唐敬軒，孫　星，吳儉敏，董　祥，王錦江，朱立成

(中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京　100083)

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手動式噴霧器綜合試驗臺設計

唐敬軒，孫星，吳儉敏，董祥，王錦江，朱立成

(中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京100083)

摘要：噴霧器產(chǎn)品質(zhì)量關乎農(nóng)作物質(zhì)量安全，也關乎操作人員健康安危。鑒于我國農(nóng)業(yè)目前仍以小農(nóng)戶經(jīng)營為主，生產(chǎn)規(guī)模不大，因此使用中還是以手動式噴霧器等小型噴霧器為主。為對手動式噴霧器的主要性能參數(shù)進行可靠評估，現(xiàn)參照相關國家或行業(yè)標準，設計了專門的試驗臺。該試驗臺通過PLC驅(qū)動電動伺服缸和電動推桿實現(xiàn)模擬手臂對手動噴霧器進行打壓、噴霧，并由上位PC通過通訊端口獲取過程參數(shù)值，全程監(jiān)測試驗設備的各項試驗參數(shù)并將其保存到試驗數(shù)據(jù)庫中。

關鍵詞：噴霧器；試驗臺；綜合性能；上下位機控制

0引言

噴霧是目前植保中防治病蟲害最常用的手段，噴霧器是我國最常用的植保機械之一[1]。近年來，國內(nèi)涌現(xiàn)出了一批設計更加合理、生產(chǎn)工藝更加可靠的手動式噴霧器產(chǎn)品；但鑒于噴霧器本身的技術含量、生產(chǎn)條件、投資規(guī)模等要求均不高，還是存在許多生產(chǎn)條件差、生產(chǎn)設備簡陋的廠家生產(chǎn)的偷工減料、以次充好的噴霧器流入市場[2]。因此，需要設計一個試驗臺，針對手動式噴霧器的各項性能參數(shù)進行可靠評估。

本文所研究的手動式噴霧器試驗臺可對截流閥可靠性、噴霧性能、穩(wěn)壓性能、氣泵容積效率及整機可靠性等性能進行評估[3-6]。其外部采用鋁合金框架并配有有機玻璃，噴霧室單獨隔離，避免水霧在實驗室中擴散；噴霧器的加壓與噴桿的按壓也是由電缸伸縮控制，噴頭部分安裝有噴霧量流量計量裝置；采用上下位機工作方式，數(shù)據(jù)的采集與處理由下位機完成，試驗完成后再自動上傳至上位機，用戶可以通過程序提供的歷史查詢功能調(diào)出以往被測設備的試驗記錄并將其自動生成試驗報表輸出打印。該系統(tǒng)功能齊全、適用范圍廣、性能穩(wěn)定、工作可靠、精度高、使用維修方便，適用于相關科研院所、生產(chǎn)企業(yè)和質(zhì)量監(jiān)督檢測部門對手動式噴霧器類產(chǎn)品進行設計開發(fā)、研究試驗及產(chǎn)品質(zhì)量檢測試驗等領域。

1系統(tǒng)結(jié)構設計

1.1流量計量方法的選擇

噴霧器的截流閥可靠性、噴霧性能、穩(wěn)壓性能等性能，主要是以試驗過程中的系統(tǒng)壓力和噴霧流量作為依據(jù)。在實際應用中，需要根據(jù)不同的產(chǎn)品、試驗環(huán)境、人員等因素，選擇合適的流量測量方法。目前，常用的測量方法有：稱重法、容積法、壓差裝置和流量計法等[7]。

1)稱重法：稱重法分靜態(tài)稱重法與動態(tài)稱重法，區(qū)別在于液體向容器內(nèi)注入和向容器外排出是交替進行還是瞬時進行。稱重法水流量標準裝置結(jié)構示意圖，如圖1所示[8]。稱重法得到的是一定時間內(nèi)的液體流量的平均值，此法是流量測量的最精確方法。但需要注意，相對稱重誤差及由于被稱量的液體受大氣壓力的作用而產(chǎn)生的反作用力和液體密度的影響。

圖1　稱重法水流量標準裝置結(jié)構示意圖

2)容積法：容積法精度接近稱重法，得到的也是注滿標準容器的這段時間內(nèi)的流量平均值。容器的校準是逐次通過稱重確定水的容積，進而測出液位高度；但需要注意容器的校準及容器的泄漏問題，必要時應作泄漏修正。

3)壓差裝置法：壓差裝置包括孔板、噴嘴和文丘里管等。采用壓差裝置法需要滿足最小直管段長度要求，并安裝整流柵。

4)流量計法：流量計法是當前普遍采用的測量流量的方法，包括渦輪流量計和電磁流量計。流量計直接給出電信號，方便集成于一個系統(tǒng)，并且直觀、準確、高效。但是，電磁流量計的安裝與調(diào)試較復雜，且要求更嚴格。渦輪流量計如果管道流速不均將造成測量誤差，直管段要求高。

根據(jù)以上分析，結(jié)合實際情況，本試驗臺決定采用稱重法，并利用電控閥門實現(xiàn)容器進水和排水交替進行，確保穩(wěn)定性與精確度。

1.2機械結(jié)構設計

綜合試驗臺結(jié)構示意圖，如圖2所示。試驗臺整體外部為全封閉鋁合金框架結(jié)構，前后均安裝雙開門，門體為有機玻璃，關上門后通過磁鐵固定。試驗臺操作過程中，關閉前后門，噴霧室相對封閉，避免水霧在實驗室中擴散。

1.滑軌　2.藥箱夾具　3.電動推桿　4.電動伺服缸

試驗臺框架內(nèi)部分為兩部分。第1部分配有噴霧器的藥箱夾具，采用滑軌移動，將噴霧器放置在藥箱夾具上，移動到所需位置后，用手輪鎖定噴霧器藥箱夾具。藥箱夾具的夾緊是通過電動推桿控制完成。藥箱夾具的前后左右可調(diào)，使得該試驗臺適用于不同類型規(guī)格的藥箱。噴霧器的加壓動作則采用一垂直安裝的伺服電缸和1只鉸鏈式連桿機構來實現(xiàn)。第2部分是噴桿支架，噴桿固定好后通過另一只電動推桿的伸縮實現(xiàn)按壓噴霧。因采用稱重法測量流量，試驗臺內(nèi)放置有1臺可調(diào)零稱重儀，其底部有掛鉤并懸掛有一個特制容器；噴桿的噴頭從容器側(cè)面的開口伸入，按壓噴霧時噴頭將水噴到擋板上再流到容器里，可防止稱重儀受到?jīng)_擊；容器下裝有電控閥門，閥門關閉時可以通過計算噴出的水量與時間的關系，算出流量；閥門打開時可以將容器內(nèi)的水排入試驗臺排水口。

2硬件系統(tǒng)設計

2.1硬件系統(tǒng)構成

系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖，如圖3所示。系統(tǒng)硬件采用的是“PC+PLC”上下位機式控制模式。在配套的電控柜上，可方便地切換為“手動”狀態(tài)或“自動”狀態(tài)。

圖3　系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖

上位機采用臺式計算機作為系統(tǒng)的控制中樞，用于直接發(fā)出操控指令來控制試驗進程；同時，在顯示器上顯示各種參數(shù)變化，與計算機配套的打印機可用于試驗報告的打印。

下位機采用PLC將上位機命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備，并不時讀取設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反饋給上位機。PLC控制示意圖如圖4所示。

試驗過程中，系統(tǒng)壓力和噴霧流量的測量由對應傳感器完成。上位機直接通過RS232通訊端口(或經(jīng)過USB轉(zhuǎn)RS232的通訊轉(zhuǎn)換器)與傳感器進行通訊，上位機設定的速度、行程等參數(shù)通過通訊，由PLC驅(qū)動電動伺服缸和電動推桿加以實現(xiàn)。因此，選配的壓力測量儀表和噴霧流量測量儀表都必須是帶有RS232接口的單參數(shù)或多參數(shù)復合式程控儀表。

圖4　PLC控制示意圖

2.2伺服電缸的選擇

以常見背負式噴霧器為例，假設搖桿手柄處(即活塞作用點)到噴霧器搖桿轉(zhuǎn)動支點的距離為L1，搖桿轉(zhuǎn)動支點到噴霧器連桿孔的距離為L2，背負式噴霧器活塞活塞行程為L3=55mm。

通過測量，算出L1/L2=6，則電缸行程為6L3=330 mm，則應選用行程為350mm的電動伺服缸。

由于背負式噴霧器和最大工作壓力為0.4MPa，現(xiàn)取0.5MPa。根據(jù)標準可知，背負式噴霧器工作液泵的活塞直徑最大為3.5cm，則最大壓力為

(1)

以常見壓縮式噴霧器，由于結(jié)構上的特點，打壓手柄只做上下直線運動，因此打壓手柄的上下運動行程即為帶動其上下運動氣缸的活塞行程。因驅(qū)動手柄運動的電動伺服缸行程必須大于300mm，則應選用行程為350mm的電動伺服缸。

由于壓縮式噴霧器最大工作壓力為0.4MPa，取0.5MPa。根據(jù)標準可知，壓縮式噴霧器工作液泵的活塞直徑最大為3.5cm。則最大壓力為

(2)

根據(jù)標準可知，背負式噴霧器操作搖桿，最大頻率不超過35次/min，故選用電動伺服缸(型號RMG50，額定推力500N，最大行程800mm，最高速度1 000mm/s)。

2.3稱重儀的選擇

選擇電子稱重儀應該從稱重儀的絕對精度(分度值e)上去考量是否符合稱量的精度要求[9]。在《JJG98．90非自動天平試行檢定規(guī)程》中有規(guī)定，最大允許誤差與檢定標尺的分度值“e”為同一數(shù)量級。

除了看稱重儀精度，還應看最大稱量值是否滿足量程的需要。通常在最大載荷的數(shù)值上留出少許余量即可，不是越大越好。

本試驗臺記錄噴霧器的噴霧量并計算噴霧量偏差，測定時間不少于1min，且需要多次試驗求平均值。根據(jù)實際精度與量程需要，最終選用奧豪斯自動外部校準稱重儀(型號CAV8101，量程0～8 100g，精度為±0.1g，操作溫度范圍10～30℃)。該稱重儀內(nèi)置下秤鉤(見圖5)，滿足了本試驗臺特殊的稱量要求。

2.4壓力表的選擇

在選擇壓力表時，首先需要確定被測壓力是否存在負壓：如果存在負壓需要選用真空表；如果既有正壓也有負壓則選用壓力真空表；如果只有正壓，就選用壓力表[10]。此外，還需要考慮測壓介質(zhì)、測量范圍、精確度及種類型號等因素。

根據(jù)標準可知，在進行截流閥可靠性試驗時，需將試驗壓力調(diào)整為(0.3±0.02)MPa。其他試驗項目中，壓力應為正常噴霧壓力或使用說明書規(guī)定的工作壓力，如果在使用說明書中沒有規(guī)定，則試驗壓力為(0.3±0.02)MPa。故選用壓力表(型號JYB-KO-PW2G-ZG，量程0～2.0MPa，精度±0.5 MPa)。

圖5　稱重儀下稱鉤

3軟件系統(tǒng)設計

根據(jù)硬件設計和檢測試驗要求，設計了相應的控制軟件。軟件可以根據(jù)用戶實際需要安裝在電腦相關文件夾下，點擊安裝后的程序圖標即可打開應用程序主界面。

3.1調(diào)試及初始化

程序首次使用或者長時間放置不用后再次使用時需要校準調(diào)試，調(diào)試內(nèi)容主要包括截止閥、伺服缸及放水閥。調(diào)試過程中，可以讀取查看當前系統(tǒng)壓力值，打開或關閉稱重儀并讀取查看當前測試質(zhì)量。調(diào)試過程分為手動方式和自動方式，界面打開后默認顯示為自動方式。

截止閥調(diào)試中改變動作頻率值可以實時改變截止閥往復開閉的頻率。伺服缸調(diào)試中根據(jù)實際測量值輸入往復運動距離并輸入需要的動作頻率值，輸入后在手動模式下進行初始化。

調(diào)試結(jié)束后，試驗前應在產(chǎn)品測試選項下，進行一些必要的試驗參數(shù)設定，包括稱重儀的開閉、截止閥與放水閥的手自動切換及截止閥往復開閉的頻率等。如果需要后期數(shù)據(jù)報表輸出，還應提前錄入試驗相關信息(如試驗編號、送檢單位、試驗日期、試驗人員、試驗地點等)及產(chǎn)品信息(如機器型號、機器類別、制造商、 藥箱容積、凈質(zhì)量、備注等)。軟件輸入界面如圖6所示。

3.2軟件試驗設計

本試驗試驗類型包括截流閥可靠性試驗、噴霧量測定試驗、噴霧性能試驗、穩(wěn)壓性能試驗、整機可靠性試驗及氣泵平均容積效率試驗6種。其中，部分試驗根據(jù)標準有自己的算法設計。

截流閥可靠性試驗中，根據(jù)標準GB/T24679.1-2009第5.3節(jié)所規(guī)定的試驗方式進行，即將試驗壓力調(diào)整為0.3MPa±0.02 MPa，滿行程操作截流閥，在開關頻率為(15±5)次/min的狀態(tài)下累計操作25 000次，檢查并記錄截流閥泄漏情況。程序?qū)僮鹘缑嫒鐖D7所示。

圖6　產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)輸入界面

圖7　截流閥可靠性試驗程序界面

在噴霧量測定試驗中，根據(jù)GB/T24679.1-2009第5.3節(jié)及JB/T6661-2006第6.12節(jié)所規(guī)定的試驗方式進行，即噴霧機隨機提供的每一種、每一個噴頭的噴霧量都應該測定，測量誤差應不超過1%。試驗壓力為正常噴霧壓力或使用說明書規(guī)定的工作壓力，如果在使用說明書中沒有規(guī)定，則試驗壓力為(0.3±0.02)MPa。記錄噴霧器的噴霧量，根據(jù)說明書中給定的額定噴霧量，計算噴霧量偏差；測定時間不少于1min，試驗重復3次，取平均值。程序?qū)僮鹘缑嫒鐖D8所示。

圖8　噴霧量測定試驗程序界面

噴霧性能試驗中，根據(jù)JB/T6661-2006第6.3節(jié)所規(guī)定的試驗方式進行，即在套管和軟管之間接入壓力表，按使用說明書中規(guī)定的操作頻率，操作噴霧器使之噴霧。當使用說明書中沒有規(guī)定操作頻率時，應不超過30次/min。同時，進行如下觀察檢查：

1) 噴霧器能否達到規(guī)定的工作壓力或使用說明書規(guī)定的工作壓力；

2) 霧流是否連續(xù)均勻，霧化是否良好。觀察時間為1min，試驗中允許對機具進行一次調(diào)整，但不允許更換零件。對應操作界面如圖9所示。

圖9　噴霧性能試驗程序界面

穩(wěn)壓性能試驗中，根據(jù)標準JB/T6661-2006第6.5節(jié)所規(guī)定的試驗方式進行，即在噴霧器出水接頭處安裝壓力表和截流閥，關閉截流閥，升壓至規(guī)定的試驗壓力(可略高出該壓力，但高出量不超過0.1MPa)；然后回調(diào)壓力至規(guī)定的試驗壓力，計時，觀察各處有無滲漏，到5min時記錄壓力下降量。試驗中允許對機具進行一次調(diào)整，但不允許更換零件。對應操作界面如圖10所示。

圖10　穩(wěn)壓性能試驗程序界面

整機可靠性試驗中，根據(jù)標準JB/T6661-2006第6.13節(jié)所規(guī)定的試驗方式進行，即將噴霧器安裝在試驗臺上，進入工作狀態(tài)，在壓力范圍內(nèi)進行噴霧60h。程序?qū)僮鹘缑嫒鐖D11所示。試驗結(jié)束后計算有效度K[4]，則有

(3)

式中TZ—純工作時間；

Tg—故障排除時間。

圖11　整機可靠性試驗程序界面

氣泵平均容積效率試驗中，根據(jù)相關標準JB/T9782-1999所規(guī)定的試驗方式進行，即往藥液箱內(nèi)加入額定容量的清水，在出水接頭處裝上壓力表和截流閥；關閉截流閥，抽動氣泵塞桿，使活塞以額定行程往復運動，充氣至最高工作壓力；記錄塞桿的往復次數(shù)及壓力表讀數(shù)，并計算打氣筒平均容積效率[3](測定3次取平均值)，有

(4)

式中C—平均容積效率(%)；

P1—充氣后藥液箱內(nèi)的絕對壓力(MPa)；

P2—大氣壓力(MPa)；

V1—藥液箱內(nèi)儲氣的容積(cm3)；

V2—氣泵理論容積，即活塞行程與面積之積(cm3)；

N—塞桿往復次數(shù)(次)。

程序?qū)僮鹘缑嫒鐖D12所示。

圖12　氣泵平均容積效率試驗程序界面

3.3試驗數(shù)據(jù)處理

試驗完畢后，關閉試驗運行界面退回到測試系統(tǒng)主界面，在菜單欄“數(shù)據(jù)處理”子菜單中可以選擇“歷史查詢”和“報表輸出”。若用戶需要即時輸出當前試驗結(jié)果的報表，直接點擊“報表輸出”選項即可打開試驗報表的打印預覽界面，同時報表將以“ YY-MM-DD HHmm”.xlsx的格式自動保存到應用程序根目錄下。

點擊“歷史查詢”選項則進入到歷史查詢對話框，在該界面中用戶可以通過試驗起止時間、試驗類型模糊查詢時間段中的試驗記錄，如圖13所示。在查到所需要的試驗記錄后將其試驗編號錄入到試驗編號輸入框中后點擊“保存”按鈕將數(shù)據(jù)保存為試驗報表形式。點擊“打印”按鈕即可打印當前查詢保存的試驗報表。

圖13　歷史查詢程序界面

4結(jié)論

1)試驗臺已經(jīng)過試驗驗證，性能穩(wěn)定可靠，試驗項目齊全，為手動式噴霧器的研究提供了一種更加全面、合理的試驗平臺。

2)試驗臺規(guī)模小、集成度高、操作簡便。

3)試驗臺設計合理，減少了水霧的擴散，并將排水進行了處理。

4)程序數(shù)據(jù)處理功能完善，可以查看歷史數(shù)據(jù)，也可進行報表輸出。

5)控制軟件采用模塊化設計，便于軟件維護與升級。

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Design of the Manual Sprayers Synthetic Test-bed

Tang Jingxuan， Sun Xing， Wu Jianmin， Dong Xiang， Wang Jingjiang， Zhu Licheng

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract：The product quality of the sprayer has the direct relation with the safety of the crop produce, but also with the operator. Given that China's agriculture is still dominated by small farmers, and the scale of production is small, so manual sprayers and other small sprayer is the most commonly used. In order to assess the main performance parameters of the manual sprayers, has referenced to relevant national and trade standards, and design the dedicated test-bed. Electric servo cylinder and linear actuator are driven by Programmable Logic Controller, simulating the arm and pressing the manual sprayers, meanwhile the computer will acquire procedure parameter and save that, to monitor the equipment.

Key words：sprayer; test-bed; comprehensive performance; upper and lower computer control

文章編號：1003-188X(2016)03-0149-06

中圖分類號：S491

文獻標識碼：A

作者簡介：唐敬軒(1991-)，男，河北定州人，助理工程師，(E-mail)tangjingxuan612@163.com。通訊作者：吳儉敏(1960-)，男，南京人，研究員。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203025)

收稿日期：2015-03-06