Versnellingsbak van de luchtsproeier: aandrijving van de nevelblazer voor boomgaarden

Doordringing van het bladerdak: waarom luchtstroom belangrijk is bij het bespuiten van boomgaarden

Een volwassen appelboom heeft een kroonvolume van 200 tot 600 kubieke meter – een dichte, driedimensionale verdeling van bladeren en vruchten verspreid over takken die variëren van 15 meter uit elkaar (buitendiameter van de kroon) tot nul uit elkaar (takkenclusters in het binnenste gedeelte). Conventionele spuitbomen spuiten vloeistof via onafhankelijke sproeiers met een lage snelheid (0,5 tot 2 m/s aan de sproeierpunt), waarbij de vloeistof een ballistische baan volgt die binnen 1 tot 2 meter van de sproeier wordt onderschept door de bladeren in de buitenste kroon. Het diepere binnenste gedeelte van de kroon – waar 60 tot 80 procent van het totale vruchtoppervlak zich bevindt – wordt bij een standaard spuitboom helemaal niet bespoten. Een geavanceerde spuitboom biedt een oplossing. luchtgeblakte aftakasversnellingsbak Dit wordt opgelost door een hogesnelheidscentrifugaalventilator aan te drijven die luchtsnelheden van 15 tot 30 m/s genereert bij de uitlaat van de ventilator – snel genoeg om sproeineveldeeltjes door de gehele boomkroon te transporteren en vloeistof af te zetten op alle blad- en vruchtoppervlakken, ongeacht hun positie in het volume van de boom.

Het luchtstraalprincipe vereist twee afzonderlijke uitgangen van de spuitapparatuur: de primaire luchtstroom die wordt gegenereerd door de hogesnelheidsventilator en de vloeibare spray die in die luchtstroom wordt gebracht op een punt waar maximale verneveling en nevelverspreiding plaatsvindt. De spuitpomp (doorgaans een centrifugaalpomp, identiek aan een standaard spuitboompomp, werkend met 2500 tot 3500 toeren per minuut) injecteert vloeistof met een snelheid van 1 tot 3 liter per minuut in de uitlaat van de hoofdventilator, waar de hogesnelheidslucht de vloeistof vernevelt tot druppels met een diameter van 100 tot 150 micrometer. Deze gewenste nevelgrootte – veel fijner dan de druppels van 200 tot 400 micrometer van conventionele spuitbomen – dringt effectiever door in het bladerdak en zet zich af op de binnenste bladoppervlakken die kleiner en dieper in elkaar genesteld zijn dan de grote buitenste bladeren die de spray van de spuitboom opvangen.

Hogesnelheidsventilatoraandrijving: van aftakas tot luchtsnelheid in de kap

De luchtsnelheid bij de ventilatoruitlaat is rechtstreeks afhankelijk van het toerental van de ventilator (waarbij verliezen in de luchtkanalen buiten beschouwing worden gelaten): het toerental van de ventilator is ongeveer gelijk aan de luchtsnelheid gedeeld door de straal van de ventilatorbladen. Een centrifugaalventilator met een rotordiameter van 200 millimeter die draait met 6000 omwentelingen per minuut produceert een luchtsnelheid van ongeveer 20 meter per seconde (berekening: 6000 tpm × 0,2 m straal ÷ 60 s/min = 20 m/s). Een hoger toerental resulteert in een hogere luchtsnelheid (wet van de affiniteit: snelheid evenredig met het toerental), waardoor de ervaren gebruiker de penetratiediepte van het bladerdak kan aanpassen door de ventilatorsnelheid actief te regelen via het instelbare aftakas-toerentalregelsysteem van de tractor of via een variabele overbrengingsverhouding in de versnellingsbak zelf. Vanaf een aftakas van 540 tpm vereist het bereiken van een ventilatorsnelheid van 6000 tpm een ​​snelheidsverhogingsverhouding van 1:11,1 – ruim boven de mogelijkheden van een eentraps systeem en vereist een aanzienlijke aanpassing. versnellingsbak van de luchtstraalsproeier met twee of drie versnellingsfasen om de totale overbrengingsverhouding te verdelen.

De meest voorkomende configuratie is een tweetraps ontwerp met een haakse kegeltandwieloverbrenging als ingang, die een snelheidsverhoging van 1:3 tot 1:3,5 oplevert, gevolgd door een parallelle spiraalvormige uitgang met een extra vermenigvuldiging van 1:3 tot 1:3,8 – wat resulteert in gecombineerde verhoudingen van 1:9 tot 1:13,3. Dit ontwerp concentreert de hoogste snelheid van de tandwieloverbrenging (de spiraalvormige uitgang) in een compacte opstelling en zorgt ervoor dat beide trappen binnen hun efficiënte snelheids- en koppelbereik kunnen werken. Als alternatief gebruiken sommige fabrikanten van hoogwaardige apparatuur een tweetraps tandwielkast met parallelle spiraalvormige overbrenging (cascade-ontwerp) zonder haakse kegeltandwieloverbrenging. Dit offert de richtingsflexibiliteit van een kegeltandwieloverbrenging als ingang op (waardoor de aftakas horizontaal moet komen), maar wint aan mechanische eenvoud en een iets hoger rendement door het verlies door de kegeltandwieloverbrenging te elimineren.

Bij een aftakas met 1000 tpm daalt de benodigde overbrengingsverhouding naar 1:6 tot 1:8 — nog steeds buiten het bereik van een eentraps kegelwieloverbrenging (maximaal 1:5 tot 1:6), maar wel haalbaar met een eenvoudiger tweetraps ontwerp. Fabrikanten zoals Ever-Power PTO-versnellingsbak Steeds vaker worden luchtstraalaandrijvingen met een specifiek toerental van 1000 RPM aangeboden voor het premiumsegment, waar apparatuur met een hoger aftakastoerental de standaard is. De bescheiden verlaging van de totale overbrengingsverhouding vertaalt zich direct in een kleinere behuizing, lagere kosten en een hoger rendement – ​​waardevolle voordelen in de compacte fruitteeltgebieden waar hoogwaardige luchtstraalapparatuur geconcentreerd is.

Variabele snelheidsregeling: luchtstroom aanpassen aan de omstandigheden van het bladerdak

De penetratie en afzetting van luchtverneveling hangt cruciaal af van de balans tussen luchtsnelheid en vloeistofdebiet. Bij een zeer hoge luchtsnelheid (ventilator met meer dan 8000 toeren per minuut, luchtsnelheid van meer dan 25 meter per seconde) met een laag vloeistofdebiet wordt de nevel zeer fijn verneveld, maar kan deze met de wind meedrijven voordat hij op de doeloppervlakken neerslaat. Dit is met name problematisch op winderige dagen of in open boomgaarden met weinig windbescherming. Daarentegen zijn bij een lagere luchtsnelheid (ventilator met 4000 toeren per minuut, luchtsnelheid van 12 meter per seconde) met een hoger vloeistofdebiet de druppels groter en bezinken ze gemakkelijker, maar de luchtstroom dringt niet diep genoeg door om de nevel in dichte boomkruinen te brengen. Het optimale werkingspunt varieert met het gewastype (dicht versus open bladerdak), de boomgrootte (dwerg versus volwassen) en de weersomstandigheden (windsnelheid, luchtvochtigheid, temperatuur).

Geavanceerde luchtsproeiers zijn daarom voorzien van een transmissie of koppeling met variabele snelheid, waarmee de gebruiker de ventilatorsnelheid traploos kan aanpassen tussen 4.000 en 8.000 toeren per minuut zonder de snelheid van de hoofdsproeipomp te wijzigen. Bij moderne luchtsproeiers wordt dit bereikt door middel van een geavanceerde secundaire transmissie met variabele snelheid, gemonteerd tussen de uitgang van de primaire versnellingsbak en de ventilatoraandrijving, of door een versnellingsbak met meerdere overbrengingsverhoudingen en selecteerbare versnellingsposities die vaste, discrete snelheden bieden (doorgaans drie tot vijf snelheidsstappen van minimum tot maximum). De eenvoudigste en meest praktische aanpak – en de aanpak die het meest wordt toegepast bij machines voor kleinschalige telers – is een regelbare aftakasregeling via de motortoerenregelaar van de tractor. Hierdoor kan de ventilatorsnelheid nauwkeurig worden afgestemd op de veldomstandigheden, terwijl de hoofdsproeipomp wordt aangedreven via een apart, onafhankelijk aandrijfcircuit.

De versnellingsbak van de luchtstraalsproeier De tandwielkast zelf moet zo ontworpen zijn dat hij op elk punt in zijn snelheidsbereik kan functioneren zonder thermische of mechanische problemen. Dit is een hogere eis dan bij een tandwielkast voor een pomp met een vaste snelheid, omdat het ontwerp van de lagers en tandwielen zowel de vollasttoestand bij maximale snelheid als de deellasttoestand bij minimale snelheid moet kunnen opvangen, zonder dat de voorspanning van de lagers te veel daalt of de thermische werking buiten de acceptabele grenzen valt. Sneldraaiende spiraalvormige tandwielen genereren meer efficiëntieverlies (en dus meer warmte) bij deellast dan bij maximale snelheid als het ontwerp van de tandwielkast hier geen rekening mee houdt.

Aerodynamisch ontwerp van de ventilator en geluidsbeheersing

De ventilator zelf maakt geen deel uit van de versnellingsbak (de versnellingsbak levert alleen de rotatiekracht aan de ventilator), maar de uitgangssnelheid en het koppel van de versnellingsbak hebben een grote invloed op het werkingspunt van de ventilator op de aerodynamische curve. Een centrifugaalventilator heeft een complexe aerodynamische relatie tussen snelheid, debiet en druk. Afwijken van het ontwerppunt van de ventilator (de snelheid en tegendruk waarbij deze is geoptimaliseerd) zorgt ervoor dat het luchtstroompatroon instabiel wordt, wat leidt tot pulserende luchtuitlaat, lawaai en een verminderde verstuivingskwaliteit.

Een hoogwaardige tandwielkast die zorgt voor een soepele, stabiele uitgangssnelheid onder alle bedrijfsomstandigheden en belastingen, zorgt ervoor dat de ventilator constant in de buurt van zijn ontwerpsnelheid blijft. Een tandwielkast met een aanzienlijke snelheidsvariatie (meer dan ±3 procent bij wisselende belasting) zorgt er daarentegen voor dat de ventilator rond zijn ontwerpsnelheid oscilleert, wat hoorbare pulsering (een soort helikopterachtig bonkend geluid) veroorzaakt. Dit duidt erop dat de ventilator op zoek is naar een stabiele werking. Deze karakteristieke pulserende werking vermindert de kwaliteit van de sproeinevel, verhoogt de geluidsoverlast voor omwonenden (een belangrijk probleem in intensieve fruitteeltgebieden waar boomgaarden grenzen aan woonwijken) en kan de slijtage van de ventilatorlagers en -bladen versnellen door de cyclische belasting die gepaard gaat met het werken buiten het ontwerpbereik.

Het geluidsdrukniveau, gemeten op 1 meter afstand van een goed afgestelde luchtspuitmachine, bedraagt ​​doorgaans 85 tot 92 decibel A-gewogen – luid, maar binnen het bereik dat operators met gehoorbescherming kunnen verdragen gedurende de 2 tot 4 uur per dag dat deze apparatuur doorgaans in gebruik is tijdens het korte fruitcoatingseizoen. Een versnellingsbak met snelheidsschommelingen kan dit geluidsniveau met 3 tot 5 dB(A) verhogen – een subjectieve verdubbeling van de waargenomen luidheid die de bediening onaangenaam en potentieel gevaarlijk maakt. Synthetische tandwielolie (op PAO-basis, ISO VG 220) en spiraalvormige tandwielen met een hoge contactverhouding en minimale speling zijn de ontwerpkenmerken van de versnellingsbak die snelheidsschommelingen en geluidsoverlast bij hogesnelheidsluchtspuitmachines minimaliseren.

Thermisch beheer bij hoge rotatiesnelheid

Het elektrische vermogen dat als afvalwarmte in een versnellingsbak wordt afgevoerd, is rechtstreeks evenredig met het ingangskoppel en omgekeerd evenredig met het rendement van de versnellingsbak. Een hogesnelheidsversnellingsbak die 30 pk overbrengt met een totaal rendement van 92 procent, voert continu 30 × 0,08 ÷ 0,92 = 2,6 kW aan warmte af. Deze warmte moet via het oppervlak van de versnellingsbakbehuizing worden afgevoerd om te voorkomen dat de olietemperatuur boven de maximale veilige bedrijfstemperatuur stijgt (doorgaans 95 tot 110 graden Celsius voor minerale versnellingsbakolie, 105 tot 120 graden voor synthetische PAO-olie). Het beschikbare oppervlak voor warmteafvoer van een compacte hogesnelheidsversnellingsbak is beperkt: een versnellingsbakbehuizing met een volume van slechts 0,5 kubieke meter heeft een maximaal oppervlak van ongeveer 6 vierkante meter. Bij tropische omgevingstemperaturen van 35 tot 40 graden Celsius is het temperatuurverschil dat beschikbaar is voor convectieve warmteoverdracht slechts 55 tot 75 graden Celsius, en de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt door natuurlijke convectie is slechts 5 tot 10 W/(m²·K). Onder deze omstandigheden is de koeling door natuurlijke convectie onvoldoende om een ​​veilige olietemperatuur te handhaven zonder aanvullende geforceerde koeling.

De meeste commerciële luchtblazers landbouwversnellingsbak Spuitmachines zijn daarom voorzien van een oliekoeler – ofwel een ventilatorgekoelde aluminium plaatkoeler of een vloeistofgekoelde unit die warmte uitwisselt met het koelcircuit van de tractormotor. De koeler moet gedimensioneerd zijn voor de volledige vermogensdissipatie van de versnellingsbak onder de meest ongunstige omstandigheden op warme dagen. Een 30 pk luchtstraalversnellingsbak die werkt bij een omgevingstemperatuur van 40 graden en een vermogen van 2,6 kW dissipeert, vereist een koelcapaciteit van minimaal 3 kW om een ​​veilige bedrijfstemperatuur te handhaven met een marge voor vervuiling en efficiëntieverlies gedurende het seizoen. Ondergedimensioneerde of onjuist gespecificeerde koelers zijn een goed gedocumenteerde primaire oorzaak van thermische storingen en catastrofale defecten aan versnellingsbakken in commerciële luchtstraalspuitmachines, met als gevolg olieoxidatie, lagerschade en voortijdige slijtage van de tandwielen.

Seizoensgebonden onderhoud en opslag buiten het seizoen

Luchtsproeiers hebben een sterk seizoensgebonden gebruikspatroon – doorgaans 30 tot 100 bedrijfsuren geconcentreerd in een periode van 6 tot 12 weken, wanneer het fruit zich in de kritieke groeifase bevindt die de uiteindelijke grootte en marktwaarde bepaalt. De kenmerkende lange perioden van inactiviteit tussen de actieve sproeiseizoenen brengen unieke en veeleisende onderhoudsuitdagingen met zich mee. Tijdens opslag ondergaat de versnellingsbak thermische cycli waardoor vocht via de ontluchtingsopening in de behuizing wordt gezogen. Blootstelling aan regen of een hoge luchtvochtigheid kan de lucht in de behuizing verzadigen. Dit vocht hoopt zich op in het laagste punt van de behuizing (de bodem van het oliecarter), waar het corrosieputjes op de tandwielen en lageroppervlakken veroorzaakt. De corrosieputjes fungeren als spanningsconcentratiepunten waar vermoeidheidsscheuren in de lagers eerder ontstaan ​​dan in materiaal zonder corrosieputjes.

De voorbereiding op het seizoen moet een olieverversing met verse synthetische PAO-tandwielolie omvatten, een visuele inspectie van alle lagers op verkleuring of corrosie, en een grondige reiniging van de oliekoeler om opgehoopt stof en vuil te verwijderen. Tijdens het bedrijfsseizoen moet de luchtstroom in de koeler dagelijks worden gecontroleerd. Bladeren, fruitstof en drijfnevel van andere spuitapparatuur in de buurt hopen zich op de koelvinnen op en verminderen geleidelijk de koelprestaties. Als de olietemperatuur onder normale bedrijfsomstandigheden boven de 100 graden Celsius komt, moet de koeler worden gereinigd voordat het bedrijf verdergaat. Dagelijkse controle van de PTO-as Smering van de kruiskoppeling is essentieel. Langdurig gebruik op hoge snelheid genereert aanzienlijk meer wrijvingswarmte en slijtage in de lagers van de kruiskoppeling dan bij landbouwwerktuigen op lage snelheid. Dit versnelt de slijtage van de lagers als het smeermiddel niet op een vers, beschermend niveau wordt gehouden. Leveranciers van apparatuur die gespecialiseerd zijn in versnellingsbaktechnologie schrijven zwaardere kruiskoppelingen (serie 6 of hoger koppel) voor toepassingen met luchtkoeling voor om de levensduur van de aandrijflijn in de omgeving met hoge snelheden te verlengen.

Veelgestelde vragen

Redacteur: Cxm