大豆玉米带状复合种植喷杆设计与试验*

颜廷瑞，印祥，王亚林，陈年斌，舒邦秦

(1. 山东卫士植保机械有限公司，山东临沂，276017； 2. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博，255000； 3. 山东华盛农业药械有限责任公司，山东临沂，276017)

0 引言

高地隙施药机以其作业喷幅宽、喷洒精量化、喷药量均匀化等高效施药作业优势，越来越广泛地应用在田间植保作业中[1-5]。大豆玉米带状复合种植有利于提高土地利用率，实现大豆玉米和谐发展。但是由于玉米大豆高度差别较大，在对其进行化学除草时，需要采用不同的喷药高度进行喷洒，现有的高地隙施药机的喷杆各段高度相同，不能做到分带喷洒[6-12]。

国内外学者对高地隙施药机的喷杆开展了多方面的研究。张波等针对目前喷头对行精准度低的问题，基于机器视觉技术设计出喷杆式施药机对行喷雾控制系统，但机具不能满足密植窄行田间作业。程上上[13]研制的自走式高地隙喷杆分带施药机，加装了两套喷雾系统可以实现对玉米、大豆分带同步喷施，但喷杆高度相同，在较高的喷雾高度下会导致药液漂移。尚增强[14]针对玉米大豆2∶2∶4的带状种植模式复合种植田的农艺要求和地形特点，设计了一款特制的小型电动自走式分带喷杆喷雾机。张文卿等针对喷杆喷幅相对固定、不能根据实际情况调节的问题，设计了一种可伸缩式喷杆。Herbst等[15]基于激光测距传感器设计了一种高度自动控制喷杆，能够根据作物高度自动调节喷杆高度。上述研究从喷杆结构优化、喷杆自动控制等方面提高了喷施质量，但未考虑喷杆高度分段调节的问题。

本文以高地隙施药机为平台，结合大豆玉米带状复合种植模式的实际农艺要求，在现有施药机喷杆的基础上，设计了一种用于高地隙施药机的每段高度可调的分段式喷杆。以3WP-1000GS高地隙施药机为试验平台，对喷杆高度调节范围、高度调节一致性等进行对比分析，以验证喷杆在田间作业时的准确性和稳定性。

1 大豆玉米带状复合种植模式及喷雾需求

我国西北、西南以及黄淮海等地区是大豆玉米带状复合种植的主要推广区。根据各地区气候环境的不同，种植农艺略有不同，但技术要点基本相同。大豆玉米带状复合种植大多实行2行玉米带与3～6行大豆带复合种植，玉米行距30～50 cm，大豆行距20～40 cm；玉米带与大豆带间距60～70 cm。大豆玉米带状复合种植模式下植保作业时，玉米、大豆防治病虫草害所施用药剂不同，玉米、大豆带宽不同，株高也不一致，药液互相干涉会对彼此造成药害。本文根据山东省的实际农艺要求，采用2行玉米带与4行大豆带复合种植，大豆行距40 cm，玉米行距40 cm，大豆玉米行间距65 cm。

山东省大豆玉米带状复合种植多采用如图1所示的4+2种植模式。在植株生长过程中，玉米植株高度达2 m，大豆植株高度达1 m，但一般玉米高于1.5 m后基本上就不再需要对玉米植株进行施药，为保证玉米植株的施药需求，要求喷杆离地高度要达到1.5 m，本文设计为1.6 m。玉米植株和大豆植株的高度差别较大，为保证喷头离植株的高度相同，大豆带与玉米带的喷杆高度需要独立调节，要求各段喷杆的高度可以独立调节，设计分段式高度调节机构实现喷杆高度独立调节。

(a) 俯视图

根据大豆和玉米的行距、带宽以及种植，选择分段式高度调节机构宽度为50 cm；根据大豆植株与玉米植株的高度差，选择独立高度调节机构的垂直行程为68 cm，两组机构配合使用高度差最大值达136 cm。为保证高地隙喷杆施药机的作业效率，根据目前高地隙喷杆施药机的作业幅宽和玉米大豆带状复合种植的农艺要求，喷杆上安装五组分段式高度调节机构，喷杆喷幅为8.5 m。

2 喷杆结构组成及工作原理

喷杆根据高地隙喷杆施药机平台需求进行设计，由四杆升降机构、三段式支架、分段式高度调节机构、升降油缸、伸展油缸、电动推杆组成，结构如图2所示。

图2 大豆玉米带状复合种植喷杆

四杆升降机构由平行四杆机构和横梁组成，喷杆升降是经过电磁换向阀控制液压油缸伸缩，当油缸伸长时，带动平行四杆机构绕着铰接点向上转动；当油缸缩短时，带动平行四杆机构绕着固定铰接点向下转动，来实现喷杆支架的上下调节。三段式支架采用折叠式结构，两侧伸展油缸伸长时带动支架展开；伸展油缸缩短时带动支架折叠，以便施药机田间转弯。分段式高度调节机构主要由电动推杆、剪叉机构和喷杆支架组成，通过U型螺栓挂接到三段式支架上，通过控制电动推杆伸缩带动剪叉臂绕着各铰接点转动，带动喷杆上下调节，实现每段喷杆独立调节高度。喷杆主要技术参数如表1所示。

表1 喷杆主要技术参数Tab. 1 Main technical parameters of spray boom

喷杆工作时，通过控制两侧伸展油缸协调平稳的展开两侧支架，支架完全展开后，四杆升降机构控制整体支架调节到一个合适高度，然后根据作物的高度分别调节分段式高度调节机构，每段喷杆都达到合适高度后，喷头开始工作。

3 关键部件设计

3.1 四杆升降机构

四杆升降机构由升降杆、安装座、中间横梁、前横梁和升降油缸组成，其主要功能是将喷杆支架整体调整到合适的高度，其结构如图3所示。

图3 四杆升降机构

上下两根升降杆与前后安装座铰接形成平行四杆机构，通过中间横梁和前横梁将两组平行四杆机构连接起来，升降油缸前后两个安装孔分别与中间横梁和前横梁上的铰接点铰接。喷杆升降是经过电磁换向阀控制液压油缸伸缩，当油缸伸长时带动平行四杆机构绕着铰接点向上转动，当油缸缩短时，带动平行四杆机构绕着铰接点向下转动，来实现喷杆支架的上下调节。其原理图如图4所示。

图4 四杆升降机构原理图

图4中WV、QT为平行四杆机构上升到最高位置，WV1、QT1为平行四杆机构下降到最低位置，其中Q、W为固定铰接点。在最高极限位置油缸的铰接点为G、S，在最低极限位置油缸的铰接点为G1、S1。γ1为上升角，γ2为下降角，λ是油缸与升降杆QT的夹角，c1为上升高度，c2为下降高度。

根据玉米植株和大豆植株的高度、喷雾高度以及高地隙施药机的离地高度，选择四杆升降机构的高度调节范围为420～1 620 mm，四杆升降机构与地面平行时的高度为1 000 mm，则上升高度c1为580 mm，下降高度c2为620 mm，升降杆长度ls为850 mm。则上升角和下降角为

(1)

根据四杆升降机构的上升高度、下降高度和升降杆长度，得出上升角和下降角分别为43°和46°。油缸铰接点G与升降杆铰接点T的距离为s，根据正弦定理，得出油缸长度

(2)

已知油缸铰接点G与升降杆铰接点T的距离为480 mm，上升角为43°，下降角为46°，得出升降油缸最短长度为420 mm，最长长度为590 mm，行程为170 mm。

3.2 支架展开机构

本文所设计的三段式支架展开机构，如图5所示，主要包括中央支架、两侧支架、销轴套筒、限位元件、伸展油缸。两侧支架通过铰接与中央支架连接，通过两侧伸展油缸的伸缩，带动两侧支架绕着铰接点转动，实现支架的展开与折叠，当支架完全展开时通过限位板进行限位，此时伸展油缸长度为350 mm，当支架折叠起来时油缸长度为270 mm。

(a) 展开图

支架展开机构的核心部分是计算支架展开所需要的力矩，伸展油缸对支架展开机构施加力矩等于支架展开所需要的力矩，可以求出伸展油缸的推力。根据旋转物体的力矩计算公式得

Mz=Jp·ρ

(3)

式中：Mz——展开支架需要的力矩，N·m；

Jp——支架的转动惯量，kg·m2；

ρ——支架转动的角加速度，rad/s2。

在支架展开机构折叠图5(b)中，Cz为油缸活塞杆铰接点，Oz为左侧支架与中央支架的铰接点，lz为OzCz距离，f为油缸推力，fx为f在OzCz平行方向的分力，fy为f在OzCz垂直方向的分力，根据力矩公式可以求出油缸对支架展开机构的力矩

Mf=fy·lz

(4)

在支架初始展开时所需要的力矩最大，已知支架重量为90 kg，初始角加速度为0.18 rad/s2，则展开支架所需要的力矩为86.4 N·m。令Mf=Mz，得出伸展油缸在OzCz垂直方向的分力为2 009 N，此时OzCz平行方向的分力与油缸推力的夹角为26°，得出伸展油缸推力为2 237 N。

3.3 分段式高度调节机构

分段式高度调节机构主要由电动推杆、剪叉机构、底部喷杆支架、挂接支架组成，如图6所示。剪叉机构主要由两组叉臂和众多销轴等部件组成，每组叉臂通过中间铰接点铰接，同时两端分别与另一组叉臂和支架上的铰接点铰接，电动推杆伸出推动剪叉机构拉伸，喷杆支架下降，液压缸缩回带动剪叉机构压缩，喷杆支架上升。底部喷杆支架由槽钢、方管等组成，通过管架与喷杆连接；挂接支架由方管、板件等焊接制成，通过U型螺栓与三段式支架挂接。

图6 分段式高度调节机构

根据机构学中的原理：两根等长的杆在中心点铰接时，随着两个杆件夹角的变化，对应杆端的连线始终不变并保持平行，并与相邻杆端的连线垂直。根据这一原理设计制作的剪叉机构具有结构简单、维护方便、便于制作等优点[16-17]。

剪叉机构的垂直行程与其宽度和层数有关，根据大豆玉米带状复合种植模式的农艺要求，剪叉机构的宽度已经确定，所以通过增加剪叉机构的层数来增加垂直行程。根据式(5)，可以求出剪叉机构的行程与叉数的关系。

(5)

式中：n——叉数；

LX——剪叉机构垂直行程，mm；

LD——剪叉机构最低高度，mm；

R——剪叉臂长度的一半，mm；

ξ——剪叉机构最大剪叉角度，(°)。

已知剪叉机构宽500 mm，剪叉臂在5°时达到最大宽度，选择剪叉臂长475 mm。根据玉米大豆的高度差，本文选择双层剪叉机构。双层剪叉机构的运动分析如图7所示，实线表示剪叉臂，A、E为剪叉机构的固定铰点，B、F为可滑动的铰点，G、H为耳板与剪叉臂的连接点，I、J为耳板与电动推杆的铰点。剪叉臂与水平方向夹角为α，耳板与剪叉臂的安装角分别为β1、β2，HJ距离为l1，GI距离为l2，O1H的距离为a，O2G的距离为b，剪叉臂长2R。剪叉臂两端通过铰点相连，每节剪叉臂分为内叉外叉，内叉外叉形成剪刀叉，通过中间铰点相连，中间铰点位于剪叉臂中心。

图7 双层剪叉机构简化模型

电动推杆的拉力计算是剪叉机构设计的核心部分，由于剪叉机构是由多个杆组成的桁架系统，一般利用虚位移原理对剪叉机构进行受力分析。由于A点和E点是相对的，以点A为坐标原点，AB为X轴，AC为Y轴建立直角坐标系，求各关键点的坐标和虚位移。

(6)

(7)

式中： Δyw——框架自重作用点虚位移；

ΔyP——各层剪叉臂自重作用点虚位移；

ΔxI——I点在X方向上的虚位移；

ΔyI——I点在Y方向上的虚位移；

ΔxJ——J点在X方向上的虚位移；

ΔyJ——J点在Y方向上的虚位移。

设在I点处，X方向的微位移与X、Y方向微位移的合位移的夹角为δ，Y方向的微位移与X、Y方向微位移的合位移的夹角为θ，则可以得出

(8)

由虚位移原理得

-PΔyw-P1ΔyP+FcosδΔxI+FsinδΔyI-FcosθΔxJ-FsinθΔyJ=0

(9)

式中：P——底部喷杆支架自重，N；

P1——剪叉臂自重，N；

F——电动推杆拉力，N。

已知底部喷杆支架自重为15 kg，剪叉臂自重为8 kg，高度调节行程为68 mm，剪叉臂长度为475 mm，剪叉机构的起升角度为5°，代入式(9)得电动推杆拉力为300.64 N。

3.4 油缸选型

油缸是喷杆组成的重要部分，统一升降机构和展开机构都依靠油缸提供动力，实现喷杆的上下移动和左右展开。油缸的基本参数由有缸径、杆径、行程、安装尺寸、工作压力等。其中最重要的是缸径、行程和使用压力。确定好负载后，使用压力可以根据表2进行选择。

表2 油缸工作压力选型Tab. 2 Selection of working pressure of oil cylinder

负载和工作压力确定后，根据式(10)求出受力面积St，再根据受力面积计算出油缸缸径Dt。

Ft=PySt

(10)

式中：Ft——油缸负载，kg；

Py——油缸工作压力，kg/cm2。

然后求油缸的杆径，一般油缸工作压力小于10 MPa，杆径取缸径的一半。根据上文所计算的油缸参数，因此选择伸展油缸的参数为：行程100 mm，缸径40 mm，杆径20 mm，负载为1 t；选择升降油缸的参数为：行程200 mm，缸径50 mm，杆径25 mm，负载为1 t。

4 试验与结果分析

为验证所设计的分段式喷杆的运行情况和性能，于2022年10月在临沂市某公司对大豆玉米复合种植喷杆的实际作业效果进行试验。选用3WP-1000GS高地隙施药机为试验平台，将施药机停放在无遮挡物的平坦水泥地面上进行试验，如图8所示。

图8 3WP-1000GS高地隙施药机

4.1 试验方法

喷杆高度调节的准确度、调节范围是反映分段式喷杆性能的重要指标之一。为测试喷杆的高度调节范围和各分段式调节机构的一致性，本文首先测量四杆升降机构的高度调节范围以及高度调节时间，为保证数据的精确度共测量3次；然后依次测量五个分段式高度调节机构的高度调节范围和高度调节时间，每个分段式高度调节机构测量3次。

首先将激光雷达安装在四杆升降机构的前横梁下方，如图9所示，将四杆升降机构下降到最低高度开始测量喷杆离地高度，手动操作升起四杆升降机构直至四杆升降机构达到最高处，通过串口读取激光测距传感器的数据，保存测量数据重复上述步骤3次。然后激光雷达安装到分段式高度调节机构的底部喷杆支架上，将分段式高度调节机构下降到最低高度，缓慢提升到最高高度，通过激光雷达测量分段式高度调节机构最低和最高离地高度，重复上述步骤3次。采用上述方法依次测量其余分段式高度调节机构的高度调节范围和调节时间。本文采用的激光雷达为TF02-Pro，其测距范围为0.1～40 m，重复精度小于2 cm。

图9 激光雷达安装

4.2 结果与分析

试验结果如表3、表4所示，四杆升降机构的调节范围为120 cm，最高离地高度可以达到162 cm，最低离地高度为42 cm，符合设计要求，并且3次高度调节范围基本相同，表明四杆升降机构具有良好的稳定性和可靠性，能够满足玉米和大豆田间施药的要求。分段式高度调节机构的高度调节范围为68 cm，五组分段式高度调节机构的高度调节绝对偏差最大值为-0.73 cm，相对偏差最大值为-1.08%。各分段式高度调节机构可调节高度范围大，偏差小，表明各分段式高度调节机构具有良好的一致性，能够满足大豆玉米带状复合种植模式下田间喷雾喷头与作物距离一致的需求。

表3 四杆升降机构高度调节试验结果Tab. 3 Height adjustment test results of four bar lifting mechanism

表4 分段式高度调节机构高度调节试验结果Tab. 4 Height adjustment test results of segmented height adjustment mechanism

图10(a)为四杆升降机构高度调节过程，图10(b)为分段式高度调节机构高度调节过程。由图10(a)可知四杆升降机构可以在7 s内完成从最低高度升到最高高度，并且上升曲线光滑，表明可以很快地完成高度调节，且高度调节过程流畅无卡滞。由图10(b)可知分段式高度调节机构在15 s内完成高度调节，并且上升曲线光滑，表明分段式高度调节机构具有良好的一致性并且高度调节过程流畅无卡滞，高度调节效果稳定可靠，能够满足工作需求。

(a) 四杆升降机构调节过程

5 结论

1) 针对大豆玉米带状复合种植模式下大豆与玉米植株在生长过程中高度差较大，为保证相同的喷雾高度，为此采用机电液一体化控制方法，设计了用于高地隙喷杆喷药机的每段高度可调的分段式喷杆高度调节机构和控制系统。

2) 根据喷杆整体升降高度要求，对四杆升降机构进行设计与计算，确定升降杆长度为850 mm，升降油缸行程为200 mm，缸径为50 mm，杆径为25 mm，负载为1 t。根据大豆玉米带状复合种植喷雾需求，设计了分段式高度调节机构，对分段式高度调节机构进行设计与计算，确定剪叉臂长度为475 mm，电动推杆的行程为100 mm，最大推力为1 000 N，速度为10 mm/s。

3) 试验结果表明：四杆升降机构的调节范围为120 cm，最高离地高度可以达到162 cm，最低离地高度为42 cm，高度调节过程流畅无卡滞，符合设计要求，能够满足玉米和大豆田间喷药的要求。分段式高度调节机构的高度调节范围为68 cm，五组分段式高度调节机构的高度调节范围绝对偏差最大值为-0.73 cm，相对偏差最大值为-1.08%。各分段式高度调节机构可调节高度范围大，具有良好的一致性，高度调节过程流畅无卡滞，能够满足大豆玉米带状复合种植模式下田间喷雾喷头与作物距离一致的需求。