【原创资讯】碳纤维在农用机械长尺寸喷雾机吊臂中的应用
近年来，随着北美，阿根廷和巴西等地区的农业领域不断扩大，并且在某些地区随着免耕农业的发展，农民们希望采用更长的长臂喷雾器系统，不但使得覆盖面积大幅提高，而且可提高生产力和农作物产量。
复合材料在农业设备中日益增长的应用是用于自行式喷涂设备的吊臂，该吊臂可用于向农作物喷洒农药等
为了满足这一需求，King Marine SA（西班牙巴伦西亚）的阿根廷分公司，利用了其复合材料专业知识开发用于自行式喷涂设备的新型喷涂机吊臂。具有讽刺意味的是，该公司核心业务是使用航空级碳纤维增强塑料（CFRP）来制造复合材料部件。
研发出来的吊臂伸开并垂直于拖拉机的主轴延伸，并允许农民将液态化学药品（例如杀虫剂，除草剂和肥料）施用于农作物。使用结束后，它们会沿着拖拉机车体重新折叠和存放，以避免与栅栏缠结，并可在道路上行驶。
长期以来，动臂均是采用金属钢材料制成，但是随着长度的增加，需要更大的支撑结构，以防止臂在扭转和疲劳载荷下具有高刚度，并且在受到围栏，树木和其他结构的意外撞击时不会弯曲（而高疲劳负荷是动臂永远不会采用铝材料的原因）。
传统钢材料制造的喷杆臂已达到了实际的结构和宽度极限
反向而言，更长的动臂和更大的支撑结构会迫使农民必须购买更大的拖拉机来搬运更重的喷涂设备，并需要更大的储罐来容纳更多的液体。 然而，在解决一个问题时，较重的设备会导致土壤紧实度增加，最终结果是导致农作物减产。 此外，许多农用化学品会腐蚀金属，较长的吊杆需要更复杂的折叠机构来存放吊杆。 钢臂架达到了大约36米（120英尺）左右的实际极限。
01 结缘CFRP吊臂新市场
2008年全球经济大萧条对个人和企业而言都是灾难性的。如具有20年的家族企业King Marine在西班牙的皮卡森特和阿根廷的坎帕纳设有制造工厂，该公司2008年进入蓬勃发展的业务，为高性能游艇生产CFRP组件，尤其是桅杆。
King Marine欧洲行政总裁兼内部审计师Natalia Dacko回忆说：“那是全球经济衰退开始的时候，豪华海洋市场遭受了巨大打击。” “我们的销售额急剧下降，我们停止建造船只。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. 旨在探索非海洋CFRP应用。
2009年，阿根廷人提出一个意外的解决方案，其自己的公司生产农业喷雾器系统，并对困扰他的金属吊臂的问题感到沮丧。Dacko回忆说：“他告诉我们，他希望动臂更轻，更长，无疲劳，耐腐蚀且易于维修。”尽管King Composite以前没有农业设备经验，但一个团队制造了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OEM厂商不断发展的业务。King Composites最终将更名为King Agro SL。
CFRP动臂具有展开和延伸的功能，易于使用
随着复合材料喷雾器吊杆业务的增长，King Agro以其创新和优质的产品而闻名。几年后，另外一家农业设备的领导者也在为自己的喷雾器吊臂战中奋斗着，注意到了King Agro的成功。迪尔公司（美国伊利诺伊州莫林）的工程团队成员于2015年与King Agro会面，讨论商机，不久，King Agro为约翰迪尔（John Deere）品牌生产和分销CFRP吊杆。
King Agro总经理Phillip Ferree解释说：“我们从King Agro的设计和建议开始，再加上Deere的开发和发现，发现它们非常适用。” “首先，我们的联合团队进行了一些更改，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。与此同时，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换为复合材料设计。”这些产品于2017年实现了商业化。
CFRP吊臂详细设计方案
“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的喷雾器的不同功能，”迪尔喷雾器产品工程主管Thomas Bartlett回忆说。“他们不仅使用不同的折叠方式-根据市场和法规，有20种不同的方式来折叠这些系统-而且耕作条件也不同。”在巴西，他们使用免耕农业。在北美，除非采取不同的耕作方式和加强法规，否则它的使用范围将受到更大的限制。欧洲的差异更大，农场规模也要小得多。他们将化学品集中放置，因此将喷雾器带到仓库进行补给，而不是像我们在美洲那样将化学品带到田间进行补给。”此外，在某些地区，水管通过臂架将液体从储罐运送到喷嘴，但在其他位置，管道在腋下奔跑。另一个挑战是延长吊臂的时间，因为在此处或那里添加另一个仪表不一定提供可行的解决方案。相反，工程师必须考虑每种地理区域的农作物种植方式以及行与行之间以及行与行之间的距离。
收缩自如的CFRP吊臂
动臂具有多个具有正方形横截面的复合管状结构，这些结构又通过连接到流体输送系统的特殊“端部”连接。模压到主体结构中的特殊设计特征为组件提供了所需的功能，以液压方式打开/关闭并在高压下输送流体。Bartlett补充说：“借助液压系统，我们能够集成所需的许多功能，因此我们可以将它们放在一起并创建一个更简单的设计。”迪尔要求动臂在不到1分钟的时间内展开/存放，并且在启动泵后的两秒钟内输送流体。
所有复合材料均使用环氧基体，并进行真空包装和高压灭菌。根据组件需要更高的强度还是更高的冲击力，使用碳纤维和玻璃纤维增强材料的组合。大部分碳纤维为24K丝束，但形式多样，从单向编织到斜纹编织，适用于具有透明涂层外观的外观层。在水力相互作用的接头和位置，需要更高强度和刚度，则使用了具有更多层的较重结构。根据型号和市场，每年的产量范围为100到1,000个系统。King Agro估计，2017年，全球自行式喷雾器的市场总量为14,000台/年。
“进入该计划，我们的目标是将动臂延伸至40米，但重量要减轻30％，因为重量非常重要，”迪尔复合喷雾机动臂设计工程师Jonathan Nelson说。“当您在机器的前部或后部悬挂较大的物体时，您正在与惯性作斗争，因此要平衡前后轴之间的负载要困难得多。我们还想提高耐腐蚀性，但还必须考虑在碳纤维存在下的电偶腐蚀。另一个要求是要有更高的冲击力，因为您永远不会看到喷雾器没有撞到东西。我们进行了针对金属的标准化测试，这些测试涉及将动臂插入围栏支柱中进行数百次循环。”由于设备以每小时24-30公里（每小时15-19英里）的速度行驶，零件的工作负荷和疲劳度令人惊讶地高管道的喷射压力为276-414 KPa [40-60 psi]。
三年后，双方合作非常成功，以至于2018年，迪尔（Deere）收购了King Agro，后者现在在其设施中制造动臂，然后将其运至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，该交易使King Agro保留其品牌名称，商标和商业关系。
转换为复合材料后，动臂可以延伸超过36米（120英尺）到40米（132英尺）。与钢相比，CFRP的强度高六倍，重量轻5.5倍，冲击力更高，并且不会腐蚀。较轻的动臂意味着更好的燃油经济性，更低的维护成本，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，更少的机器痕迹可以实现更大的收获量。另一个好处是可修复性。尼尔森补充说：“我们的经销商可能会遭受灾难性的故障，将零件切成两半，添加一些树脂，夹紧并使其固化，这样就可以了。” “实际上比焊接钢更容易修理。”
较轻的动臂意味着更好的燃油经济性，更低的维护成本，更大的工作宽度，更长的使用寿命，更低的运营成本，更容易的现场可维修性以及更少的机器痕迹和更高的效率，从而实现了更高的收成
“最好的部分是客户的利益，”巴特利特补充道。“使用碳纤维产品，它们可以提高生产率。它们可以放宽，而不会增加重量，覆盖更多的土地，减少土壤压实，并且地压的降低对产量有积极影响。”
Ferree表示同意：“从设计的角度来看，复合材料使我们能够执行在结构和宽度上都受限制的当前材料无法做到的事情，”他解释说。“从钢铁产品到优质CFRP产品，尤其是在美洲，我们已经实现了稳固的过渡，因为我们带来了更高的生产率，在这一领域中，它的宽度更大。较轻，较宽的动臂可以安装在较小，成本较低的拖拉机上。或者，可以在保持相同质量的情况下，在给定的拖拉机上运送更多的液体。无论哪种方式，前桥和后桥之间的负载平衡都得到改善，质心更接近机器的中心，从而提高了操作员的乘坐感。”
“我们的确看到了碳纤维在其他产品中的应用，” Deere农业与草坪农作物护理平台副总裁Aaron Wetzel预测。“在未来的几年中，我们将探索更多的机会，使轻巧和强于钢铁的功能为我们的客户增加产品附加值。”