機采棉靜電噴霧機的設計及關鍵部件仿真分析

肖靖毅 葛云 韓丹丹 楊衛(wèi)鋒

摘要：針對機采棉脫葉催熟劑噴灑效果不理想的問題，運用靜電噴霧原理，并結(jié)合氣流輔助噴霧技術，研制出1種與拖拉機配套使用、附著率高、對環(huán)境污染少，適用于棉花脫葉催熟劑噴灑的機采棉靜電噴霧機。利用三維軟件對整機關鍵部件進行實體建模，運用有限元分析軟件對懸掛架進行靜力學分析，采用流體仿真軟件對輸風風道進行流場模擬，結(jié)果表明，機采棉靜電噴霧機可以對脫葉催熟劑起到良好的噴灑效果，具有較好的推廣前景。

關鍵詞：機采棉;噴霧;靜力學分析;流場模擬;仿真分析

中圖分類號： S491 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0386-03

收稿日期：2014-05-14

基金項目：新疆八師石河子市中小企業(yè)專項（編號：2012QY04）。

作者簡介：肖靖毅（1988—），男，新疆哈密人，碩士，主要從事先進制造技術研究。E-mail：1340239029@qq.com。

通信作者：葛 云，碩士，副教授，主要從事機械設計制造及自動化研究。E-mail：gy_shz@163.com。

新疆維吾爾自治區(qū)作為中國棉花的主要產(chǎn)區(qū)之一，棉花種植面積、產(chǎn)量連續(xù)多年居全國第一，在全國棉花種植業(yè)中占有重要的地位[1]。隨著棉花種植面積的不斷擴大，機械采棉在棉花收獲作業(yè)中的地位越來越重要，具有廣闊的發(fā)展前景[2]。眾所周知，棉花采摘前須噴灑脫葉催熟劑以降低棉花的含雜率[3]，而藥液噴灑的效果直接影響棉花質(zhì)量的高低。目前，由于適用于機采棉脫葉催熟劑的噴霧機主要采用“雨淋式”方式噴灑藥物，藥液噴霧量大、霧滴粗，在作物表面難以沉積，特別是葉片背面及隱蔽部位難以實現(xiàn)有效附著，造成農(nóng)藥浪費，同時污染了環(huán)境[4]。隨著機采棉種植面積的不斷增加，噴灑脫葉催熟劑效果不理想的問題日益突出，導致棉花含雜率上升、質(zhì)量下降，嚴重影響棉農(nóng)的經(jīng)濟效益。

本研究基于靜電感應原理[5]，結(jié)合氣流輔助噴霧[6]及管路靜電等技術，設計出一種適用于噴灑棉花脫葉催熟劑的機采棉靜電噴霧機，該機器具有“靜電回繞”現(xiàn)象[7]，實現(xiàn)了對葉片背面及隱蔽部位的有效附著，提高了作業(yè)效率與農(nóng)藥利用率。

1 整體設計

1.1 整機結(jié)構(gòu)

機采棉靜電噴霧機主要由懸掛架、輸液系統(tǒng)、風送系統(tǒng)與靜電系統(tǒng)等構(gòu)成，其中輸液系統(tǒng)由藥液箱、輸液管道、藥液泵、彌霧可調(diào)噴頭組成[8]，風送系統(tǒng)由輸風風道、離心風機組成，靜電系統(tǒng)由高壓靜電發(fā)生器、感應線圈組成。機采棉靜電噴霧機整機布置于懸掛架上，通過三點懸掛置于拖拉機后部（圖1），藥液泵動力由拖拉機后動力輸出軸提供，靜電系統(tǒng)電

源由拖拉機電力系統(tǒng)提供，離心風機動力由拖拉機液壓系統(tǒng)提供（圖2）。

1.2 工作原理

機采棉靜電噴霧機采用靜電噴霧與氣流輔助噴霧相結(jié)合的工作原理，即將壓力霧化與靜電霧化相結(jié)合，利用靜電感應使藥液霧滴感應荷電，并采用氣力輔助霧化技術，以增加霧滴附著性能、減少農(nóng)藥流失。具體工作過程為：藥液泵利用拖拉機動力輸出軸提供的動力，將藥液從藥液箱中抽出，通過輸液管道送向噴頭，在噴頭處設置風送系統(tǒng)以增強霧滴的穿透性，同時在藥液泵出水口處設置環(huán)形感應電極，利用感應荷電方式，對進入輸液管道的藥液進行感應充電，使靜電噴霧與輔助氣流在噴頭處匯合，形成風送式靜電噴霧（圖3）。

1.3 主要技術參數(shù)

機采棉靜電噴霧機主要技術參數(shù)為：工作狀態(tài)時的外形尺寸（長×寬×高）為11.2 m×1.834 m×1.731 m，運輸狀態(tài)時的外形尺寸為3.94 m×1.12 m×1.731 m，藥箱容積 1 800 L，配套動力55.9 kW，工作壓力0.15～0.40 MPa，液泵最大壓力3 MPa，噴幅11.82 m，工作效率5～8 km/h。

2 關鍵部件設計

2.1 懸掛架

懸掛架作為噴霧機與拖拉機連接的中間環(huán)節(jié)，是整機的基礎與主要承重部件，須滿足藥箱、離心風機、輸風風道及藥液泵等部件的承重要求。懸掛架主要由Q235鋼焊接而成（圖4），在懸掛架上布置風機、輸風風道、離心風機、藥箱等部件，懸掛架前方通過支撐梁的3個銷軸孔與拖拉機三點懸掛相連，形成機械負載狀態(tài)。利用Ansys軟件對懸掛架進行靜力學分析，結(jié)果表明，懸掛架彎曲變形為0.445 82 mm，最大應力為11.91 MPa（圖5、圖6），彎曲變形較小，具有良好的承載能力。

2.2 輸風風道

輸風風道是連接離心風機與噴頭的重要部件，離心風機所產(chǎn)生的風通過輸風風道送向噴頭，與噴霧融合，達到氣力輔助輸送的目的。利用Solidworks軟件對輸風風道進行三維實 體建模（圖7）;將三維實體模型導入Gambit前處理器，以輸風風道入口作為速度入口，輸風風道出口作為壓力出口，完成對零件的網(wǎng)格劃分與邊界條件定義;將零件導入CFD流體仿真軟件Fluent中進行求解，得到輸風風道壓力云圖（圖8）、輸風風道速度云圖（圖9）、輸風風道出口速度云圖（圖10）。由圖8至圖10可知：當輸風風道入口初始風速為10 m/s時，輸風風道出口最大風速為15.5 m/s，并由外向內(nèi)逐漸增大。

2.3 靜電系統(tǒng)

霧滴帶電是通過外加靜電場實現(xiàn)的，而外加靜電場的產(chǎn)生由靜電系統(tǒng)提供，一般通過電源、高壓靜電發(fā)生器[9]與電極三者之間相互連接實現(xiàn)，其中高壓靜電發(fā)生器作為中間環(huán)節(jié)，一端與電源連接，一端與電極連接。靜電噴霧機的靜電系統(tǒng)采用直流負高壓充電（圖6），高壓靜電發(fā)生器的輸入電壓為直流12 V，最大輸出電壓為30 kV;電極采用環(huán)形電極，一端與高壓靜電發(fā)生器相連，另一端接地，整體布置于藥液泵出水口處，形成外加高壓靜電場，使液體荷電。靜電系統(tǒng)工作示意圖見圖11。

3 結(jié)論

運用靜電噴霧原理結(jié)合氣流輔助噴霧技術，研制出1種

小型機載機采棉靜電噴霧機，改變了現(xiàn)有機采棉靜電噴霧機脫葉催熟劑噴灑效果不理想的現(xiàn)狀。通過對整機及靜電系統(tǒng)進行設計，對關鍵部件進行仿真分析，結(jié)果表明，機采棉靜電噴霧機對機采棉脫葉催熟劑的噴灑效果良好，具有比較廣闊的推廣前景。

參考文獻：

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