状态，在空载（未加水）和满载（加额定容量清水）条件下，以纵向和横向的4个方向停放在坡度为8.5°的坚硬倾斜面上应保持稳定；满载的喷雾机倾斜时药液箱的药液不应溢出。本喷雾机选定的药箱额定容积为600 L，确定喷雾机药液箱的总容积不小于650 L。

对采用液力搅拌方式的喷雾机而言，所选喷雾泵的流量应大于搅拌器流量与总喷头流量。其中，履带自走式喷雾机喷头个数为26个，在额定压力下所选喷头最大喷雾量为2.23 L/min，26个喷嘴的总喷雾量为2.23×26=58 L/min；采用液力搅拌器的喷雾机，其搅拌流量一般为药箱额定容积的10%~12%，本喷雾泵的药箱额定容积为600 L，计算得需要的搅拌流量应在72 L以上。最终选用OS柱塞泵，其排量为

75.66 L/min，压力为1.5 MPa，转速为944 r/min。

2）喷雾发动机选型。喷雾泵与风机消耗的功率共同决定喷雾机发动机的型号。其中：

式中，N1——柱塞泵消耗的功率；η1——柱塞泵的总效率；Q1——柱塞泵的排量；P1——柱塞泵的压力；N2——风机消耗的功率；η2——风机效率；Q2——风机的排量；P2——风机的风压；η3——皮带轮的传递效率。经过以上计算，选取宗申GB1000型汽油发动机为喷雾提供动力，主要技术参数如表4所示。

表4 喷雾作业发动机技术参数表

3）喷雾装置设计。喷雾装置主要由风机、三段环形管、喷杆、喷头、风向导板、导流板组成，如图3所示。采用三段式环形水管能够保证各喷头的压力一致，喷雾作业时可根据果园实际情况开闭喷头，调节喷雾角度和喷药范围，有效提高喷雾的效率和降低喷药成本。

图3 喷雾装置

2 试验与分析

试验于2020年7月在广东省弘科公司试验基地进行，分别对履带喷雾机行驶速度、喷雾距离以及稳定性进行试验。记录喷雾机空载与满载两种负荷下行走50 m所用时间，具体数据记录如表5所示，可见履带式喷雾机的行驶速度为1.7 km/h~5.6 km/h，各档位下机器速度区别明显，且喷雾机负荷量不影响机器的行驶速度，说明喷雾机动力模块设计合理。

表5 空载、满载运行速度

图4 a、4b、4c为喷雾机稳定性试验，由图4a、4b可知，喷雾机在空载和满载条件下，能够以纵向与横向姿态稳定停靠在14°坡道上，并且药液箱未见泄漏；由图4c可知，配备双联“人”字形支重轮的履带底盘能在一定范围内仿地形调整姿态，达到减震目的。图4d为喷雾机喷雾距离试验，记录喷雾机水平喷雾宽度，观察到喷雾机喷幅宽度≥18 m。通过喷雾机稳定性试验与喷雾距离试验，可知喷雾机具有良好的纵向与横向稳定性，喷幅宽度能满足一般丘陵山地果园植保作业要求。

图4 喷雾机性能试验

3 结语

针对丘陵山地果园复杂地形地貌，课题组研制一款履带自走式风送喷雾机，以减少农药对作业人员的伤害，提高喷雾作业效率，降低劳动强度。首先，对样机总体结构、技术参数提出要求；其次，对喷雾机履带行走底盘系统与风送喷雾系统的关键零部件进行设计；最后，对喷雾机动力性、稳定性以及喷雾效果进行了试验测试。结果表明：该履带自走式喷雾机三档可换，行驶速度为1.7 km/h~5.6 km/h，喷幅宽度≥18 m，满足一般丘陵山地果园植保作业要求，有效提高了喷雾效率，降低了劳动强度。为了进一步提高喷雾机的喷雾效能，减少药液的浪费，后续建议对变量喷雾模块进行设计与集成研究。