宋 云，李永奎，張麗君,李 芳

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 沈陽 110161)

0 引言

隨著土地經(jīng)營模式的改變，勞動強度大、工作效率低的手動式噴霧器逐步被機動噴霧機替代，植保機械開始向自動化方向發(fā)展。目前，寬幅度農(nóng)業(yè)機械需求量越來越大，特別是不需要大功率的寬幅度噴桿式噴霧機發(fā)展更為迅猛[1]。常用的噴桿式噴霧機都在12m以上，甚至可達42m[2-3]。噴桿式噴霧機具有效率高、作業(yè)質(zhì)量好、污染少及節(jié)省勞動力等特點，不僅可以應(yīng)用于作物的病蟲害防治，還可廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物播種前期的土壤土質(zhì)處理等方面，是一種理想化的大田作業(yè)機械[4-6]。

本文綜述大幅寬噴桿式噴霧機的結(jié)構(gòu)形式，分析不同結(jié)構(gòu)形式噴霧機的性能特點，試圖從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計角度尋找一種操作結(jié)構(gòu)簡單、總體質(zhì)量小、控制方便的大幅寬噴桿式噴霧機的基本機構(gòu)，為高度、仰角可調(diào)節(jié)，并可以折疊的噴桿式噴霧機的設(shè)計提供必要的參考。

1 噴霧機噴桿折疊方式及結(jié)構(gòu)

1.1 噴桿折疊方式

一般情況下，當(dāng)噴桿式噴霧機半邊噴幅小于2～3m時，噴桿可以不需要折疊；但由于噴幅較窄，只適用于小面積耕地作業(yè)，不能滿足農(nóng)作物大面積作業(yè)的需求。當(dāng)整機的噴桿幅度超過6～7m時，必須采取折疊方式，其優(yōu)點是不工作時能夠方便噴霧機運輸，防止噴桿末端被障礙物刮碰，避免噴桿折損[7]。

噴桿式噴霧機的噴桿通?？煞譃椴豢烧郫B、水平折疊、立式折疊、兩側(cè)折疊及伸縮5種形式。噴桿水平和立式折疊方式是將折疊后的噴桿放置在機車尾部。水平折疊方式采用2個關(guān)節(jié)對噴桿進行折疊支撐，實物圖如圖1所示。立式折疊方式通常采用1個關(guān)節(jié)對噴桿進行折疊支撐，實物圖如圖2所示。兩側(cè)折疊方式是將折疊后的噴桿放置在機車兩側(cè)，采用4關(guān)節(jié)對噴桿進行折疊支撐，實物圖如圖3所示。噴桿伸縮折疊形式一般不需要采用關(guān)節(jié)鉸接設(shè)計。噴桿折疊后能夠減少噴桿橫向所占的面積，方便道路運輸和放入倉庫保存。立式折疊方式一般會增加整機的高度，致使噴霧機道路運輸?shù)耐ㄟ^性相對較差，伸縮折疊會增加整機設(shè)計和操控的難度，水平折疊和兩側(cè)折疊的整機運輸通過性相對較好，目前這類機型使用較多。

圖1 噴桿水平折疊方式Fig.1 The level folding way of boom

圖2 噴桿立式折疊方式Fig.2 The vertical folding way of boom

圖3 噴桿兩側(cè)折疊方式Fig.3 The bilateral folding way of boom

1.2 噴桿結(jié)構(gòu)

目前，噴桿式噴霧機的噴桿主要使用普通型鋼、鋁型材、玻璃鋼、普通塑料等材料。材料對噴桿的力學(xué)性能和使用壽命有顯著影響。

噴桿材料采用普通型鋼，其塑形和韌性好，鋼結(jié)構(gòu)更接近于勻質(zhì)和各向同性，制造簡便、價格便宜；缺點主要是容易失穩(wěn)，質(zhì)量較大且不耐腐蝕[8]。鋁型材比常用金屬的密度小，質(zhì)量更輕且可塑性更強，生產(chǎn)性和化學(xué)性能較好，有很強的耐腐蝕性，沒有污染和毒性；但彈性模量低、抗疲勞性差[9]。玻璃鋼是一種纖維強化塑料，具有輕質(zhì)高強，工藝性能優(yōu)良，可設(shè)計性好、耐腐蝕等優(yōu)點；缺點主要是容易老化，彈性模量低，及耐溫性差[10]。普通塑料的質(zhì)量較輕，加工特性好，強度大；但易老化、剛度小[11]。

噴桿式噴霧機的噴桿主要有單桿、桁架和斜拉懸吊等結(jié)構(gòu)形式。噴桿作業(yè)時的彈性變形又與噴桿本身的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系[12-13]。噴桿結(jié)構(gòu)的好壞是直接決定噴桿能否滿足不同工況下的作業(yè)強度的要求[14]。

單桿結(jié)構(gòu)通常可以是由一個桿件單獨組成，也可以是多個桿件鉸接或焊接組成。一般成平面直線布置，結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單，噴桿質(zhì)量較輕，操作控制比較方便。噴桿屬于弱阻尼的彈性體，單桿結(jié)構(gòu)的剛度較小，抗彎抗扭性能不易控制，容易產(chǎn)生振蕩等現(xiàn)象，更容易導(dǎo)致噴桿彈性變形[15]。實物圖如圖4所示。

圖4 單桿結(jié)構(gòu)Fig.4 The truss structure

桁架結(jié)構(gòu)通常由多個噴桿桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結(jié)構(gòu)，分為平面桁架和空間桁架兩種結(jié)構(gòu)。平面桁架噴桿的軸線和所受外力都在同一平面上，實物圖如圖5所示。

圖5 平面桁架結(jié)構(gòu)Fig.5 The square truss structure

空間桁架各噴桿的軸線和所受外力不在同一平面上，實物圖如圖6所示。噴桿的桁架一般由桿件組成三角形結(jié)構(gòu)或梯形結(jié)構(gòu)[16]，這樣能充分利用材料自身的強度來承受軸向拉力或壓力，以保護噴桿免于彈性變形；幅寬大時還能夠減輕噴桿的自重和增加桿件的剛度，因此更適合于大幅寬噴桿式噴霧機。鋼結(jié)構(gòu)桁架結(jié)構(gòu)是目前大幅度噴桿式噴霧機主要結(jié)構(gòu)形式

圖6 空間桁架結(jié)構(gòu)Fig.6 The space truss structure

斜拉懸吊結(jié)構(gòu)通常由噴桿、拉索和其他輔助結(jié)構(gòu)等組成，實物圖如圖7所示。該結(jié)構(gòu)可以使噴桿的彎矩減小，受力情況得到明顯改善，同時能夠降低噴桿的設(shè)計強度，減輕自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而節(jié)省制作原材料；但噴桿關(guān)節(jié)處使用拉索、彈簧等柔性件連接，會增加噴桿振動情況，導(dǎo)致噴桿作業(yè)時不太穩(wěn)定[17-18]。

圖7 斜拉懸吊結(jié)構(gòu)Fig.7 The cable-stayed suspension structure

2 噴桿式噴霧機控制及調(diào)整方式

為了能夠滿足對不同工況和不同農(nóng)作物的作業(yè)需求，噴桿式噴霧機需要根據(jù)實際情況進行控制及調(diào)整。其控制及調(diào)整方式主要有噴桿折疊伸縮、高度調(diào)節(jié)及仰角控制等。

2.1 噴桿折疊和伸縮操作

對于噴桿幅寬較小的噴霧機，噴桿通常為單桿結(jié)構(gòu)和簡單桁架結(jié)構(gòu)，可以采取不折疊的方式，這樣結(jié)構(gòu)相對簡單，適合于農(nóng)村小面積作業(yè)，勞動強度相對較低；但不能滿足農(nóng)場大面積作業(yè)要求。隨著設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，噴桿式噴霧機的噴桿能夠進行折疊伸縮操作來增加噴桿幅度，從而滿足田間大范圍作業(yè)需求。

2.1.1 噴桿折疊操作

噴桿折疊鉸接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案有很多，各有優(yōu)缺點,但都屬于機械式傳動結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)噴桿折疊操作的驅(qū)動動力元件的不同，將折疊操作形式分成3大類。

1)手工折疊操作。噴桿一般設(shè)計為3或5段式，左右噴桿關(guān)于中間噴桿對稱，噴桿需要人工折疊[19]，可以采取水平、立式、兩側(cè)等折疊方式。折疊原理是在噴桿鉸接處采用彈簧及其輔助折疊結(jié)構(gòu)進行定位折疊。手工折疊操作成本相對較低且結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，但工作時需要人工在田間完成操作，適用于窄幅噴桿(噴桿完全展開長度不超過8m)及升降高度變化不大的工況[20]。

2)電動推桿折疊操作。電動推桿本身包含電動機和其他機械設(shè)備，工作時運用的是電動方式，輸入電壓通常是12/24V，一般使用拖拉機自帶的直流電供電。通過操控駕駛室的開關(guān)來控制噴桿長度方向上所布置的電動推桿的推動和收縮，達到噴桿折疊的目的。采用電動推桿進行折疊操作能夠降低整機自身質(zhì)量，節(jié)省原材料，并且實現(xiàn)遠距離的精準控制[21]。噴桿通常采用斜拉懸吊結(jié)構(gòu)和立式折疊方式。

3) 液壓油缸折疊操作?，F(xiàn)階段噴桿的折疊操作通常采用液壓系統(tǒng)來進行控制，根據(jù)噴桿結(jié)構(gòu)形式的不同，又可以分成以下幾種情況。

(1)液壓+手工操作：噴桿一般為單桿或者桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計為5段式。其中，大臂的鉸接處采用液壓油缸進行折疊操作，小臂的折疊處采用人工操作，整機能夠?qū)崿F(xiàn)半智能化操作，適合于大幅度的噴桿式噴霧機。當(dāng)作業(yè)范圍不大時，噴霧可以分段控制，有時只需要控制噴桿大臂伸展，小臂不需要展開就能滿足作業(yè)需求[22]。這種操作方式能夠降低液壓油缸的使用數(shù)量及銷售成本，增加購買力。

(2)全液壓自動操作：對于桁架結(jié)構(gòu)的大幅寬噴桿，采用最多的折疊方式是兩側(cè)折疊。噴桿通常是多段式結(jié)構(gòu)，中間噴桿固定，左右噴桿關(guān)于中間噴桿對稱。在噴桿大臂和小臂鉸接處均采用液壓油缸進行噴桿折疊操作。其主要分成兩次折疊動作,完成折疊操作通常需要使用4個液壓油缸，每側(cè)有兩個液壓油缸分別控制噴桿大臂和小臂的折疊，噴桿大臂先完成90°折疊動作，噴桿小臂跟隨大臂完成180°折疊動作[23]。其自動化操作水平相對較高，能節(jié)省人力；但控制元件較多，系統(tǒng)復(fù)雜，造價高昂。

對于斜拉懸吊結(jié)構(gòu)的大幅寬噴桿，采用最多的是立式折疊方式，一般不采用水平折疊方式，因其設(shè)計和操作會相對困難。噴桿通常使用多段式結(jié)構(gòu)，液壓油缸通過鋼絲繩、繩輪和拉桿等控制兩側(cè)噴桿進行折疊與展開操作：當(dāng)噴桿展開時,斜拉繩一端受到噴桿的拉力,使得原先繞于繩筒上的斜拉繩伸出;當(dāng)噴桿回收時,斜拉繩會因平面卷形彈簧的彈力作用而繞回繩筒之上,從而實現(xiàn)斜拉鋼絲繩的可伸可縮。噴桿的剛性能夠進一步提升，但由于使用鋼絲繩結(jié)構(gòu)不能可靠地固定關(guān)節(jié)，噴桿容易顫動。另外，由于結(jié)構(gòu)和空間的原因還可能導(dǎo)致兩側(cè)噴桿展開和折疊不同步，對作業(yè)有影響。繩輪和鋼絲繩容易發(fā)生銹蝕，對噴霧機穩(wěn)定性有顯著影響[23-24]。

總之，采用機械式傳動結(jié)構(gòu)和液壓油缸結(jié)合的方式進行噴桿折疊操作能夠加強噴桿的平衡和其穩(wěn)定性，可以全自動化地對噴桿進行折疊操作，機械化水平高，操作方便，安全可靠性高，適合于大、中型噴桿式噴霧機。

2.1.2 噴桿伸縮操作

目前，對噴桿伸縮操作方式的研究還比較少，伸縮操作通常是采用錯位原理進行設(shè)計。南京林業(yè)大學(xué)的李振生等[25]提出了兩種噴桿伸縮操作方式：一種是由液壓系統(tǒng)控制，噴桿的伸縮機構(gòu)采用多極伸縮氣缸進行驅(qū)動，可以實現(xiàn)左側(cè)桿與右側(cè)桿同步縮進。雖然噴桿軸線錯位設(shè)計使左右側(cè)噴桿在對同一直線作物進行噴霧作業(yè)時有細微的時間差，但這并不影響作業(yè)效果。

除液壓系統(tǒng)控制外，還可以使用鏈式進行伸縮操作。其噴桿的伸縮操作采取鏈輪機構(gòu)的驅(qū)動控制完成，噴桿與鏈齒在特定點處通過鉸接件相連，靠鏈的傳動來起到導(dǎo)向作用，同時伸縮噴桿與支撐桿架通過鋼絲繩索定點連接，這樣桿架可以對伸縮噴桿起到支撐平衡的作用。噴桿伸縮操作可以根據(jù)實際農(nóng)作物的作業(yè)尺寸要求對噴桿伸長量進行相應(yīng)的控制改變，在運輸時通過噴桿縮進可以節(jié)省桿架橫向尺寸占有量，方便運輸；但設(shè)計相對復(fù)雜，控制相對困難。

2.2 噴桿高度調(diào)節(jié)

普通小型噴桿式噴霧機的噴桿高度通常固定不變，不需要進行調(diào)節(jié)；但不能隨著地勢的高度和作物生長高度而自動改變噴桿離地高度，工作適應(yīng)性較差，會影響農(nóng)藥噴霧量的均勻性和噴灑質(zhì)量，降低噴灑效率[26]。但其機構(gòu)設(shè)計簡單，不需要使用自動操控系統(tǒng)，成本較低，適合于對特定株高、特定地勢的農(nóng)作物進行作業(yè)。為了能滿足不同作物或相同作物不同生長時期的作業(yè)需求，實現(xiàn)更精確的噴霧高度，提高農(nóng)藥使用效率，減少農(nóng)藥損失，噴霧機需要能夠調(diào)節(jié)離地高度[28]。噴桿噴霧機大多都采用液壓系統(tǒng)進行高度調(diào)節(jié)，噴桿高度調(diào)節(jié)主要有以下幾種設(shè)計結(jié)構(gòu)。

1)平行四邊形懸架升降調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。該調(diào)節(jié)機構(gòu)主要組成部分是噴桿、平行四邊形懸掛機構(gòu)、液壓油缸和控制系統(tǒng)等，如圖8所示。通過驅(qū)動液壓油缸的行程使升降桿高度發(fā)生變化，噴桿高度隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。由于采用平行四邊形結(jié)構(gòu),底座固定以后,當(dāng)升降桿在液壓油缸的驅(qū)動下進行升降時,懸掛機構(gòu)另一端的噴桿連接件始終能夠與地面保持垂直狀態(tài)；當(dāng)噴桿系統(tǒng)懸掛在噴桿連接件上時,能保證噴頭噴灑方向始終垂直地面；當(dāng)噴霧機在起伏不平的地面進行噴霧作業(yè)時,噴桿不會前后擺動,能夠保證噴霧機良好的工作適應(yīng)性[28-30]。該結(jié)構(gòu)適用于大幅寬自走式噴桿噴霧機。

1.底座 2.升降桿 3.液壓油缸 圖8 平行四邊形升降機構(gòu)簡圖Fig.8 The draft of parallelogram concise machine

2)滑軌式升降調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。目前，懸掛式噴桿噴霧機大多都采用滑軌式升降調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，簡單的滑軌式升降調(diào)節(jié)機構(gòu)主要組成部分是活動件、固定懸架、液壓油缸和控制系統(tǒng)等，如圖9所示。當(dāng)噴桿高度需要調(diào)節(jié)時，可以自動改變液壓油缸的行程來控制活動件在滑軌里上下滑動，帶動噴桿活動件跟隨升降，以此達到控制噴桿高度的目的[31]。對于復(fù)雜的滑軌式噴霧機升降機構(gòu)通常還需要使用鋼繩、滑輪和其他機械結(jié)構(gòu)來進行操作[32]，能增強噴霧機的整機剛度，但噴霧機作業(yè)時的穩(wěn)定性可能會降低。

3)組合式升降調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。噴霧機的噴桿懸掛機構(gòu)主要是平行四邊形升降架，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動液壓油缸改變行程來實現(xiàn)噴桿懸掛機構(gòu)的升降。噴桿升降機構(gòu)主體采用滑軌式設(shè)計，能夠在噴桿懸掛升降系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進一步對噴桿進行升降；通過雙重作用，能夠使噴桿達到作業(yè)需求的準確高度，更能滿足作業(yè)需求，但設(shè)計相對復(fù)雜[33]。

4)噴霧機高度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)還可以采用剪叉升降結(jié)構(gòu)來進行調(diào)節(jié)，目前已經(jīng)有農(nóng)業(yè)機具正在采用這種結(jié)構(gòu)來進行高度調(diào)節(jié)，剪叉結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。通過液壓系統(tǒng)推動剪叉臂來精確地實現(xiàn)升降功能[34]，液壓油缸只需要很小的行程位移就能使噴桿高度發(fā)生很大的變化，變幅比例相對較大。另外，剪叉機構(gòu)有很好的承重性和平穩(wěn)性，且設(shè)計技術(shù)成熟，制造技術(shù)和質(zhì)量能夠達標。

1.下橫梁 2.導(dǎo)槽 3.連接板 4.連接梁 5.上橫梁 6.液壓鎖支架 圖9 滑軌式升降機構(gòu)簡圖Fig.9 The draft of slide track concise machine

圖10 剪叉式升降機構(gòu)Fig.10 The scissors lifting mechanism

2.3 噴桿仰角控制

噴桿式噴霧機在田間作業(yè)時，耕地大多凹凸不平，工況復(fù)雜多變，由路面起伏產(chǎn)生的外部激勵會導(dǎo)致噴桿發(fā)生不規(guī)則的傾斜和振動，有時會造成噴桿末端和噴頭觸地或刮碰農(nóng)作物，對噴桿造成損害，縮短噴桿使用壽命；同時，影響噴霧沉積分布均勻性，降低噴灑效率和質(zhì)量[35-36]。為了防止這種情況發(fā)生且不影響噴霧機正常作業(yè)，噴桿的仰角需要能夠自動進行角度調(diào)整。目前，噴桿仰角的調(diào)節(jié)主要由液壓系統(tǒng)控制，設(shè)計結(jié)構(gòu)相對較少。液壓油缸主要有兩種布置形式：一種形式是液壓油缸直接鉸接在噴桿大臂上，結(jié)構(gòu)簡圖如圖11所示；另一種形式是液壓油缸和噴桿大臂組成擺動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖12所示[29]。兩種調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)都是通過改變液壓油缸的行程來控制噴桿仰角發(fā)生變化。

1.噴桿大臂 2.液壓油缸 圖11 角度調(diào)節(jié)機構(gòu)簡圖Fig.11 The angle regulating mechanism diagram

1.噴桿擺動桿 2.擺動液壓油缸 3.噴桿大臂 圖12 擺動油缸調(diào)節(jié)角度Fig.12 Swing cylinder adjustment angle

3 存在的問題

1)噴桿采用鋼制桁架機構(gòu)，整機結(jié)構(gòu)笨重,浪費制作材料。

2)噴霧機的主體結(jié)構(gòu)形式比較單一，噴桿仰角調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計較少，大幅寬噴霧機控制元件過多，整機設(shè)計相對復(fù)雜，造價高昂。

3)設(shè)計及制造質(zhì)量粗糙，達不到規(guī)定標準，噴霧機使用壽命短。作業(yè)時，噴霧效果不理想，影響農(nóng)作物產(chǎn)量。

4 建議

1)采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動力學(xué)分析技術(shù)，優(yōu)化噴霧機結(jié)構(gòu)設(shè)計，減輕整機質(zhì)量；采用鋁型材、塑料等輕型材料制作噴桿，降低總質(zhì)量，節(jié)省材料。

2)采用多渠道設(shè)計豐富噴霧機結(jié)構(gòu)的設(shè)計形式，增加噴霧機調(diào)整方式；采用簡單操作機構(gòu)及先進控制技術(shù)，減少整機油缸和控制元件數(shù)量。

3)采用機械現(xiàn)代設(shè)計方法與理論，在總體動力學(xué)層面上進行分析設(shè)計，確保噴霧機動態(tài)性能穩(wěn)定；采用先進制造技術(shù)使整機制造質(zhì)量更加精細；采取數(shù)字 監(jiān)測與控制技術(shù)，實現(xiàn)整機自動化操作。

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