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1、液 压 升 降 折 叠 宽 幅 喷 杆 喷 架 的 结 构 设 计 许超，陈永成，李瑞敏 ( 石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832000) 摘要: 针对目前植保机械中所使用的喷杆喷架稳定性差、 折叠伸展需要人工辅助等问题， 设计出了一种液压 升降折叠宽幅喷杆喷架。对喷杆喷架的升降装置、 90液压油缸折叠机构、 180液压油缸折叠机构和整体宽幅喷 架进行了理论分析和结构设计， 并建立了关键部件的三维模型。通过田间试验验证了该装置设计方案的合理 性， 为研发先进适用、 具有自主知识产权的液压升降折叠宽幅喷杆喷架奠定了基础。 关键词:升降装置;液压油缸;折叠机构;喷杆喷架;植保机械 中图
2、分类号:S499文献标识码:A 文章编号:1003 188X( 2015) 08 0096 04 0引言 近年来， 农田的种植开始由过去的小田分散种植 向规模化集中化种植管理发展。过去个人种植农田 由于田地面积小， 普遍采用小型手动或者便携式机动 植保机械， 如手动背负式喷雾器、 手动压缩式喷雾器、 手动踏板式喷雾器， 以及背负式机动喷雾喷粉机、 担 架式机动喷雾机等对农作物进行病虫害防治1 。随 着生产模式的转变， 以往在我国植保机械中占主导地 位的手动或便携式机动喷雾机械由于劳动强度大、 农 药利用率低和作业效率低等原因将无法满足大田集 中种植的生产要求， 大型宽幅折叠式喷雾机开始在农 业
3、生产中推广应用2 。但是， 在现有大型宽幅喷雾机 上， 喷杆喷架的升降主要由钢绳和滑轮控制， 而喷杆 喷架展开和折叠大多采用机械式传动结构和液压油 缸结合的方式。现有技术的折叠式喷杆喷架由两个 液压油缸通过连杆、 钢绳、 绳轮等控制两侧喷杆喷架 的折叠与展开， 由于结构与空间原因， 造成两侧的喷 杆喷架折叠与展开时间差别较大， 容易导致喷雾机架 扭曲; 另外， 由于喷雾机的工作环境比较恶劣， 连杆、 钢绳、 绳轮等结构容易锈蚀， 造成喷雾机的稳定性差， 使用寿命短。 本文以大型宽幅喷雾机上的喷杆喷架为研究对 象， 对液压油缸控制的升降装置、 90液压折叠装置和 180液压折叠装置进行结构设计，
4、 在 Solid Works 软件 收稿日期:2014 08 08 基金项目: “十二五” 国家科技支撑计划项目( 2012BAD42B03) 作者简介:许超( 1988 ) ， 男， 河北廊坊人， 硕士研究生， ( E mail) 907602739 qq com。 通讯作者: 陈永成 ( 1958 ) ， 男， 河 南 南 阳 人， 教 授， ( E mail) yongchengchen 163 com。 中建立关键部件的三维模型， 为研制出高效的液压升 降折叠宽幅喷杆喷架起到参考和指导作用。 1宽幅喷杆喷架的结构 该喷杆喷架( 见图 1) 的幅宽为 14m， 高度调节范 围在 0 7
5、2 8m， 喷杆喷架装置通过安装座固定在机 架上。喷杆喷架装置包括升降装置、 中央喷架、 大展 臂喷架、 小展臂喷架。中央喷架铰接于升降装置末 端， 90折叠液压油缸安装座分别设置在中央喷架的 两端， 其活塞杆与大展臂喷架铰接， 通过该液压油缸 伸缩使大展臂喷架与中央喷架实现 90折叠。180折 叠液压油缸安装座设置于大展臂喷架末端， 其活塞杆 与小展臂喷架铰接， 通过该液压油缸的伸缩使小展臂 喷架与大展臂喷架实现 180折叠。 1 小展臂喷架2 大展臂喷架3 中央喷架 4 升降装置5 安装座 图 1喷杆喷架的总体结构 Fig1The overall structure of the inje
6、ction rod injection frame 2关键零部件的设计 2 1升降装置的设计 升降装置主要由上升降杆、 下升降杆和升降油缸 69 2015 年 8 月 农 机 化 研 究第 8 期 DOI:10.13427/ki.njyi.2015.08.021 组成。其主要功能是将喷架调整到合适的施药高度， 并在升降过程中保证喷架保持原有的施药状态， 如图 2 所示。 图 2升降装置的设计原理 Fig2The design principle of lifting gear 上升降杆、 下升降杆一端铰接于安装座， 另一端 与中央喷架铰接， 上升降杆与下升降杆在安装座上铰 接点的相对位置和在中
7、央喷架上铰接点的相对位置 相同， 因而构成了一个平行四杆机构， 使得铰接于升 降装置末端的喷架始终保持原有的施药状态3 。 图 2 中， 选定上升降杆在安装座的铰接点为 O， 首 先选定升降油缸活塞杆的安装位置: 当升降装置调整 到最高位置 H 时， 活塞杆铰接点为 A; 当升降装置调 整到最低位置 L 时， 活塞杆铰接点为 A1。此时， A 与 A1在升降装置中的相对位置是相同的。在 H 位置时， 升降油缸达到最大伸长量， 以 A 为圆心最大伸长量为 半径画弧; 在 L 位置时， 升降油缸达到最小伸长量， 以 A1为圆心， 以最小伸长量为半径画弧， 两个圆弧交于 C、 C1两点， 经过判断
8、C 点为可用点， 即为升降油缸的 安装位置。 上升降杆和下升降杆选用 60 60 5 GB/ T3094 的方形钢管。参照 GB/T2349 1980 活塞行程 系列， 选 取 液 压 缸 的 行 程 为 550 mm， 最 大 工 作 尺寸为 1 370mm。 2 2喷架装置的设计 1) 90液压油缸折叠机构。该机构的功能是实现 大展臂喷架和中央喷架的 90折叠与展开 4 。如图 3 所示， L2为中央喷架， L1、 L1 分别为大展臂喷架处于伸 展和折叠的位置， 中央喷架和大展臂喷架铰接于 O 点。选定液压油缸活塞杆在 L1 状态下的安装位置为 S ， 在 L1状态下的安装位置为 S， 此
9、时 S 、 S 在大展臂 喷架上的相对位置是相同的。当大展臂喷架处于 L1 位置时， 液压油缸处于最小伸长量， 以 S 为圆心， 以最 小伸长量为半径画圆弧 S1 S2 ; 当大展臂喷架处于 L1 位置时， 液压油缸处于最大伸长量， 以 S 为圆心， 以最 大伸长量为半径画圆弧 S1S2， 两圆弧相交于 O 点， 此 点即使液压油缸钢筒的安装铰接点。参照 GB/T2349 1980 活塞行程系列选取液压缸的行程为 150mm， 最大工作尺寸为 550mm。 图 3 90液压折叠的设计原理 Fig3The design principle of hydraulic folding 90 degr
10、ees 2) 180液压油缸折叠机构。该机构包括大展臂 喷架、 小展臂喷架、 180液压油缸、 安装座、 拉杆、 连 杆、 耳板及销轴， 如图 4 所示。安装座设置于大展臂 喷架中部， 180液压油缸缸筒铰接于安装座， 180液 压油缸活塞杆铰接于拉杆中部， 拉杆底端铰接于大展 臂喷架， 拉杆顶端铰接于连杆顶端， 连杆底端铰接于 耳板， 耳板焊接于小展臂喷架， 大展臂喷架与小展臂 喷架通过销轴铰接。 1 大展臂喷架2 安装座3180液压油缸 4 拉杆 5 连杆6 小展臂喷架 7 耳板8 销轴 图 4 180液压折叠机构 Fig4180 degrees hydraulic folding mec
11、hanisms 将 180液压油缸折叠机构简化， 如图 5 所示。L1 为大展臂喷架， K1为小展臂喷架， 两者铰接于 P 点。 当小展臂喷架处于伸展状态时， N 点为耳板与连杆的 铰接点， N1为连杆与拉杆的铰接点， M 为液压油缸活 塞杆与拉杆的铰接点。耳板与小展臂喷架焊接在一 起， 当小展臂喷架绕 P 点旋转 180时， 耳板随之一起 79 2015 年 8 月 农 机 化 研 究第 8 期 转动， 同时拉杆上的 M 点和 N1始终在一条直线上。 当小展臂喷架转过 180处于折叠状态时， 耳板随 小展臂喷架一起转动到 N 点， 此时拉杆以 Q 点为圆 心转动一定的角度。因为连杆的长度是固
12、定不变的， 所以以 N 为圆心， 以连杆的两个铰接点距离为半径 画圆弧， 便是连杆的运动轨迹; 因为拉杆的长度是固 定不变的， 并且始终铰接于 Q 点， 所以以 Q 为圆心， 以 拉杆长为半径画圆弧， 便是拉杆上铰接点的运动轨 迹， 两个圆弧的交点 N1 即是小展臂喷架折叠后拉杆 和连杆的铰接点 5 。 液压油缸活塞杆在拉杆上的铰接点为 M， 当拉杆 转到小展臂喷架折叠状态时， Q 点和 N1 的连线就是 拉杆的最终位置， 此时以 Q 为圆心， 以 MQ 为半径画 圆， 此圆就是液压油缸拉动拉杆所经过的路径; 此圆 与线段 QN1 的交点就是液压油缸处于最短伸长量时 活塞杆的铰接点 M1。 分
13、别以 M、 M1为圆心， 以液压油缸的最大长度和 最小长度为半径绘制圆弧， 两圆弧的交点即是液压油 缸的安装位置。参照 GB/T2349 1980 活塞行程系列 选取 液 压 缸 的 行 程 为 150 mm， 最 大 工 作 尺 寸 为 550mm。 图 5 180液压折叠的设计原理 Fig5The design principle of hydraulic folding 180 degrees 3三维建模 中央喷架选用 50 50 5 GB/T3094 的方形钢管 焊接而成， 如图 6 所示。中央喷架中间焊接有支撑立 柱， 采用 40 40 5 GB/T3094 的方形钢管焊接而成， 两
14、侧成对称布置， 中央喷架的幅宽为 3 6m。 图 6中央喷架 Fig 6The spray frame 大展臂喷架的布置于中央喷架的两侧， 选用 30 50 5 GB/T3094 的方形钢管焊接而成， 如图 7 所示。 喷架底端呈水平布置， 上端由一端向另一端倾斜一定 的角度。大展臂喷架中间焊接有斜支撑立柱， 采用采 用 30 30 5 GB/T3094 的方形钢管焊接而成， 大展 臂幅宽为 2 8m。 图 7大展臂喷架 Fig7Spray exhibition arm frame 小展臂喷架布置于大展臂喷架两侧， 喷杆选用 30 50 5 GB/T3094 的方形钢管焊接而成， 如图 8 所
15、 示。喷架底端的喷杆呈水平布置， 整体呈现三角形结 构， 使小展臂喷架更加稳固。小展臂喷架中间焊接有 斜支撑立柱， 采用采用 30 30 5 GB/T3094 的方形 钢管焊接而成， 大展臂幅宽为 2 4m。 图 8小展臂喷架 Fig8Spray small arms frame 为了防止小展臂喷架和大展臂喷架折叠以后出现 回弹的现象， 在小展臂喷架和大展臂喷架铰接点处设 计了防回弹机构， 如图 9 所示。在小展臂喷架的铰接 点底部设置了一段角钢， 在大展臂喷架铰接点底部设 置了一段圆管。当小展臂喷架处于展开状态时， 角钢 随着小展臂喷架旋转到大展臂底部的圆管上并卡死， 以限制小展臂喷架的随意
16、转动。 图 9防回弹机构 Fig9The spring back mechanism 89 2015 年 8 月 农 机 化 研 究第 8 期 4田间试验 试验于2013 年8 月23 日在新疆昌吉回族自治州 新湖总场进行， 试验场景如图 10 所示。测试表明: 喷 杆喷架性能良好， 喷杆喷架的升降、 折叠、 伸展功能均 能实现， 喷药幅宽基本满足设计要求， 施药效果较好。 图 10新湖总场试验场景 Fig 10Xinhu test scenario 5结论 对液压升降折叠宽幅喷杆喷架升降装置、 90液 压油缸折叠机构、 180液压油缸折叠机构及整体宽幅 喷架进行了理论分析和结构设计， 并进行
17、了田间试 验。结果表明， 喷杆喷架的功能均能实现， 满足基本 的设计要求， 为研发先进适用、 具有自主知识产权的 液压升降折叠宽幅喷杆喷架奠定了基础。 参考文献: 1 何雄奎 改变我国植保和施药技术严重落后的现状J 农业工程学报， 2004， 20( 1) : 13 15 2 耿爱军， 李法德 国内外植保机械及植保技术研究现状 J 农机化研究， 2007( 4) : 189 191 3 周先辉， 田光辉 一种对称的双平行四边形机构的设计 J 机械工程师， 2006( 7) : 75 76 4 李振生 基于虚拟样机技术的喷杆转换机构研究D 南 京: 南京林业大学， 2010: 17 20 5 郑
18、文伟， 吴克坚 机械原理 M 北京: 高等教育出版社， 1997: 67 68 The Structural Design on Hydraulic Lifting Folding Wide Spray Lance Xu Chao，Chen Yongcheng，Li uimin ( Mechanical and Electrical Engineering College， Shihezi University，Shihezi 832000，China) Abstract:In view of the present difficult situation about plant protec
19、tion machinery used by spray lance plane problems such as poor stability，fold stretching need artificial auxiliary，a kind of hydraulic lifting folding wide spray lance was de- vised Lifting device of spray spray rod rack， 90 degrees of hydraulic oil cylinder folding mechanism， 180 degrees of the hyd
20、raulic oil cylinder folding mechanism and wide spray has carried on the theoretical analysis and the overall structure design，and key components of the three dimensional model was established in SolidWorks software Through field ex- periment verified the rationality of the design of the device for the research and development of advanced and suitable with independent intellectual property rights of hydraulic lifting folding wide spray lance laid a foundation Key words:lifting device;hydraulic oil cylinder;folding mechanism;spray lance;plant protection machinery 99 2015 年 8 月 农 机 化 研 究第 8 期