微型喷药机设计与试验研究.pdf

微 型 喷 药 机 设 计 与 试 验 研 究 李  锟 ， 付 亚 萍 ， 王 伟 全 ， 王 洪 臣 ， 郑 晓 培 （ 长 春 工 程 学 院 机 电 工 程 学 院 ， 长 春   ； 黑 龙 江 省 农 业 机 械 维 修 研 究 所 ， 哈 尔 滨   ） 摘  要 ： 为 了 提 高 三 轮 自 走 式 喷 药 机 运 行 平 稳 性 和 操 作 高 效 性 ， 设 计 了 以 万 向 节 转 向 机 构 和 可 调 式 车 架 等 组 成 的 小 型 自 走 式 喷 药 机 ， 并 对 喷 药 机 物 理 样 机 进 行 了 喷 头 施 药 量 、 施 药 幅 宽 、 喷 头 防 滴 性 能 及 田 间 运 行 恒 速 加 速 度 试 验 研 究 。 结 果 表 明 ： 小 型 自 走 式 喷 药 机 后 轮 桁 架 调 整 高 效 、 方 便 ， 田 间 运 行 稳 定 ， 未 发 生 转 弯 侧 翻 等 危 险 事 故 ， 施 药 性 能 和 田 间 运 行 性 能 均 满 足 小 规 模 农 田 施 药 作 业 要 求 。 本 研 究 对 指 导 农 民 实 际 生 产 和 提 高 植 物 保 护 技 术 具 有 重 要 的 参 考 价 值 。 关 键 词 ： 喷 药 机 ； 万 向 节 ； 车 架 ； 物 理 样 机 中 图 分 类 号 ：               文 献 标 识 码 ： 文 章 编 号 ： （ ）   引 言 我 国 地 域 辽 阔 ， 土 壤 肥 沃 ， 各 类 农 作 物 种 植 面 积 均 居 世 界 前 列 。 其 中 ， 玉 米 、 大 豆 水 稻 等 高 秆 农 作 物 一 直 是 我 国 东 北 地 区 的 主 要 经 济 作 物 ， 但 我 国 东 北 地 区 高 秆 农 产 品 的 产 量 和 质 量 却 远 远 落 后 植 保 技 术 先 进 的 农 业 发 达 国 家 。 其 中 ， 一 个 重 要 原 因 是 我 国 农 业 植 保 意 识 落 后 ， 缺 少 操 控 性 能 好 、 适 合 高 秆 作 物 中 后 期 病 虫 草 害 防 治 且 离 地 距 离 较 高 的 农 业 植 保 机 械 。   喷 药 机 总 体 结 构 及 工 作 原 理   技 术 要 求 以 适 应 最 大 离 地 高 度 高 秆 农 作 物 施 药 作 业 要 求 的 施 药 机 械 为 基 础 ， 设 计 了 动 力 配 置 前 置 前 驱 且 具 备 后 轮 轮 距 自 适 应 调 整 功 能 的 三 轮 自 走 式 高 地 隙 喷 药 机 ， 其 参 数 如 表 所 示 。 表  基 本 技 术 参 数   离 地 高 度 可 调 轮 距 幅 宽 最 高 速 度 最 高 施 药 速 度   总 体 结 构 在 充 分 分 析 当 前 国 内 外 高 地 隙 喷 药 机 发 展 现 状 收 稿 日 期 ： 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ ） ； 吉 林 省 科 技 厅 项 目 （ ） ； 长 春 工 程 学 院 青 年 基 金 项 目 （ ） 作 者 简 介 ： 李  锟 （ ） ， 男 ， 黑 龙 江 牡 丹 江 人 ， 助 理 实 验 师 ， 硕 士 ， （ ） 。 的 基 础 上 ， 以 传 统 三 轮 农 业 机 械 为 平 台 ， 设 计 一 款 适 合 农 民 家 庭 使 用 的 新 型 三 轮 自 走 式 高 地 隙 喷 药 机 ， 如 图 所 示 。 喷 药 机 主 要 由 柴 油 发 动 机 、 车 架 主 体 、 高 度 可 调 式 施 药 架 、 后 轮 调 整 机 构 、 车 轮 、 施 药 药 箱 、 动 力 转 向 机 构 、 变 速 箱 、 转 向 机 构 、 施 药 泵 及 施 药 管 路 等 组 成 。 其 中 ， 施 药 泵 是 施 药 系 统 动 力 的 主 要 来 源 。 为 此 ， 设 计 了 借 助 发 动 机 飞 轮 提 供 动 力 的 隔 膜 泵 动 力 传 动 部 分 ， 如 图 所 示 。 发 动 机   车 架   可 调 式 施 药 架   后 轮 调 整 机 构 药 箱   万 向 节 动 力 转 向 机 构   变 速 箱   施 药 泵 图  微 型 喷 药 机 结 构   图  隔 膜 泵 动 力 传 动 系 统     工 作 原 理 当 喷 药 机 驶 入 目 标 工 作 区 域 后 ， 向 药 箱 中 注 入 规 年 月                           农 机 化 研 究                                第 期 定 剂 量 的 药 液 ， 依 据 作 业 区 的 实 际 田 间 垄 沟 距 离 ， 调 整 车 架 后 轮 轮 距 （ 为 保 证 喷 药 机 田 间 运 行 平 稳 及 扩 大 施 药 面 积 ） ； 根 据 田 间 施 药 范 围 ， 将 可 调 式 施 药 架 展 开 并 调 整 到 合 适 的 施 药 高 度 后 ， 启 动 发 动 机 和 施 药 系 统 ， 开 始 对 目 标 施 药 区 域 进 行 施 药 作 业 ； 待 田 间 施 药 结 束 后 ， 关 闭 施 药 系 统 ， 行 驶 出 施 药 区 域 ， 关 闭 发 动 机 ， 并 将 可 调 式 施 药 架 收 拢 和 后 轮 轮 距 调 整 到 道 路 行 驶 状 态 ， 完 成 田 间 施 药 工 作 。 喷 药 机 的 道 路 行 驶 和 田 间 施 药 状 态 如 图 所 示 。 图  微 型 喷 药 机 工 作 状 态     主 要 部 件 结 构 传 统 的 三 轮 自 走 式 喷 药 机 运 行 时 稳 定 性 能 差 ， 后 轮 轮 距 调 整 不 方 便 ， 常 发 生 转 弯 整 车 侧 翻 的 事 故 。 为 此 ， 本 文 设 计 了 动 力 转 向 机 构 及 可 调 式 车 架 和 后 轮 轮 距 调 整 机 构 等 主 要 结 构 ， 改 善 了 三 轮 自 走 式 喷 药 机 性 能 。 其 主 要 问 题 和 原 因 分 析 如 表 所 示 。 表  喷 药 机 主 要 问 题   常 见 问 题 主 要 原 因 解 决 机 构 运 行 稳 定 性 差 发 生 侧 翻 事 故 喷 药 机 运 行 或 转 弯 时 ， 发 动 机 等 动 力 装 置 始 终 随 其 转 动 ， 使 重 心 连 续 改 变 ， 导 致 运 行 不 稳 。 动 力 转 向 机 构 轮 距 调 整 不 便 喷 药 机 车 体 较 重 ， 且 后 轮 的 轮 距 调 整 为 车 轮 直 接 横 向 移 动 ， 摩 擦 阻 力 大 。 可 调 式 车 架 后 轮 转 向 机 构   动 力 转 向 机 构 针 对 传 统 的 三 轮 自 走 式 喷 药 机 运 行 时 稳 定 性 能 差 及 经 常 发 生 转 弯 侧 翻 的 问 题 。 以 十 字 轴 万 向 节 为 基 础 ， 设 计 了 输 入 动 力 方 向 始 终 不 变 、 输 出 动 力 自 由 转 动 的 万 向 节 动 力 转 向 机 构 。 其 中 ， 动 力 转 向 机 构 主 要 由 轴 承 、 固 定 轴 承 座 、 转 动 轴 承 座 、 十 字 轴 式 万 向 节 及 传 动 链 轮 等 组 成 ， 如 图 所 示 。 工 作 时 ， 动 力 由 发 动 机 输 出 ， 传 递 到 变 速 箱 ， 由 变 速 箱 链 轮 输 出 动 力 ； 变 速 箱 动 力 传 递 到 动 力 转 向 机 构 的 输 入 链 轮 ， 通 过 十 字 轴 万 向 节 传 递 到 输 出 链 轮 ； 输 出 链 轮 动 力 传 递 到 驱 动 轮 链 轮 ， 从 而 驱 动 车 轮 运 动 。 其 中 ， 动 力 传 递 方 案 对 比 示 意 图 如 图 所 示 。 固 定 轴 承 座   输 入 链 轮   十 字 轴 万 向 节 转 动 轴 承 座   输 出 链 轮 图  动 力 转 向 机 构   图  动 力 传 递 示 意 图     可 调 式 车 架 三 轮 自 走 式 高 底 盘 喷 药 机 车 架 是 整 机 装 备 的 基 础 ， 也 是 保 证 结 构 紧 凑 性 的 关 键 。 为 扩 大 单 机 作 业 效 率 ， 以 原 有 车 架 为 基 础 ， 提 出 以 中 心 桁 架 和 可 调 整 式 后 桁 架 为 主 要 结 构 的 可 调 式 车 架 ， 如 图 所 示 。 中 心 桁 架   可 调 式 后 桁 架 图  可 调 式 车 架 结 构   车 架 主 体 采 用 空 心 圆 钢 和 方 钢 搭 建 ， 在 保 证 车 架 总 体 结 构 强 度 、 刚 度 要 求 的 前 提 下 ， 尽 可 能 减 轻 车 架 质 量 ； 中 心 桁 架 以 空 心 圆 钢 为 基 础 ， 有 效 地 保 证 整 机 的 有 效 承 载 能 力 ； 后 桁 架 为 内 外 嵌 入 式 空 心 方 钢 结 构 ， 且 外 部 方 钢 内 配 备 有 双 向 导 轨 ， 在 有 效 范 围 内 可 以 实 现 后 轮 轮 距 的 单 向 或 双 向 移 动 。 工 作 时 ， 可 调 式 后 桁 架 左 右 两 侧 移 动 ， 工 作 结 束 时 ， 可 调 式 后 桁 架 移 动 到 道 路 行 驶 状 态 ， 从 而 最 大 限 年 月                           农 机 化 研 究                                第 期 度 地 扩 大 作 业 面 积 和 保 障 行 车 安 全 。   后 轮 调 整 机 构 针 对 传 统 三 轮 自 走 式 喷 药 机 后 轮 轮 距 调 整 不 方 便 问 题 ， 以 万 向 轮 结 构 为 基 础 ， 设 计 了 以 滚 动 摩 擦 代 替 传 统 的 滑 动 摩 擦 的 后 轮 轮 距 调 整 机 构 。 后 轮 轮 距 调 整 机 构 主 要 由 后 轮 车 架 、 紧 固 圆 螺 母 、 固 定 螺 栓 和 轮 胎 等 组 成 ， 如 图 所 示 。 后 轮 车 架   紧 固 螺 母   固 定 螺 栓   轮 胎 图  后 轮 轮 距 调 整 机 构   工 作 时 ， 依 据 实 际 作 业 区 域 垄 沟 间 距 ， 转 动 后 轮 调 整 机 构 调 整 后 轮 轮 距 。   物 理 样 机 装 配 与 试 验 研 究   物 理 样 机 以 三 轮 自 走 式 喷 药 机 装 配 调 试 后 物 理 样 机 为 研 究 对 象 ， 对 其 施 药 系 统 及 整 机 性 能 进 行 试 验 研 究 。 物 理 样 机 如 图 所 示 。 图  物 理 样 机     性 能 试 验   针 对 喷 头 喷 药 量 的 试 验 ） 试 验 所 用 器 材 ： 秒 表 、 电 子 秤 和 量 杯 。 ） 试 验 所 用 材 料 ： 水 。 ） 物 理 样 机 装 配 的 个 独 立 喷 头 ， 采 用 了 左 右 对 称 的 布 置 方 式 ， 计 划 将 单 侧 个 独 立 喷 头 定 位 为 本 次 试 验 的 研 究 对 象 。 按 照 图 的 布 置 ， 分 别 调 节 施 药 压 力 ， 并 将 其 设 定 为 、 、 、 、 、 、 ； 将 喷 头 所 滴 出 液 滴 采 集 后 放 入 量 杯 中 ， 时 间 间 隔 设 定 为 ， 并 将 所 取 得 的 溶 液 放 于 电 子 秤 上 记 录 质 量 。 按 照 上 述 方 法 独 立 重 复 试 验 次 ， 并 计 算 出 结 果 的 平 均 值 ， 试 验 测 得 的 每 个 喷 头 施 药 量 数 据 状 况 如 表 及 图 所 示 。 图  施 药 量 测 试 试 验   表  施 药 量 测 试                                                     喷 头 压 力 号 号 号 号 号 均 值 年 月                           农 机 化 研 究                                第 期 续 表 喷 头 压 力 总 体 标 准 偏 差 变 异 系 数 图  施 药 量 与 变 异 系 数   通 过 对 图 中 的 数 据 进 行 分 析 可 得 ： 当 系 统 的 压 力 逐 渐 上 升 ， 喷 头 的 施 药 量 也 同 时 会 提 高 ； 在 压 力 设 定 值 情 况 下 ， 系 统 的 施 药 量 变 异 系 数 仅 为 （ 即 为 最 小 值 ） ， 此 时 喷 药 机 的 施 药 量 最 稳 定 。   针 对 喷 药 机 幅 宽 的 测 试 ） 试 验 所 需 仪 器 ： 粉 笔 、 米 尺 。 ） 试 验 所 需 材 料 ： 水 。 ） 图 为 喷 药 机 的 喷 药 工 作 情 况 。 通 过 对 喷 药 架 位 置 进 行 调 整 ， 将 喷 头 与 地 面 距 离 调 节 为 ， 对 喷 头 的 施 药 压 力 进 行 设 置 ， 并 将 压 力 分 别 调 整 到 、 、 、 、 、 、 的 条 件 下 ， 将 隔 膜 泵 开 启 同 时 进 行 标 准 的 施 药 作 业 ； 观 察 喷 药 情 况 并 在 喷 出 的 液 滴 最 大 范 围 处 做 标 上 记 号 ， 然 后 将 隔 膜 泵 关 闭 ， 并 用 米 尺 测 量 对 标 记 点 距 离 进 行 测 量 ， 即 得 到 喷 幅 值 ； 将 此 试 验 独 立 重 复 次 ， 将 所 得 到 的 数 值 计 算 出 平 均 值 ， 次 试 验 所 得 到 的 喷 药 机 的 幅 宽 情 况 如 表 及 图 所 示 。 图  喷 药 机 幅 宽 测 试 示 意 图   表  喷 药 机 幅 宽 测 试 结 果                                                 喷 头 压 力 号 号 号 号 号 均 值 总 体 标 准 偏 差 变 异 系 数 年 月                           农 机 化 研 究                                第 期 图  喷 幅 与 变 异 系 数   喷 头 喷 出 的 药 液 为 扇 形 ， 药 液 所 形 成 的 角 度 值 为 ， 喷 头 工 作 时 与 地 面 的 距 离 为 。 通 过 计 算 可 知 ： 单 个 喷 头 所 能 喷 出 药 液 所 达 到 的 水 平 宽 度 约 为 ， 进 而 得 到 喷 药 机 的 幅 宽 为 。 通 过 表 可 知 ： 当 施 药 压 力 在 之 间 时 ， 喷 药 机 实 际 工 作 的 喷 幅 为 ， 此 时 小 于 理 论 计 算 所 得 喷 幅 。 出 现 这 种 情 况 的 原 因 是 ： 由 于 通 过 理 论 计 算 所 得 的 喷 幅 工 况 为 施 药 系 统 的 喷 杆 保 持 完 全 水 平 的 状 态 ， 但 在 实 际 工 作 状 态 下 由 于 重 力 及 环 境 因 素 的 影 响 ， 喷 杆 很 难 完 全 保 持 水 平 的 状 态 ， 机 器 行 进 中 架 体 和 喷 杆 都 不 可 避 免 地 产 生 弯 曲 和 震 动 等 现 象 ， 因 此 就 出 现 了 喷 药 机 实 际 工 作 喷 幅 略 小 于 理 论 计 算 喷 幅 的 现 象 。 由 图 可 知 ： 喷 药 机 的 幅 宽 与 施 药 压 力 大 小 成 线 性 关 系 ； 在 系 统 的 压 力 值 设 置 为 时 ， 喷 药 机 的 幅 宽 为 ， 幅 宽 变 异 系 数 此 时 最 小 ， 仅 为 ， 喷 药 机 在 这 种 情 况 下 幅 宽 最 稳 定 。   针 对 喷 头 防 滴 性 能 进 行 的 测 试 ） 试 验 所 需 的 仪 器 ： 量 杯 、 秒 表 。 ） 试 验 所 需 材 料 ： 水 。 ） 试 验 对 喷 药 机 的 喷 头 进 行 防 滴 测 试 ， 意 在 检 测 喷 头 是 否 存 在 滴 漏 现 象 ， 喷 灌 压 力 的 调 节 范 围 在 之 间 。 试 验 开 始 前 ， 需 要 先 将 截 止 阀 关 闭 ， 然 后 对 时 间 内 每 个 喷 头 所 滴 下 的 液 滴 数 进 行 统 计 。 将 试 验 重 复 做 此 取 平 均 值 ， 可 得 ： 在 不 同 的 喷 灌 压 力 条 件 下 ， 所 统 计 出 的 产 生 液 滴 喷 头 的 数 量 ， 低 于 中 所 要 求 的 “ 产 生 滴 漏 的 喷 头 数 量 不 大 于 个 ， 每 个 喷 头 在 内 滴 漏 的 液 滴 数 量 不 大 于 滴 ” 的 要 求 。 喷 头 防 滴 性 能 进 行 的 测 试 结 果 说 明 ： 本 设 计 的 系 统 防 滴 的 性 能 符 合 国 家 相 关 要 求 。 总 之 ， 本 设 计 的 轻 型 自 走 式 喷 药 机 的 最 佳 施 药 压 力 值 为 ， 并 且 在 压 力 值 为 使 喷 药 机 的 施 药 量 、 防 滴 性 能 、 幅 宽 均 能 达 到 理 想 的 状 态 ， 满 足 最 初 要 求 。   喷 药 机 的 田 间 工 作 试 验 为 了 对 上 述 的 理 论 设 计 和 计 算 进 行 验 证 ， 以 自 走 式 喷 药 机 的 物 理 样 机 为 对 象 进 行 实 际 研 究 ， 选 择 了 合 适 的 农 作 物 进 行 了 喷 药 机 田 间 工 作 性 能 的 测 试 。   喷 药 机 的 恒 速 试 验 喷 药 机 的 恒 速 试 验 主 要 为 了 验 证 喷 灌 机 在 各 种 的 恒 定 的 车 速 之 下 ， 喷 药 机 施 药 系 统 实 际 施 药 量 的 相 应 变 化 情 况 。 试 验 中 选 取 喷 药 机 的 作 业 速 度 分 别 为 ， 即 、 、 、 的 情 况 下 进 行 试 验 。 喷 药 机 的 幅 宽 为 ， 试 验 的 行 进 距 离 为 ， 试 验 中 设 定 的 施 药 压 力 为 。 将 试 验 重 复 做 次 ， 将 取 得 的 结 果 取 平 均 值 ， 得 到 恒 速 试 验 数 据 如 表 所 示 。 表  喷 药 机 的 工 作 性 能 试 验 结 果   工 况 速 度 加 速 度 理 论 施 药 量 实 际 施 药 量 平 均 误 差 恒 速 恒 速 恒 速 恒 速 加 速 加 速   喷 药 机 的 加 速 度 试 验 喷 药 机 在 真 实 的 作 业 情 况 下 ， 其 工 作 的 运 行 速 度 并 不 是 恒 定 的 ， 运 行 速 度 的 不 断 变 化 对 实 际 施 药 的 影 响 非 常 明 显 。 由 于 喷 药 机 在 作 业 过 程 中 速 度 的 变 化 量 较 小 ， 加 速 度 通 常 在 之 下 。 试 验 设 计 临 界 加 速 度 值 为 和 的 工 况 条 件 ， 喷 药 机 工 作 幅 宽 为 ， 试 验 行 进 的 距 离 为 ， 试 验 的 施 药 压 力 为 。 将 此 试 验 重 复 做 次 ， 对 试 验 结 果 取 平 均 值 ， 可 得 加 速 度 试 验 的 相 关 数 据 如 表 所 示 。 通 过 喷 药 机 样 机 的 田 间 试 验 及 表 的 数 据 分 析 可 得 ： 喷 药 机 样 机 的 田 间 运 行 稳 定 ， 转 弯 情 况 灵 活 、 可 靠 ， 且 并 未 发 生 转 弯 时 的 翻 车 现 象 ， 后 轮 的 轮 距 调 整 能 够 满 足 高 效 、 省 力 的 基 本 要 求 ； 施 药 系 统 和 整 机 速 度 匹 配 的 误 差 在 范 围 以 内 ， 能 够 满 足 最 初 设 计 要 求 （ 速 度 与 施 药 量 匹 配 误 差 要 求 不 大 于 年 月                           农 机 化 研 究                                第 期 ） ， 因 此 可 知 设 计 合 理 。   结 论 小 型 自 走 式 高 地 隙 喷 药 机 的 最 大 离 地 间 隙 为 ， 有 效 放 入 施 药 幅 宽 为 ， 完 全 能 够 满 足 小 规 模 的 田 间 施 药 作 业 的 要 求 。 其 中 ， 万 向 节 动 力 转 向 机 构 能 够 有 效 地 避 免 三 轮 前 置 前 驱 喷 药 机 在 田 间 运 行 时 稳 定 性 差 的 问 题 ； 后 轮 调 整 机 构 的 设 计 能 够 改 善 后 轮 轮 距 调 整 不 方 便 的 问 题 。 田 间 试 验 表 明 ： 喷 药 机 工 作 压 力 在 时 能 取 得 最 佳 的 施 药 效 果 ， 这 时 喷 药 机 在 施 药 量 、 幅 宽 及 喷 头 防 滴 性 能 等 方 面 表 现 最 佳 ； 且 喷 药 机 速 度 与 施 药 系 统 之 间 的 匹 配 误 差 能 控 制 在 范 围 之 内 ， 符 合 最 初 的 设 计 要 求 。 参 考 文 献 ：  薛 飞 ， 卢 景 忠 ， 赵 佳 ， 等 型 自 走 式 高 秆 作 物 施 肥 喷 药 机 的 研 究 农 机 化 研 究 ， ， （ ） ：  林 立 恒 ， 侯 加 林 ， 吴 彦 强 ， 等 高 地 隙 喷 杆 喷 雾 机 研 究 和 发 展 趋 势 中 国 农 机 化 ， （ ） ：  李 锟 ， 王 洪 臣 ， 郑 晓 培 ， 等 微 型 喷 药 机 构 型 设 计 与 仿 真 分 析 农 机 化 研 究 ， ， （ ） ：  李 锟 高 地 隙 喷 药 机 设 计 及 其 变 量 施 药 系 统 研 究 哈 尔 滨 ： 哈 尔 滨 理 工 大 学 ，  许 超 ， 陈 永 成 ， 李 瑞 敏 ， 等 高 架 喷 雾 机 底 盘 的 结 构 设 计 农 机 化 研 究 ， ， （ ） ：  杨 方 飞 ， 韩 小 进 ， 段垚 奇 ， 等 高 地 隙 喷 杆 喷 雾 机 底 盘 可 靠 性 试 验 农 业 机 械 学 报 ， ， （ ） ：  王 潇 楠 ， 何 雄 奎 ， ， 等 喷 杆 式 喷 雾 机 雾 滴 飘 移 测 试 系 统 研 制 及 性 能 试 验 农 业 工 程 学 报 ， ， （ ） ：  张 以 升 ， 朱 德 兰 ， 张 林 ， 等 平 移 式 喷 灌 机 行 走 速 度 及 喷 灌 均 匀 度 试 验 研 究 排 灌 机 械 工 程 学 报 ， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ） ： ，- - ， ， ， ，- ， ， ： ； ； ； 年 月                           农 机 化 研 究                                第 期