CN107616076B - 一种主动平衡式农田喷洒装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业机械领域，具体是一种能够在大型农田，尤其是水田环境下实施喷洒作业的装置。本发明解决的技术问题是提供一种农田喷洒装置，避免传统喷洒机械因土地不平、黏度大、深浅不一而导致的容易歪斜、陷入土地、损坏喷洒杆的缺点，也可以避免压苗的问题。本发明的技术方案为：提出一种串行车轮、主动平衡式稻田喷洒车的设计方案，主要用于大面积水稻田的喷洒作业。采用单行多轮行走装置，采用陀螺仪加主动平衡装置维持车体平衡，从而避免传统双行普通构型喷洒车因左右轮地面松软程度不同而导致的左右不平衡问题。本发明技术效果有避免损坏喷洒杆、降低陷入地面的可能性、降低压苗率、减少复杂结构、降低成本、提高效率。

Description

一种主动平衡式农田喷洒装置

技术领域

本发明涉及农业机械领域，具体是一种能够在大型农田，尤其是水田环境下实施喷洒作业的装置。

背景技术

现有传统的喷洒机械因土地不平、黏度大、深浅不一灯问题而容易导致歪斜、陷入土地、损坏喷洒杆的缺点，并且如果使用轮胎过多，造成压苗率很高的现象，影响农产品丰收。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出主动平衡式农田喷洒装置，主要用于大面积水稻田的喷洒作业。

本发明采用单行多轮行走装置，采用陀螺仪加主动平衡装置维持车体平衡，从而避免传统双行普通构型喷洒车因左右轮地面松软程度不同而导致的左右不平衡问题。简单来说：单行多轮、可平移、可双向、主动平衡。

喷洒机主体为单行串行多车轮行走机构，采用大直径，一定宽度、带防滑花纹的轻质轮胎作为行走装置，多车轮处于一条直线上，呈串行分布。单行串行布局的最大好处是，不会存在双行车轮遭遇的左右地面深浅导致不平衡的现象，从而避免了双行普通构型的喷药机因左右轮地面松软程度不同而导致的左右不平衡现象。单行串行布局的另一好处是：行走中只碾压一个轮宽的条状区域，保证了压苗率降低到最低程度(压苗率＝轮宽/喷幅)，在实际使用过程中，由于仅有一条压痕，所以可以只关注一条植株间的空隙，比较容易地沿着植株行之间的空隙行走，从而减小压苗率，而不用像双轮那样担心压苗，或进行轮距调整，从而增加成本或工作量。

喷洒车采用有人驾驶，可以双向行走，可以正常转弯，也可以平移移动，以适应各种田地环境。

具体技术方案为：一种主动平衡式农田喷洒装置，包括长条形的车体1，以及安装在车体1上的行走装置2、动力系统3、平衡系统4、喷洒系统5和转向系统6；

所述车体1上设置把手101和座椅102，所述把手101与转向系统6连接，控制主动平衡式农田喷洒装置转向；

所述行走装置2包括车轮201、叉形支柱202、转向支柱203、驱动电机204，转向支柱203固定于叉形支柱202的上方，减震弹簧205套在转向支柱203上，转向支柱203通过转向轴承安装于车体1上，车轮201安装于叉形支柱202上，叉形支柱202靠近转向支柱203的位置设置有驱动电机204，驱动电机204通过链轮组件207驱动车轮201；链轮组件207由主动链轮2071、链条2072、连接在车轮的转轴的从动链轮2073和链条上紧装置2074构成；

所述动力系统3包括发动机301、发电机302和油箱303，油箱303与发动机301连接，发动机301通过发电机302为驱动电机204和平衡系统4供电，同时发动机301驱动喷洒系统5实施喷洒；

所述平衡系统4包括设置在车体1上的陀螺仪401、与车体1的轴线垂直的水平放置的平衡杆402，陀螺仪401实时探测车体1的左右倾斜角度和平衡系统4两端的上下摇摆幅度，一旦探测到车体1发生左右倾斜，通过电子调速器406调整两端平衡电机407和螺旋桨对403的转速，或者通过伺服机构404改变两端螺旋桨对风道405的进风量以降低升力，使平衡系统4产生左右升力差，进而产生与倾斜角度反向的转矩，自动调平车体1至垂直的平衡位置；

所述喷洒系统5包括喷洒泵501、药箱502、管路503、喷嘴504、辅助平衡轮505；发动机301驱动喷洒泵501实施喷洒，所述药箱502安装于车体1上，喷洒泵501通过管路503连接药箱502，喷嘴504安装在平衡杆402上，通过管路503与喷洒泵501连接。

优选地，所述行走装置2不少于四套，通过转向轴承与车体1上的转向系统6连接，所述转向系统6包括转弯分系统610、平移分系统620和离合器630，所述转弯分系统610符合阿克曼转向原理，包括不同半径的小转向圆盘611、大转向圆盘613和第一非弹性柔性连接带612，大转向圆盘613之间的第二非弹性柔性连接带614；所述平移分系统620包括同半径的同向转向圆盘621和第三非弹性柔性连接带622，转弯分系统610和平移分系统620通过由扳动转换杆650使离合器630移位实现切换；所有非弹性柔性连接带都由张紧装置640保持张紧状态。

优选地，所述行走装置2有四套，所述转弯分系统610包括四个不同半径的小转向圆盘611、大转向圆盘613和第一非弹性柔性连接带612、第二非弹性柔性连接带614，所述平移分系统包括四个同半径的同向转向圆盘621和第三非弹性柔性连接带622。

优选地，所述行走装置2为两套或三套，通过转向轴承与车体1上的转向系统6连接，所述转向系统6包括转弯分系统610、平移分系统620和离合器630，所述转弯分系统610符合阿克曼转向原理，包括两个半径相同的小转向圆盘611和非弹性柔性连接带612，所述平移分系统620包括三个同半径的同向转向圆盘621和非弹性柔性连接带622，转弯分系统610和平移分系统620通过离合器630实现切换。

优选地，所述行走装置2只有一套，在车体1的前后两端设置有与陀螺仪401连接的控制俯仰平衡的前后水平螺旋桨对7，通过调整前后水平螺旋桨对7的水平偏角产生水平扭转力矩实现转向。

优选地，在平衡杆402上悬挂有向下吹气风扇，产生向下风力吹开植株，使植株叶面的两边和根部都能受药。

优选地，所述叉形支柱202上设置有链条上紧装置2074，所述转向系统6上设置有连接带上紧装置640。

优选地，所述叉形支柱202上设置有楔形排推器，包裹住叉形支柱202和链轮组件207，避免植株卷入链轮组件207。

本发明技术效果为：

(1)永远不会歪斜，避免了因歪斜而导致的触碰损坏喷洒杆的事件。

(2)纵向多轮承力，降低陷入地面的可能性。相对于同等重量的传统四轮喷洒机，本发明在纵向超过两轮，在承受力分散方面优于传统四轮布局。

(3)能够在田地端头平移移动，最大程度降低压苗。

(4)使用者只需观察一条庄稼植株间的空隙地带用于行走，降低体力负担，降低压苗率。

(5)没有轮宽调整机构，从而降低了复杂机构和成本。

(6)全轮、分散动力驱动，提高通过能力。

(7)转向机构简单，没有(也没有必要具备)差速结构，成本低。

附图说明

图1是喷洒装置的主视图；

图2是喷洒装置的侧视图；

图3是行走装置-前视图；

图4是行走装置-主视图；

图5是动力系统图；

图6是平衡系统-正视图；

图7是平衡系统-俯视图；

图8是平衡系统-采用风道面积控制方式说明图；

图9是平衡系统-采用转速控制方式说明图；

图10是转向系统轴测图；

图11是转向系统侧视图；

图12是转向系统俯视图；

图13是转向系统离合器；

图14是喷洒系统。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细描述，请参阅图1至图14。

一、总体和车体

采用单行多轮行走装置，采用陀螺仪加主动平衡装置维持车体平衡，从而避免传统双行普通构型喷洒车因左右轮地面松软程度不同而导致的左右不平衡问题。简单来说：单行多轮、可平移、可双向运行、主动横向平衡。

一种主动平衡式农田喷洒装置，主体为单行串行多车轮行走机构，采用大直径，一定宽度、带防滑花纹的轻质轮胎作为行走机构，多车轮处于一条直线上，呈串行分布。单行串行布局的最大好处是，不会存在双行车轮遭遇的左右地面深浅导致不平衡的现象，从而避免了普通四轮构型的喷药机因左右轮地面松软程度不同而导致的左右不平衡现象。单行串行布局的另一好处是：行走中只碾压一个轮宽的条状区域，保证了压苗率降低到最低程度(普通四轮构型的喷药机是必须碾压两个轮宽区域)，在实际使用过程中，将沿着庄稼植株行间的空隙行走，从而避免或最大程度降低压苗发生，而不用像双轮那样因轮距必然压苗，或采用可调轮距以适应苗间距从而导致成本增加。

一种主动平衡式农田喷洒装置采用有人驾驶，可以双向行走，具有转弯和平移移动两种轨迹改变模式，以适应各种田地作业环境。

车体上固定安装喷洒杆，兼主动动力平衡杆，采用陀螺仪，识别车体行进中的左右歪斜角度，驱动平衡杆两侧的螺旋桨产生不同的向下推力，从而动态扶正车体，保证车体始终以垂直地面姿态向前行进。同时，主动动态平衡装置也使固定在车体的喷药杆与地面平行，正常完成喷洒作业。

该喷洒车可以具有四轮、三轮、双轮等多种构型，适用于水田和旱田。

传统四轮(双行)喷洒机，为了不压苗，必须设计成可调轮距(自动或者手动)，就增加了成本。此外，传统四轮喷洒机的行走装置必须具备差速装置，导致车子成本高。如果反向运行则必须调头，导致压苗面积过大。

相比之下，此发明在结构上简单，成本低，不存在因两侧地不平而导致的歪斜现象，压苗率低且不用做任何调整。

总体由喷洒车车体1、行走装置2、动力系统3、平衡系统4、喷洒系统5、转向系统6构成。车体1由长形质料构成，可以是焊接结构，也可以是装配结构，是用来安装行走装置2、动力系统3、平衡系统4、喷洒系统5、转向系统6。驾驶员乘坐于车体1两端。

车体1上设置把手101和座椅102，所述把手101与转向系统6连接，控制车体1的转向；

药箱502、发动机301、发电机302、喷洒系统5可以任意布置在相邻车轮201之间。

对于4个轮子的构型，可以在第1第2轮和第3第4轮之间布置药箱502，在第2第3轮之间布置发动机301和发电机302、喷洒装置。4轮适合大型水田和旱地，在喷洒过程中大幅度转向情况较少。

对于3个轮子的构型，在第1第2轮之间布置药箱502，第3第4轮之间布置发动机301和发电机302、喷洒装置。3个轮子的构型适合中型水田和旱地，转向相对灵活。

对于2个轮子构型(即自行车构型)，则在两轮之间布置药箱502和发动机301、发电机302、喷洒装置。2个轮子构型适合于小地块的水田和旱地喷洒，转向最为灵活。

每个轮子201都有简易独立悬挂，目的是为了平均分配对地的压力，能够适应不平的地面。

车体1可以双向运行，两端具有同样的把手101和座椅102。把手101也可以安装在车体1的中心位置。驾驶员只需改变位置即可实现双向操纵。

车体1两侧，可以安装两个辅助轮，在公路行走时用于支撑平衡(此时平衡系统4不启用)。

药箱502可以沿车体1调整前后位置，在车轮201的第一个轮子陷入时，可以通过调整重心，尽快脱离。

二、行走装置.

行走装置2包括车轮201、叉形支柱202、转向支柱203、驱动电机204，转向支柱203固定于叉形支柱202的上方，减震弹簧205套在转向支柱203上，转向支柱203通过转向轴承安装于车体1上，车轮201安装于叉形支柱202上，叉形支柱202靠近转向支柱203的位置设置有驱动电机204，驱动电机204通过链轮组件207驱动车轮201；

转向支柱203用于支撑行走装置2，以及用于转向。叉形支柱202用于承接车轮201的转轴，车轮201的转轴放置在叉形支柱202上。电机座用于放置驱动电机204，电机座是一个封闭的整体，而驱动电机204伸出两端减速轴，减震弹簧205用于减震，放置于行走装置2和车体1之间，套在转向支柱203上，链齿组件207由连接在驱动电机输出轴的主动链轮2071、链条2072、连接在车轮的转轴的从动链轮2073和链条上紧装置2074，链齿组件207一共有两套，增加了可靠性。链条上紧装置2074安装在叉形支柱202上，以调节链条2072的松紧，防止滑脱。采用链条2072的方式带动车轮201，可以使驱动电机204远离水面，减少生锈的几率。

在每个行走装置安装楔形外壳208，在行走时将轮子前方的稻谷向两边拨开，尽可能减少对庄稼秧苗的碾压。

三、动力装置

动力系统3包括发动机301、发电机302和油箱303，油箱303与发动机301连接，发动机301通过发电机302为驱动电机204和平衡系统4(陀螺仪401、伺服机构404、电子调速器406和平衡电机407)供电，同时发动机301驱动喷洒系统5实施喷洒；

发动机301与车架1是软性相连，以免振动干扰陀螺仪。发动机301并不与行走装置2的驱动电机204直接相连，而是通过发电机302，提供驱动电机204和平衡系统4使用的电力。

四、平衡系统

采用惯性陀螺装置或其他能够感知偏离水平的感应元件，当感知到车体偏离水平(平衡)状态时，通过某种方式产生反方向转矩，从而使车体回归水平(平衡)位置，是这个发明的真正核心。

平衡系统4是固定在车体1上，与车体轴线呈90度(垂直)的水平杆型系统，在两端安装有两个带安全罩的水平转动螺旋桨对403，车体1在行进过程中，陀螺仪401实时探测车体1的左右倾斜角度和平衡系统4两端的上下摇摆幅度，一旦探测到车体1发生左右倾斜，将通过电子调速器406调整两端平衡电机407和螺旋桨对403的转速，或者通过伺服机构404改变两端螺旋桨对风道405的进风量以降低升力，使平衡系统4产生左右升力差，进而产生与倾斜角度反向的转矩，自动调平车体1至垂直的平衡位置，从而保证车体1在行进中始终处于平衡状态。

五、转向系统

一种主动平衡式农田喷洒装置采用有人驾驶，可以双向行走，具有转弯和平移移动两种轨迹改变模式，以适应各种田地作业环境。

所述转向系统6包括转弯分系统610、平移分系统620和离合器630，所述转弯分系统610符合阿克曼转向原理，包括不同半径的小转向圆盘611、大转向圆盘613和第一非弹性柔性连接带612，大转向圆盘613之间的第二非弹性柔性连接带614。所述平移分系统620包括同半径的同向转向圆盘621和第三非弹性柔性连接带622，转弯分系统610和平移分系统620通过由扳动转换杆650使离合器630移位实现切换。所有非弹性柔性连接带都由张紧装置640保持张紧状态。

设计提出能够满足阿克曼转向图的多轮机械转向系统，具有最小的转弯半径，第1和第4轮轨迹严格相同，第2和第3轮轨迹基本按照第1和第4轮轨迹运行的特点，能够最大程度地降低压苗率。

设计提出能够进行多轮同时同角度转向、实现平移运动的转向系统，适合在大田尽头需要调整到新出发位置的场合。实现平移功能，完成横向平移移动，以到达新的出发位置，加之设计方案可以双向运行，从而避免原地转弯或者离开水田实现原地调头等可能造成较大面积压苗事情发生。

本发明提供了机械方式实现符合阿克曼原理的转弯机构设计。

转弯分系统610是由两对不同半径的转向圆盘和柔性连接带构成，1-2同向，3-4同向，而2、3反向，将实现最小半径转向。1、2转向圆盘的半径比符合阿克曼转向图原理，即从前到后的车轮转弯角度将根据距离尾轮的距离进行成比例分配，转向轮1的转向角为A，转向轮2的转向角为(D2/D1)*A，转向轮3的转向角为(-D2/D1)*A，转向轮4的转向角为-A。其中，D2为专项轮1与车体中心的距离，D1为转向轮2与车体中心的距离。

这种转向系统，在转弯时，第1和第4轮的半径一致、第2和第3轮的半径一致，两者稍有区别，在水田环境或泥泞环境下运行时，速度差可以被泥水打滑所抵消，不需要采用双行等传统轮式机械的差速器。在旱地作业和公路运行时，可以关闭第1和4轮对动力、或者第2和第3轮对动力，仅用一个轮对采用动力、其他轮对无动力方式运行。

也可以安排增加自动调速装置，自动将靠中间的轮对，按照半径比率减速。

平移分系统620是在四个转向支柱203上，安排同等直径的转向圆盘621，并且用柔性连接带622连接，当一个转向圆盘621(驾驶员控制)转动时，将带动其他转向支柱203做同等角度同方向的转动，此时驱动车轮转动，则能够实现平移移动。

转弯分系统610和平移分系统620都套在各行走装置上部的转向支柱203上，但是必须依靠离合装置630与转向支柱203结合，离合装置630以花键方式与转向支柱203连接，由驾驶员通过一个转换杆650来结合或断开。只有在回正(沿车体轴线方向直行)的情况下，才能进行普通转向和平移模式的转换。

上述所有转向圆盘之间的柔性连接带612、614、622都属于非弹性材料，如链条、钢带等。

装置中存在张紧装置640，用于提高柔性连接带612、614、622的张力，防止虚位。

也可采用由电子方式，由舵机控制所有轮的转向。

六、喷洒系统

所述喷洒系统5包括喷洒泵501、药箱502、管路503、喷嘴504、辅助平衡轮505构成。发动机301驱动喷洒泵501实施喷洒，所述药箱502安装于车体1上，喷洒泵501通过管路503连接药箱502，喷嘴504安装在平衡杆402上，通过管路503与喷洒泵501连接。

药箱502将挂载车体1下，尽可能降低车体1的重心。药箱502可以制作成与行走装置2等宽或宽度稍大的形状，以便能够将高度下降得最低，但是，也必须考虑到水田的平移操纵，会存在一个最低高度。

喷洒泵501可以由发动机301直接用皮带等带动，也可以用电动机等能源带动。

管路503用来连接药箱502和喷洒泵501以及喷嘴504。

设计在平衡杆402两端各放置一个辅助平衡轮505，作业时离开地面，以备倾斜过大时支撑平衡杆402不至于触地。

设计平衡杆402采用轻质多节碳纤维或者铝合金拼插，并采用张线上紧装置，使之始终处于紧固状态。平衡杆402便于安装和拆卸。也可以采用可折叠的钢管结构。

本发明的运行原理是：喷洒机在行走中只碾压一个轮宽的条状区域，保证了压苗率降低到最低程度(压苗率＝轮宽/喷幅)，在实际使用过程中，将沿着植株行之间的空隙行走，从而减小压苗率，而不用像双轮那样担心压苗，或进行轮距调整，从而增加成本或工作量。

喷洒车采用有人驾驶，可以双向行走，可以正常转弯，也可以平移移动，以适应各种田地环境。平移的功能，如同下图，在地头位置，可以使所有车轮向下一个位置同时转向同样的角度，进行平移运动，到达下一个位置时，即可向指定方向进行喷洒运行作业。从而减小回转空间。

由于本发明采用了单行多轮的设计结构，在同等载重量和总装量下，可以采用多于4个的更多车轮实施喷洒，从而降低对地压强，减少了下陷的可能性。此外，由于还采用了药箱前后移动的能力，一旦发生车轮下陷，可以通过调整药箱前后位置而改变重心，同时还由于车体相对传统布局较长，可以通过改变重心体现出杠杆效应，便于喷洒机脱离下陷的困境。

Claims (3)

1.一种主动平衡式农田喷洒装置，其特征在于，包括长条形的车体(1)，以及安装在车体(1)上的行走装置(2)、动力系统(3)、平衡系统(4)、喷洒系统(5)和转向系统(6)；

所述车体(1)上设置把手(101)和座椅(102)，所述把手(101)与转向系统(6)连接，控制主动平衡式农田喷洒装置转向；

所述行走装置(2)包括车轮(201)、叉形支柱(202)、转向支柱(203)、驱动电机(204)，转向支柱(203)固定于叉形支柱(202)的上方，减震弹簧(205)套在转向支柱(203)上，转向支柱(203)通过转向轴承安装于车体(1)上，车轮(201)安装于叉形支柱(202)上，叉形支柱(202)靠近转向支柱(203)的位置设置有驱动电机(204)，驱动电机(204)通过链轮组件(207)驱动车轮(201)；链轮组件(207)由主动链轮(2071)、链条(2072)、连接在车轮的转轴的从动链轮(2073)和链条上紧装置(2074)构成；

所述动力系统(3)包括发动机(301)、发电机(302)和油箱(303)，油箱(303)与发动机(301)连接，发动机(301)通过发电机(302)为驱动电机(204)和平衡系统(4)供电，同时发动机(301)驱动喷洒系统(5)实施喷洒；

所述平衡系统(4)包括设置在车体(1)上的陀螺仪(401)、与车体(1)的轴线垂直的水平放置的平衡杆(402)，陀螺仪(401)实时探测车体(1)的左右倾斜角度和平衡系统(4)两端的上下摇摆幅度，一旦探测到车体(1)发生左右倾斜，通过电子调速器(406)调整两端平衡电机(407)和螺旋桨对(403)的转速，或者通过伺服机构(404)改变两端螺旋桨对风道(405)的进风量以降低升力，使平衡系统(4)产生左右升力差，进而产生与倾斜角度反向的转矩，自动调平车体(1)至垂直的平衡位置；

所述喷洒系统(5)包括喷洒泵(501)、药箱(502)、管路(503)、喷嘴(504)、辅助平衡轮(505)；发动机(301)驱动喷洒泵(501)实施喷洒，所述药箱(502)安装于车体(1)上，喷洒泵(501)通过管路(503)连接药箱(502)，喷嘴(504)安装在平衡杆(402)上，喷嘴(504)通过管路(503)与喷洒泵(501)连接；

所述行走装置(2)通过转向轴承与车体(1)上的转向系统(6)连接，所述转向系统(6)包括转弯分系统(610)、平移分系统(620)和离合器(630)，所述转弯分系统(610)符合阿克曼转向原理，包括不同半径的小转向圆盘(611)、大转向圆盘(613)和第一非弹性柔性连接带(612)，大转向圆盘(613)之间的第二非弹性柔性连接带(614)；所述平移分系统(620)包括同半径的同向转向圆盘(621)和第三非弹性柔性连接带(622)，转弯分系统(610)和平移分系统(620)通过由扳动转换杆(650)使离合器(630)移位实现切换；所有非弹性柔性连接带都由张紧装置(640)保持张紧状态。

2.根据权利要求1所述的一种主动平衡式农田喷洒装置，其特征在于，所述行走装置(2)有四套，所述转弯分系统(610)包括四个不同半径的小转向圆盘(611)、大转向圆盘(613)和第一非弹性柔性连接带(612)、第二非弹性柔性连接带(614)，所述平移分系统包括四个同半径的同向转向圆盘(621)和第三非弹性柔性连接带(622)。

3.根据权利要求1所述的一种主动平衡式农田喷洒装置，其特征在于，所述行走装置(2)为两套或三套，通过转向轴承与车体(1)上的转向系统(6)连接，所述转向系统(6)包括转弯分系统(610)、平移分系统(620)和离合器(630)，所述转弯分系统(610)符合阿克曼转向原理，包括两个半径相同的小转向圆盘(611)和第一非弹性柔性连接带(612)，所述平移分系统(620)包括三个同半径的同向转向圆盘(621)和第三非弹性柔性连接带(622)，转弯分系统(610)和平移分系统(620)通过离合器(630)实现切换。