对更长喷杆臂的需求使得农业设备中的复合材料成为可能

满足农业需求。 农业设备市场上越来越多的复合材料应用是自走式喷洒设备的悬臂，用于将液体化学品喷洒到作物上。来源 |迪尔公司

由于整合，北美、阿根廷和巴西等地区的连续农田变得更大，并且随着某些地区免耕农业的增加，农民希望喷洒系统具有更长的喷杆臂，以减少覆盖越来越多所需的通行次数更大的领域。这也减少了土壤板结，提高了生产力和作物产量。

具有讽刺意味的是，King Marine SA（西班牙瓦伦西亚）的阿根廷分公司的核心业务是使用航空级碳纤维增强塑料 (CFRP) 制造复合材料船部件，为了满足这一需求，它在其他市场利用了其复合材料专业知识为自走式喷洒设备开发新型喷洒臂。在使用中，悬臂展开并垂直于拖拉机的主轴延伸，允许农民将液体化学品（例如杀虫剂、除草剂和肥料）施用于作物。使用后，它们会重新折叠并沿拖拉机车身存放，以避免与围栏柱缠结，并允许农民在道路上行驶。

金属的极限。 由于需要大型支撑结构来防止臂在扭转和疲劳载荷下弯曲，因此传统上用钢制造的喷杆臂已经达到了其实际的结构和宽度限制。来源 |迪尔公司

长期以来，吊臂都是用钢制造的，但随着长度的增加，需要更大的支撑结构来防止臂在扭转和疲劳载荷下以及在与围栏、树木和其他结构的意外撞击中弯曲。 （高疲劳载荷是吊臂从未过渡到铝制的原因。）反过来，具有更大支撑结构的更长的吊臂需要农民购买更大的拖拉机来携带更重的喷洒设备和容纳更多液体的更大的水箱；然而，在解决一个问题时，较重的设备会导致土壤压实增加，从而降低作物产量。此外，许多农用化学品会腐蚀金属，而更长的围栏需要更精细的折叠机构来存放围栏。最终，钢臂达到了左右约 36 米（120 英尺）的实际限制。尽管如此，市场——尤其是在美洲——仍需要更长时间的繁荣。

经济衰退提供机会

2008 年的大衰退对个人和企业都是灾难性的。拥有 20 年历史的家族企业 King Marine 于 2008 年进入 2008 年，其业务蓬勃发展，为高性能游艇生产 CFRP 部件，尤其是桅杆。该公司在西班牙皮卡森特和阿根廷坎帕纳设有制造工厂。

“那是全球经济衰退开始的时候，豪华海事市场遭受了巨大打击，”King Marine 欧洲行政主管兼内部审计师 Natalia Dacko 回忆道。 “我们的销售额急剧下降，我们停止造船。我们处于危机模式，因为我们的公司处于危险之中。我们拥有大量的技术人员、工程师和专家——他们都是碳纤维 [复合材料] 方面的专家。最大的问题是，‘我们现在要做什么？’” King Composite S.L.旨在探索非船用 CFRP 应用。

比以往任何时候都长。 复合材料悬臂具有展开和伸展的能力，易于使用。来源 |迪尔公司

2009 年，一位阿根廷人出人意料地解决了该公司的担忧，该公司自己的公司生产农业喷雾器系统。该男子对困扰他的金属吊杆的问题感到沮丧。 “他告诉我们，他希望吊杆更轻、更长、无疲劳、防腐蚀且易于维修，”Dacko 回忆道。尽管 King Composite 之前没有农业设备经验，但一个团队制造了一个 CFRP 原型，这家阿根廷公司很喜欢它，从而启动了 King Composite 与阿根廷农业设备原始设备制造商之间不断增长的业务。 King Composites 最终更名为 King Agro SL。

随着复合喷雾机业务的蓬勃发展，King Agro 以其创新和优质的产品而闻名。几年后，它的成功引起了一位农业设备领导者的关注，因为它正在与自己的喷洒机热潮进行斗争。 Deere &Co.（美国伊利诺伊州莫林）的工程团队成员于 2015 年与 King Agro 会面，讨论机会，很快 King Agro 开始为约翰迪尔品牌生产和分销 CFRP 吊杆。

新一代，新排列

“我们从 King Agro 的设计和建议以及 Deere 的开发开始，发现它们非常适用，”King Agro 总经理 Phillip Ferree 解释说。 “首先，我们的联合团队做出了一些改变，以提高南美市场的可靠性和耐用性，并于 2015 年推出了这些产品。同时，我们开始为北美和欧洲设计第二代产品。为了满足当地法规，我们需要在耐用性和冲击力等方面具有不同的功能，这需要将金属规格转化为复合设计。”这些产品于2017年实现商业化。

“在我们的第一次会议上，我们花了三个小时来讨论北美和南美喷雾器的不同特性，”Deere 喷雾器产品工程主管 Thomas Bartlett 回忆道。 “他们不仅使用不同的折叠模式——根据市场和法规有 20 种不同的折叠方式——而且农业条件也不同。在巴西，他们使用免耕农业。在北美，它受到更多限制，直到有不同的耕作方式和更多的监管。欧洲有更多的差异和小得多的农场。他们将化学品集中存放，因此喷雾器被带到仓库进行补充，而不是像我们在美洲那样将化学品带到田间进行补充。”此外，在某些地区，管道将液体从储罐通过臂输送到喷嘴，但在其他地方，管道在臂下方运行。另一个挑战是延长吊杆多长时间，因为在这里或那里添加另一个仪表不一定能提供可行的解决方案。相反，工程师必须考虑如何在每个地理区域种植作物以及行间距和行间距。

折叠起来便于存放。 动臂收起以方便在田间和设备存储之间移动。来源 |迪尔公司

起重臂具有多个方形截面的复合管状结构，这些结构依次通过连接到流体输送系统的特殊“端部”连接。模制在主要结构中的特殊设计特征为组件提供了所需的功能，以液压打开/关闭并在高压下输送流体。 “通过液压系统，我们能够集成许多我们需要的功能，这样我们就可以将所有东西放在一起，并创建一个更简单的整体设计，”巴特利特补充道。 Deere 要求动臂在 1 分钟内展开/收起，并在泵启动后两秒内输送流体。

所有复合材料都使用环氧树脂基体，并真空袋装和高压釜固化。根据组件需要更高的强度还是更高的冲击力，使用碳纤维和玻璃增强材料的组合。大多数碳纤维是 24K 丝束，但有多种形式，从单向编织到斜纹编织，用于具有透明涂层饰面的外观层。在需要更多强度和刚度的接头和液压相互作用的位置，使用具有更多层的更重的结构。根据型号和市场的不同，每年的生产量从 100 到 1,000 个系统不等。 King Agro 估计，2017 年，自走式喷雾机的全球市场总量为 14,000 台/年。

“进入该计划时，我们的目标是将喷杆延长至 40 米，但重量降低 30%，因为重量非常重要，”迪尔复合材料喷雾器喷杆设计工程师乔纳森·纳尔逊 (Jonathan Nelson) 指出。 “当您在机器的前部或后部悬挂大质量物体时，您正在与惯性作斗争，因此在前后轴之间平衡负载要困难得多。我们还想提高耐腐蚀性，但也必须考虑碳纤维存在时的电偶腐蚀。另一个要求是更高的冲击力，因为您永远不会看到没有击中东西的喷雾器 .我们进行了为金属开发的标准化测试，这些测试涉及将吊杆运行到围栏柱上数百个周期。”零件的工作负荷和疲劳度高得惊人，因为设备以每小时 24-30 公里 [15-19 英里 / 小时] 的速度行驶，而管道的喷涂压力为 276-414 KPa [40-60 psi]。

更轻、更好、更快

三年后，双方的合作卓有成效，2018 年，Deere 收购了 King Agro，该公司现在在其工厂建造围油栏，并将其运往美国爱荷华州得梅因和荷兰霍斯特的约翰迪尔工厂进行最后组装。据报道，这笔交易允许 King Agro 保留其品牌名称、商标和商业关系。

轻臂的好处。 更轻的动臂意味着更好的燃油经济性、更少的维护、更大的工作宽度、更长的使用寿命、更低的运营成本、更容易的现场维修和更高的效率，更少的机器轨迹以获得更大的收获量。来源 |迪尔公司

转换为复合材料使吊杆能够延伸超过 36 米（120 英尺）至 40 米（132 英尺）。与钢相比，CFRP 的强度是钢的 6 倍，重量是 5.5 倍，具有更高的冲击力并且不会腐蚀。更轻的动臂意味着更好的燃油经济性、更少的维护、更大的工作宽度、更长的使用寿命、更低的运营成本和更高的效率，更少的机器轨迹以获得更大的收获量。另一个好处是可修复性。 Nelson 补充说：“我们的经销商可以应对灾难性故障，将组件切成两半，添加一些树脂，将其夹紧并使其固化，然后就可以开始使用了。” “实际上，它比焊接钢材更容易修复。”

“最好的部分是客户利益，”巴特利特补充道。 “使用碳纤维产品，它们可以提高生产力。它们可以在没有重量损失的情况下变得更宽，覆盖更多的土地，减少土壤压实，并且地面压力的降低对产量产生积极影响。”

Ferree 表示同意：“从设计的角度来看，复合材料使我们能够做我们无法用当前材料做的事情，因为这些材料在结构和宽度上受到限制，”他解释说。 “我们已经从我们的钢铁产品向优质 CFRP 产品实现了稳固的过渡——尤其是在美洲——因为我们带来了更高的生产力，在这一领域的宽度更大。更轻、更宽的吊杆可以安装在更小、成本更低的拖拉机上。或者，在保持相同质量的情况下，给定的拖拉机可以携带更多的液体。无论哪种方式，前后轴之间的负载平衡得到改善，质心更接近机器中心，改善了操作员的乘坐体验。”

“我们确实看到碳纤维在其他产品中的应用，”Deere ag &turf 作物护理平台副总裁 Aaron Wetzel 预测道。 “在未来几年，我们将探索更多的机会，在这些机会中，重量轻且强度超过钢的能力将为我们的客户增加产品的附加价值。”