王秀華，韋麗嬌，李 明，董學(xué)虎，黃偉華，嚴(yán)曉麗

（中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江 524091）

3WXP-800型拖拉機(jī)懸掛式甘蔗噴藥機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析

王秀華，韋麗嬌，李 明※，董學(xué)虎，黃偉華，嚴(yán)曉麗

（中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，湛江 524091）

針對(duì)我國(guó)甘蔗除草、殺蟲等噴藥主要依賴人力作業(yè)，大型輪式拖拉機(jī)不適應(yīng)目前種植行距，研制了3WXP-800型拖拉機(jī)懸掛式甘蔗噴藥機(jī)。該機(jī)具可定向噴藥，適合甘蔗、木薯等熱帶作物噴灑化學(xué)除草劑、殺蟲劑和液態(tài)肥料作業(yè)等。本文主要對(duì)機(jī)具的機(jī)架、噴桿、管路等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試與分析。測(cè)試結(jié)果表明，該機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，大大提高了作業(yè)效率和降低了成本。

拖拉機(jī)懸掛式，甘蔗，噴藥機(jī)，設(shè)計(jì)

0 引言

長(zhǎng)期以來，我國(guó)甘蔗用的施藥機(jī)械一直以手動(dòng)噴霧器為主，機(jī)型陳舊落后，噴頭品種單一，噴灑性能差，農(nóng)藥浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重[1]，而且作業(yè)效率低，6.67 hm2（100畝）地就要雇傭12人工作1 d。人工背負(fù)式噴藥機(jī)在作業(yè)時(shí)“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，作業(yè)效果不能滿足甘蔗種植的需要。且作業(yè)環(huán)境惡劣，農(nóng)民不愿噴藥，造成病蟲草害嚴(yán)重，影響甘蔗產(chǎn)量與品質(zhì)。另外，噴桿噴霧機(jī)種類較少、型號(hào)單一，噴頭等重要噴灑部件系列化程度低，無法滿足不同作物、不同病蟲害的防治需要。用一種機(jī)型防治各種作物的病蟲草害，導(dǎo)致農(nóng)藥有效利用率低、農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重、農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)、環(huán)境污染嚴(yán)重、對(duì)操作者健康造成損害[2]。

本文針對(duì)現(xiàn)有甘蔗噴藥方式落后、不安全等現(xiàn)象以及我國(guó)現(xiàn)有中小型拖拉機(jī)快速發(fā)展的勢(shì)頭，大型拖拉機(jī)購(gòu)入門檻高，且不適應(yīng)現(xiàn)有甘蔗種植農(nóng)藝及行距要求等問題，結(jié)合現(xiàn)有國(guó)內(nèi)其他作物噴藥機(jī)具與甘蔗作物的差異[3-7]，開發(fā)了一種適合我國(guó)甘蔗規(guī)?；l(fā)展生產(chǎn)的中小型拖拉機(jī)配套的甘蔗噴藥機(jī)。

機(jī)具主要用于甘蔗種植時(shí)除草封閉、苗期至中耕期作業(yè)噴灑蟲藥、除草封閉等，適用坡度不大于20°，甘蔗拔節(jié)高度不超過0.8 m，能一次性完成噴灑8行甘蔗除草或者殺蟲作業(yè)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，操作、維修、保養(yǎng)方便，配套動(dòng)力22.08～36.8 kW（30～50馬力）的輪式拖拉機(jī)，較適宜目前我國(guó)甘蔗地田塊小，以及甘蔗種植行距為80～110 cm的種植農(nóng)藝的要求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

3WXP-800型拖拉機(jī)懸掛式甘蔗噴藥機(jī)按照功能要求、結(jié)構(gòu)組合、性能綜合的技術(shù)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，是與22.08～36.8 kW（30～50馬力）四輪拖拉機(jī)配

套的懸掛式噴桿噴霧機(jī)。整機(jī)與拖拉機(jī)標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)后懸掛連接，主要由主機(jī)架、噴桿桁架、噴藥膠管、藥液箱、藥液泵、噴頭、穩(wěn)壓分配裝置、過濾裝置等組成，如圖1所示。綜合考慮大田作物種植規(guī)格、地塊大小、機(jī)組效率和機(jī)動(dòng)性，確定噴藥機(jī)的工作幅寬為8 m（幅寬≤10 m，屬于小型），分三段（左節(jié)段、中節(jié)段、右節(jié)段）折疊。噴桿升降、折疊形式采用液壓式調(diào)節(jié)，噴頭離地高度可在0～1.5 m范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，每個(gè)噴頭獨(dú)立開關(guān)且左右位置可任意調(diào)節(jié)。

工作原理和作業(yè)過程：拖拉機(jī)輸出的動(dòng)力，由萬向節(jié)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)藥液泵，將藥液從藥箱經(jīng)過濾器吸入液泵內(nèi)，加壓后經(jīng)調(diào)壓閥進(jìn)入分水器，送入噴桿（膠管），進(jìn)入噴桿（膠管）的藥液經(jīng)防滴閥、過濾網(wǎng)，最后由噴頭將液流霧化后噴出，沿噴幅范圍形成均勻的霧幕。同時(shí)由液泵排出的另一部分高壓液流，回流回藥液箱，攪拌藥液，使藥液均勻混合。通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥開關(guān)，可調(diào)節(jié)回液攪拌流量及達(dá)到正常工作壓力，工作壓力由分水器上壓力表讀出[8]。

圖1 機(jī)具結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)架

主機(jī)架是噴霧機(jī)的主要支撐部分，是噴管桁架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、藥箱和噴藥架體等總成的安裝基礎(chǔ)，是評(píng)價(jià)整車裝備及車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的關(guān)鍵。噴藥機(jī)機(jī)架采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，主要由橫梁、豎梁、縱梁以及支撐藥箱中縱梁、邊縱梁等組成。其機(jī)架前部中縱梁過掛接耳、掛接銷與拖拉機(jī)形成三點(diǎn)懸掛連接，后部中縱梁與噴桿桁架連接。隔膜泵、藥液箱等分別置于長(zhǎng)方體機(jī)架底部、上部。在保證機(jī)架強(qiáng)度、剛度要求的前提下，盡可能減輕車架重量，因此，設(shè)計(jì)采用的橫梁、豎梁、縱梁材料選用80 mm×80 mm的方形鋼管，中縱梁、邊縱梁選用80 mm×60 mm的方形鋼管。

其中噴藥機(jī)的噴管桁架機(jī)構(gòu)通過一組齒輪齒條機(jī)構(gòu)和一組直線導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)連接到主機(jī)架，并通過3組液壓缸傳遞的動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)整個(gè)噴桿桁架上下移動(dòng)、關(guān)閉和張開。

2.2 噴藥桁架

本機(jī)具設(shè)計(jì)了一組三折疊式噴藥桁架，結(jié)構(gòu)如圖2所示，是桁架和中間部位和一側(cè)噴桿擺臂部位示意圖。其中，噴藥桁架主要采用40 mm×40 mm空心方鋼焊接而成，在保證架體強(qiáng)度要求的前提下，減輕了架體自身重量，在滿足噴藥機(jī)有效噴幅的條件下，減小了架體表面積及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，保證了運(yùn)動(dòng)時(shí)噴藥機(jī)架體的穩(wěn)定性。

圖2 噴藥桁架結(jié)構(gòu)組成圖

2.3 直線導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)

為了提高工作效率，減少人工輔助作用，整個(gè)噴藥桁架的移動(dòng)設(shè)計(jì)采用了一組直線導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是一種滾動(dòng)導(dǎo)引，是由鋼珠在滑塊跟導(dǎo)軌之間無限滾動(dòng)循環(huán)，從而使負(fù)載平臺(tái)沿著導(dǎo)軌輕易的線性運(yùn)動(dòng)，從而節(jié)約大量的能量?；瑝K跟導(dǎo)軌間末制單元設(shè)計(jì)，使線形導(dǎo)軌同時(shí)承受上下左右等各方向的負(fù)荷，使其達(dá)到很好的索引效果。直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 直線導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)

2.4 齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

齒輪齒條轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是一種最常見的轉(zhuǎn)向器，其基本結(jié)構(gòu)是一對(duì)相互嚙合的小齒輪和齒條。主要的作用是增大轉(zhuǎn)向盤傳到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力和改變力的傳遞方向。因該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，轉(zhuǎn)向靈敏，體積小，通過液壓缸傳遞來的動(dòng)力可以直接帶動(dòng)搖臂噴藥桿的張開和閉合，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 齒輪齒條轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)示意圖

3 機(jī)具試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

2015年6月12日，農(nóng)業(yè)部熱帶作物機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心在中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所甘蔗基地對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了性能檢測(cè)試驗(yàn)，無風(fēng)，溫度30℃，參照J(rèn)B/T 9805.2—1999《噴桿式噴霧機(jī) 試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，主要測(cè)試結(jié)果如表1。

3.2 檢測(cè)結(jié)果分析

噴頭噴霧量：噴頭噴霧量均勻性92.3%，說明每個(gè)噴頭的穩(wěn)定性比較好。

噴灑性能：機(jī)具沿噴桿噴霧量均勻性能達(dá)到85.7%，說明其穩(wěn)定性較好，能滿足甘蔗噴灑農(nóng)藥的要求。

噴頭防滴性能：在測(cè)試的8個(gè)噴頭當(dāng)中，有1個(gè)噴頭有漏滴的情況，按標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試測(cè)得4滴，小于按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的10滴，符合行業(yè)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

生產(chǎn)率：純工作小時(shí)生產(chǎn)率為2.3 hm2/h，作業(yè)小時(shí)生產(chǎn)率為1.1 hm2/h。從試驗(yàn)情況來看，生產(chǎn)率大小主要與甘蔗地塊大小、操作人員、取水地點(diǎn)等有關(guān)。如甘蔗種植行距統(tǒng)一、地塊大，操作人員熟練，則生產(chǎn)率高，反之則低。

燃油消耗量：機(jī)具燃油消耗量較低，為4.1 kg/hm2。

表1 主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)

4 機(jī)具經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

3WXP-800型拖拉機(jī)懸掛式甘蔗噴藥機(jī)作業(yè)，每天作業(yè)8 h，作業(yè)小時(shí)生產(chǎn)率為1.0 hm2/h，每天可噴灑作業(yè)面積6 hm2（即90畝左右），單位面積燃油消耗量約4 kg/hm2，柴油6.0元/kg，則燃油費(fèi)用為192元/d。拖拉機(jī)手人工費(fèi)為250元/d，兩項(xiàng)綜合的直接作業(yè)成本約392元/d（即約4.5元/畝）。

每臺(tái)甘蔗噴藥設(shè)備1.0萬元，小拖拉機(jī)3.2萬元（除農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼），如使用年限按5年計(jì)算，設(shè)備年折舊費(fèi)用1.0萬元，年工作時(shí)間100 d，每天折舊費(fèi)用

是100元，每天管理和維修費(fèi)按50元計(jì)，合計(jì)總費(fèi)用150元，每天中耕面積6 hm2（90畝），則折舊和維修等費(fèi)用約為30元/hm2（2元/畝）。

總計(jì)機(jī)械化作業(yè)成本是97.5元/hm2（6.5元/畝），如人工背負(fù)式作業(yè)成本150元/hm2（10元/畝），則約為人工背負(fù)式作業(yè)成本的65%，節(jié)省作業(yè)開支52.5元/hm2（3.5元/畝），年工作100 d，則年作業(yè)面積600 hm2（9 000畝），則每臺(tái)設(shè)備與人畜作業(yè)相比，年節(jié)省作業(yè)成本開支約 3.0萬元，也即購(gòu)置設(shè)備（包括小型拖拉機(jī)）2年即可收回投資了。

4.2 社會(huì)效益分析

一般人工背負(fù)式噴藥作業(yè)人均僅可完成0.5 hm2/d（7.5畝/d）左右，6.67 hm2（100畝）甘蔗地就需10～12個(gè)勞動(dòng)力；而采用機(jī)械化噴藥作業(yè)每天可達(dá)6 hm2（90畝）以上，只需1個(gè)勞動(dòng)力，甘蔗機(jī)械化噴藥作業(yè)較人工作業(yè)效率提高約12倍左右。此外，現(xiàn)在蔗區(qū)農(nóng)村勞動(dòng)力非常缺乏，原來請(qǐng)工給甘蔗噴藥每人每天要50～60元，現(xiàn)在100元都常常雇不到人。

因此，甘蔗機(jī)械化的推廣和應(yīng)用不僅提高我國(guó)甘蔗產(chǎn)業(yè)機(jī)械化作業(yè)水平，減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度和負(fù)擔(dān)，減少農(nóng)藥對(duì)勞作人員的傷害，而且還減少因用工荒帶來的一系列問題。這對(duì)加快農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移，增加農(nóng)民收入，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，加快發(fā)展我國(guó)甘蔗作物、促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、推進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)具有重要的意義，社會(huì)效益十分顯著。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

3WXP-800型拖拉機(jī)懸掛式甘蔗噴藥機(jī)主要用于甘蔗種植時(shí)除草封閉、苗期至中耕期作業(yè)噴灑蟲藥、除草封閉等，適用坡度不大于20°，甘蔗拔節(jié)高度不超過0.8 m，能一次性地完成噴灑8行甘蔗除草或者殺蟲作業(yè)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，操作、維修、保養(yǎng)方便，作業(yè)小時(shí)生產(chǎn)率為1.1 hm2/h，噴頭噴霧量均勻性92.3%，耗油量配4.1 kg/hm2，套動(dòng)力30～50馬力輪式拖拉機(jī)，較適宜目前甘蔗種植行距（80～110 cm），也較適宜我國(guó)甘蔗地田塊小及種植農(nóng)藝的要求。

5.1 問題討論

該機(jī)具僅適用小苗期及中耕管理，對(duì)于甘蔗長(zhǎng)到0.8 m以上時(shí)則不適用，如何配套高地隙拖拉機(jī)的噴藥機(jī)具還需進(jìn)一步研究開發(fā)。

現(xiàn)有噴霧在藥液處理及清洗方面存在不安全、不方便、混藥比例可控度低的問題。農(nóng)藥利用率有極大的提高空間，可通過引進(jìn)和開發(fā)精準(zhǔn)施藥技術(shù)，根據(jù)噴霧機(jī)作業(yè)速度和噴霧量的實(shí)際測(cè)定，自動(dòng)調(diào)控噴霧壓力，達(dá)到實(shí)際噴霧量與設(shè)定的單位面積施液量相一致。這種噴霧量變量控制方式，發(fā)展前景寬廣。

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Wang Xiuhua，Wei Lijiao，Li Ming※，Dong Xuehu，Huang Weihua，Yan Xiaoli
（Agro-machinery Research Institute of Chinese Academic of Tropical Agricultural Sciences,Zhanjiang 524091，China）

According to Chinese sugarcane's chemical spray of weeding and disinsection mainly relied on human operation,and large wheeled tractor s not suitable to the current plant row spacing,so developed the 3 WXP-800 type hanging type sugarcane spray insecticide machine.The new machinery can directionally sprays and is suitable for the spraying chemical herbicides,insecticides and liquid fertilizer of the tropical crops,such as sugarcane,cassava. This article maily to the optimized design of the machine's frame,spray rod and pipeline,and verified by experiment test and analyzed.The test results showed that the machine's indicators met the design requirements, and improved the work efficiency and reduced cost.

tractor hitch,sugarcane,spraying machine,simulation

廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺(tái)環(huán)境建設(shè)專項(xiàng)項(xiàng)目（2014B090907006）；廣東省部產(chǎn)學(xué)研合作重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2012A090300015）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目項(xiàng)目（桂科合1599005-1-8）。

王秀華（1965—），女，漢族，江西東鄉(xiāng)人，研究方向?yàn)闊釒мr(nóng)業(yè)工程。E-mail：1150745965@qq.com。

※通信作者：李明（1964—），男，漢族，廣東化州人，研究員，研究方向?yàn)闊釒мr(nóng)業(yè)裝備。E—mail：lm3785899@qq.com。