直升机航空施药供液装置设计研究

刘彬 茹煜 陈旭阳 刘洋洋

摘要：为解决航空施药供液装置存在的喷洒范围小、能耗高、作业效率低等问题，设计一款适用于R44轻型直升机的供液装置。通过延伸喷杆扩大作业喷幅，利用防晃结构减少药液晃动。施药试验结果表明，装置适用于轻型直升机施药作业。

关键词：供液装置;航空施药;设计;药箱;驱动装置

中图分类号：S224.3    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2021）04-0026-03

我国是林业大国，人工林面积现居世界首位。然而，随着我国林业种植面积的进一步扩大，林业病虫害多发频发，降低林木产量和破坏林区生态。人工林种植面积广、地形复杂，传统的人工施药和车载式施药机无法满足病虫害防治要求，需要采用航空施药方式。目前，航空供液装置大多由航空公司自行设计，存在喷洒范围小、能耗高、作业效率和药液利用率低等问题。为此，设计一款适用于R44轻型直升机的航空施药供液装置，其与直升机简单连接，且具有施药喷幅大、药液晃动小、能耗低的特点，以期为人工林的航空施药提供适用装置。

1 航空施药供液装置的设计背景

我国人工林种植地形相对复杂，人工施药和车载式施药困难，而航空施药可以摆脱地形和作物长势的影响。目前，大多采用固定翼飞机、轻型飞机和无人机开展施药作业。与有人驾驶的飞机相比，无人机速度变化灵活，但存在载药量小和续航时间短的问题。轻型直升机可以垂直起降，无需机场和专用跑道，单次作业承载的药量较大，因此能够胜任地形复杂林区的施药作业。

目前，航空施药供液装置大多是针对无人机的，将药箱、液泵和喷雾装置直接固定在机身下方。常见的航空施药供液装置尚存在一些问题：供液装置与飞机连接不合理，甚至直接焊接在机身上，用途局限性大;施药供液装置移动不便，安装时加重前期准备工作，影响作业效率;喷杆单次的作业范围较小，延长喷洒作业时间，增加多施、重施的可能性，既浪费农药又污染环境;在作业过程中，飞机转向、加速、减速和爬坡导致箱体内部的药液发生剧烈晃动，影响机身稳定性，增加飞行员操作难度;箱体内残留的药液无法得到有效清理，腐蚀箱壁。

2 航空施药供液装置的结构与原理

2.1 整体结构

施药供液装置包括药箱、药液驱动装置、喷雾装置和连接装置，三维模型如图1所示。药箱设有行走装置，便于移动和安装。药箱借助吊装组件与飞机的滑橇连接，保证药箱稳定。药液驱动装置安装在飞机的滑橇上，通过软管与药箱及喷雾装置连接。喷雾装置通过连接杆安装在药箱上，由主喷杆及延伸喷杆构成，保证足够的作业范围。

2.2 工作原理

使用时，供液装置安装在直升机的滑橇上，通过进液口将药液注入药箱内;汽油机水泵通过软管连接药箱底部出液口，泵启动后抽出药液，经过滤装置去除杂质后传输给主喷管和延伸喷管，最终通过喷管喷头实现喷洒。完成作业后，利用液位计确定药液剩余量，再通过药箱上的清洗口向其内部注水，对药箱进行浸泡和冲洗。

3 航空施药供液装置关键结构的设计

施药过程中的药液储存、抽取和喷洒，主要由药箱、药液驱动装置、喷雾装置和连接装置完成。

3.1 药箱

药箱通过药液驱动装置与喷雾装置连通，方便拆卸，如图2所示。为适应林业面积大的特点，药箱容量设置为180 L。药箱上设有行走装置，方便药箱移动。行走装置为间隔设置的一对车轮和一支撑块或者两对车轮，其中一组车轮和支撑块能支撑药箱的重量，减轻车轮受力。支撑块的高度等于车轮最低点到药箱底部的距离。药箱通过吊装组件与直升机的滑橇连接。药箱上设置有进液口、出液口和清洗口。其中进液口2个，放置在药箱尾部两侧，可以同时加药;出液口设置在药箱底部，便于与泵连接;3个清洗口分别设置在药箱的前、中、后位置，可以实现对药箱内部不同位置的清洗，减少药液对于箱体的腐蚀。

药箱采用密度较小的铝合金一体成型制得，有效减少整体质量，节约燃料。为给飞机上的通讯设备留有安装空间，药箱上留有中部通孔和方形通孔。药箱上还设有液位计，用于观察药液量。

为减少施药作业过程中的药液晃动，设计药液防晃结构，如图3所示。在药箱内顶面上设置2个隔板，间距为805 mm，将整个药箱分为3个部分，隔板与药箱边缘的距离为600 mm。为保证药箱内的药液正常流动，在隔板底部与药箱底板间留有一定间距，高度为1～20 mm。

3.2 药液驱动装置

药液驱动装置为汽油机水泵，借助软管与药箱出液口相连。在汽油机水泵的出水口设置一网片式过滤器，以避免药渣堵塞喷头，其结构如图4所示。

3.3 喷雾装置

喷雾装置包括喷杆和喷头。喷杆上均匀设置有若干个喷头，最大压力载荷为1 MPa。喷杆通过连接架与药箱连接，连接架的设计采用插销原理。喷杆包括主喷杆和延伸喷杆，结构分别见图5和图6。两者通过快速接头连接，喷杆上均匀布满喷头接口，能够提高作业范围。在主喷杆上装有压力表，用于监测喷雾装置内的压力。

3.4 连接部件

连接部件主要用于连接药箱和直升机滑橇、汽油机水泵和直升机滑橇。吊装组件用于连接药箱与滑橇，包括卡箍、吊装杆和吊装片。

在飞机滑橇（图7）的两侧各设置一对卡箍，距离滑橇底部500～600 mm处。药箱两侧焊接有U型槽状吊装片，通过吊装杆与卡箍连接。吊装片设有3个不同高度的安装孔，用于调节高度。

如图8所示，防滑托架用于固定汽油机水泵，位于滑橇前端350 mm处。防滑托架分为上、下两部分，用紧固螺栓固定，水泵利用4个螺栓安装在防滑托架上。

4 航空施药供液装置应用试验

制作航空施药供液装置的样机后开展航空施药试验。对直升机进行安全检查后，安装航空施药供液装置。通过试验发现：在整个航空施药过程中，主喷杆和延伸喷杆能有效增加作业范围，提高单次作业效率;连接部件使供液装置与飞机连接可靠，增加飞行稳定性;铝合金材料减轻供液装置的重量，有利于降低能耗。但在施药过程中，液体晃动幅度依然较大，反复冲击药箱内壁，势必会加速药箱的疲勞和老化。同时，药液剧烈晃动会使直升机振动，影响迎角安定性和仪器精度。今后，应该重点改进供液装置中的药液防晃结构。

5 结语

针对目前航空施药供液装置存在的安装复杂、质量过重等问题，设计一款适用于R44轻型直升机的供液装置。药箱与直升机连接简单方便，通过延伸喷杆扩大施药喷幅。设置有清洗口，便于作业结束后清洗药箱内部。同时，防晃设计能减少作业时的药液晃动。样机施药试验结果表明，该装置适用于轻型直升机的施药作业，但施药过程中的液体晃动幅度依然较大，需要后期改进相关的结构设计。

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Study on the Design of Helicopter Aerial Spraying Liquid Supply Device

LIU Bin， RU Yu*， CHEN Xuyang， LIU Yangyang

（College of Mechanical and Electronic Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037， China）

Abstract： In order to solve the problems of small spraying range， high energy consumption and low operation efficiency caused by imperfect spraying liquid supply device in aerial spraying process， an aviation liquid supply device suitable for R44 light helicopter is designed.Expand the working spray amplitude by extending the spray rod， and use the anti-shaking structure to reduce the shaking of the medicinal fluid. The application test results show that the device is suitable for light helicopter application operations.

Key words： liquid supply device; aerial spraying liquid; design; medical kit; driving device

收稿日期：2021-03-19

基金项目：“十三五”国家重点研发计划“人工林重大灾害防控关键技术研究”子课题“智能精准变量及生物活性保持技术”（2018YFD0600202-04）

作者简介：刘 彬（1996—），男，硕士，从事农林植保技术与装备研究。

通信作者：茹 煜（1973—），女，教授，博士生导师，从事农林植保技术与装备研究。