翟長遠(yuǎn)，徐 莎，John Long，李瀚哲，張 波，朱瑞祥

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100；3 Department of Biosystems and Agricultural Engineering, Oklahoma State University,Stillwater,OK,USA 74078)

果園中最主要的管理作業(yè)是病蟲害防治，其工作量約占果樹管理總工作量的30%左右[1-3]，而噴藥作業(yè)質(zhì)量和效果的優(yōu)劣對保證果品質(zhì)量、提高產(chǎn)值和降低生產(chǎn)成本等都有直接影響[4-7]。風(fēng)送噴霧是聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的一種先進(jìn)高效的施藥技術(shù)，風(fēng)送噴霧機(jī)是該技術(shù)最重要的裝備，由于霧滴被風(fēng)機(jī)吹出的氣流強(qiáng)制性的吹向靶標(biāo)，可有效地抵御自然風(fēng)的干擾，提高霧滴穿透能力[8-9]。

國外學(xué)者針對風(fēng)送噴霧技術(shù)及以風(fēng)送噴霧裝備為基礎(chǔ)的對靶噴霧裝備開展了大量研究。早在2005年，Giles等[10]研發(fā)了基于超聲傳感的對靶噴霧機(jī)，并在不同季節(jié)進(jìn)行了一系列田間試驗(yàn)，結(jié)果表明對靶噴藥能節(jié)省15%～45%的農(nóng)藥。隨后多位研究者針對橄欖園、葡萄園、梨園和蘋果園研究了風(fēng)送噴霧技術(shù)，并研發(fā)了果園對靶風(fēng)送噴霧機(jī)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明風(fēng)送對靶噴霧機(jī)在減少靶標(biāo)外噴霧的同時還能增加果園靶標(biāo)膛內(nèi)藥液的沉積量[11-17]。隨后國內(nèi)的科研人員對于風(fēng)送噴霧技術(shù)也做了大量的研究，內(nèi)容主要集中在噴霧參數(shù)和外部環(huán)境對風(fēng)送噴霧效果的受影響[18-23]、風(fēng)送噴霧機(jī)果園對靶噴霧探測及控制方法、對靶噴霧機(jī)的設(shè)計[24-27]和針對我國果園實(shí)際情況的風(fēng)送噴霧機(jī)創(chuàng)新性研制等方面[28-30]。本課題組徐莎等[30]設(shè)計了噴霧高度可調(diào)的果園風(fēng)送噴霧機(jī)，該噴霧機(jī)可以根據(jù)實(shí)際噴霧需求通過改變風(fēng)箱角度調(diào)節(jié)噴霧寬度，大大增強(qiáng)了噴霧機(jī)的通用性，但尚存在風(fēng)箱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不支持電動調(diào)控且調(diào)節(jié)精度不高、體積偏大、通過性差、傳動設(shè)計不太合理、功耗較高等缺點(diǎn)，還有進(jìn)一步改進(jìn)完善的必要。為此，本研針對果園風(fēng)送噴霧機(jī)第一代樣機(jī)存在的問題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，通過試驗(yàn)獲得噴霧重心高度和噴霧寬度的調(diào)節(jié)范圍，并探尋噴霧重心高度、噴霧寬度和風(fēng)箱角度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，旨在為噴霧高度可調(diào)式對靶風(fēng)送噴霧機(jī)的改進(jìn)和研發(fā)提供理論支持。

1 果園風(fēng)送噴霧機(jī)的改進(jìn)設(shè)計

1.1 第一代果園風(fēng)送噴霧機(jī)樣機(jī)

第一代果園風(fēng)送噴霧機(jī)樣機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)架、藥箱、行走輪、傳動系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)和藥液輸送系統(tǒng)等部分[30]，其實(shí)物如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 第一代果園風(fēng)送噴霧機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Photo of first generation prototype air-assisted sprayer

表1 第一代果園風(fēng)送噴霧機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of first generation prototype sprayer mm

1.2 果園風(fēng)送噴霧機(jī)的改進(jìn)設(shè)計

針對第一代果園風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)箱角度不支持電動控制且調(diào)節(jié)精度不高、體積偏大、通過性差、傳動設(shè)計不太合理、功耗較高等問題，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、尺寸和材料等方面的改進(jìn)設(shè)計，并完成了新型果園風(fēng)送噴霧機(jī)研發(fā)。

1.2.1 噴霧機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的改進(jìn) 在第一代風(fēng)送噴霧機(jī)傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計中，采用前后2個傳動箱、1個傳動主軸和1組帶傳動實(shí)現(xiàn)主要動力傳遞。前傳動箱由1對錐齒輪和傳動軸組成，后傳動箱由6個直齒輪組成(其中包括3個過度齒輪)，整個傳動系統(tǒng)理論計算功率為5.25 kW 。為了降低整個傳動系統(tǒng)的功耗，減小噴霧機(jī)體積，對傳動系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)前后噴霧機(jī)傳動方案對比如圖2、3所示。

A.后傳動箱側(cè)視圖; B.傳動機(jī)構(gòu)俯視圖。1.前傳動箱；2.帶傳動裝置；3.三缸柱塞泵；4.傳動主軸；5.左離心風(fēng)機(jī)；6.左導(dǎo)流風(fēng)箱；7.后傳動箱；8.右離心風(fēng)機(jī)；9.噴頭；10.右導(dǎo)流風(fēng)箱A.Side view of back gearbox；B.Top view of transmission mechanism.1.Front gear box；2.Belt transmission unit；3.Triplex plunger pump；4.Main transmission shaft；5.Left centrifugal fan；6.Left bellow；7.Back gear box；8.Right centrifugal fan；9.Nozzle；10.Right bellow圖2 改進(jìn)前果園風(fēng)送噴霧機(jī)一代樣機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)Fig.2 Transmission mechanism of the optimized air-assisted sprayer before optimization

A.側(cè)視圖；B.俯視圖。1.三缸柱塞泵；2.左離心風(fēng)機(jī)；3.帶傳動裝置；4.左導(dǎo)流風(fēng)箱；5.傳動箱；6.右離心風(fēng)機(jī)；7.噴頭；8.右導(dǎo)流風(fēng)箱；9.動力輸入軸A.Side view；B.Top view.1.Triplex plunger pump；2.Left centrifugal fan；3.Belt transmission unit；4.Left bellow；5.Gear box；6.Right centrifugal fan；7.Nozzle；8.Right bellow；9.Power input shaft圖3 改進(jìn)后果園風(fēng)送噴霧機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)Fig.3 Transmission mechanism of the optimized air-assisted sprayer after optimization

由圖2、3可見，與改進(jìn)前的傳動機(jī)構(gòu)相比，改進(jìn)后果園風(fēng)送噴霧機(jī)的整個風(fēng)送系統(tǒng)進(jìn)行了前置，舍棄了第一代噴霧機(jī)的中圓錐齒輪傳動箱和傳動主軸，縮短了整個動力傳遞路線，并在后傳動箱中減少了1個過渡齒輪，改進(jìn)后傳動系統(tǒng)的理論功耗為4.83 kW，較改進(jìn)前降低了8%，節(jié)約了材料，降低了傳動機(jī)構(gòu)的質(zhì)量。

1.2.2 噴霧機(jī)導(dǎo)流風(fēng)箱固定方式的改進(jìn) 針對風(fēng)箱調(diào)整角度精度較差的問題，對風(fēng)箱固定方式進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)果如圖4所示。

第一代風(fēng)送噴霧機(jī)的設(shè)計中，導(dǎo)流風(fēng)箱通過法蘭盤套筒安裝在風(fēng)機(jī)軸的端蓋上并可繞其轉(zhuǎn)動，法蘭盤上安裝有緊固螺栓和螺母，在后傳動箱的上端邊沿焊接有弧形槽吊耳，在導(dǎo)流風(fēng)箱轉(zhuǎn)動的過程中，法蘭盤上的緊固螺栓在弧形槽中運(yùn)動，當(dāng)導(dǎo)流風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)至工作位置時，旋緊螺母，固定導(dǎo)流風(fēng)箱。在實(shí)際操作過程中，由于導(dǎo)流風(fēng)箱自身較重，在旋轉(zhuǎn)的過程中較難準(zhǔn)確地控制風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)的角度。改進(jìn)后的風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)蝸桿固定在傳動箱的兩側(cè)，蝸輪固定在導(dǎo)流風(fēng)箱的法蘭盤上，在調(diào)整導(dǎo)流風(fēng)箱的噴霧角度時，旋轉(zhuǎn)蝸桿即可，且蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)具有自鎖的特點(diǎn)，故在旋轉(zhuǎn)的過程中可減少由導(dǎo)流風(fēng)箱自重而引起的擺動，使導(dǎo)流風(fēng)箱的角度調(diào)整更加精確。

1.2.3 噴霧機(jī)通過性能的改進(jìn) 風(fēng)送噴霧機(jī)一代樣機(jī)的藥箱長度決定了噴霧機(jī)長度尺寸，其導(dǎo)流風(fēng)箱的高度決定了整個噴霧機(jī)的高度尺寸。一代樣機(jī)所選藥箱體積為200 L，安裝尺寸長×寬×高為1 000 mm×500 mm×500 mm，采用縱向安裝方式，并設(shè)計了較長的傳動主軸以實(shí)現(xiàn)動力由前傳動箱向后傳動箱的傳遞。這不僅加長了整個噴霧機(jī)的整機(jī)尺寸，提高了傳動主軸對結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料的要求，而且增加了整個噴霧機(jī)的功率損耗。改進(jìn)后的果園噴霧機(jī)，藥箱容量為150 L，其安裝尺寸長×寬×高為700 mm×500 mm×500 mm，另外為了縮小噴霧機(jī)整體體積，藥箱采用橫向安裝的方式，與原有的設(shè)計相比，改進(jìn)后噴霧機(jī)的長度縮減了500 mm。此外，噴霧機(jī)一代樣機(jī)導(dǎo)流風(fēng)箱和藥箱之間預(yù)留的安裝空隙為200 mm，在整個噴霧機(jī)樣機(jī)完成整機(jī)裝配之后，導(dǎo)流風(fēng)箱與藥箱之間仍有空間，對這一部分結(jié)構(gòu)也進(jìn)行改進(jìn)，使得噴霧機(jī)在不影響各個部件安裝的情況下結(jié)構(gòu)更加緊湊合理。噴霧機(jī)改進(jìn)后的長度尺寸為1 450 mm，較改進(jìn)前的2 150 mm縮小了700 mm，減小了32.6%。

一代果園風(fēng)送噴霧機(jī)的性能試驗(yàn)表明，噴霧機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑較大，轉(zhuǎn)向性能較差。為進(jìn)一步提高噴霧機(jī)在果園中的作業(yè)效果，對其進(jìn)行了改進(jìn)。本研究所設(shè)計的果園風(fēng)送噴霧機(jī)是由小型山地履帶拖拉機(jī)牽引并提供工作動力，在履帶式拖拉機(jī)車身長度和轉(zhuǎn)向角固定的條件下，果園風(fēng)送噴霧機(jī)的轉(zhuǎn)向半徑取決于鉸接點(diǎn)至噴霧機(jī)行走輪固定軸的距離，故為了減小噴霧機(jī)的轉(zhuǎn)向半徑，需縮小鉸接點(diǎn)至噴霧機(jī)行走輪固定軸的距離。改進(jìn)前的一代樣機(jī)鉸接點(diǎn)至噴霧機(jī)行走輪固定軸的距離為1 600 mm，而改進(jìn)后的距離為1 100 mm，轉(zhuǎn)彎半徑減小了15.6%。

為了保證果園風(fēng)送噴霧機(jī)一代樣機(jī)的整體高度，選用了直徑為350 mm的行走輪，行走輪固定軸安裝于機(jī)架下方。性能試驗(yàn)結(jié)果表明，噴霧機(jī)一代樣機(jī)在越過較大障礙物時仍存在一定的困難。改進(jìn)后的果園風(fēng)送噴霧機(jī)選用了直徑為500 mm的充氣輪胎，但為了不改變噴霧機(jī)機(jī)架的離地間隙，將行走輪的固定軸固定于噴霧機(jī)機(jī)架上方，根據(jù)車輪直徑變化可以計算出改進(jìn)后的噴霧機(jī)越障能力提高了42.9%。

1.2.4 改進(jìn)后的噴霧機(jī)整機(jī)及其試驗(yàn) 改進(jìn)后的果園風(fēng)送噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，噴霧機(jī)實(shí)物圖見圖5。

表2 改進(jìn)后果園風(fēng)送噴霧機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of the sprayer after optimization mm

圖5 改進(jìn)后的果園風(fēng)送噴霧機(jī)實(shí)物圖Fig.5 Photo of the optimized air-assistant sprayer

風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)會改變風(fēng)箱組的橫向尺寸，進(jìn)而會影響整個噴霧機(jī)的尺寸。為了獲得旋轉(zhuǎn)角度對噴霧機(jī)尺寸影響關(guān)系，測量了不同旋轉(zhuǎn)角度下噴霧機(jī)風(fēng)箱組寬度和噴霧機(jī)高度，結(jié)果如表3所示。從表3來看，旋轉(zhuǎn)角度對風(fēng)箱組寬度有一定影響，旋轉(zhuǎn)角度為最大值30°時風(fēng)箱寬度最寬，為0.95 m，但仍然小于噴霧機(jī)輪距1.0 m；風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)角度對噴霧機(jī)高度基本沒有影響。

表3 風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)角度對果園風(fēng)送噴霧機(jī)尺寸的影響Table 3 Air-assistant sprayer size alteration at different bellow angles

2 噴霧高度調(diào)控模型

為給噴霧高度自動調(diào)控的對靶噴霧機(jī)提供控制模型支持，需要獲得沉積分布重心高度、噴霧寬度和風(fēng)箱角度之間的數(shù)學(xué)模型。針對改進(jìn)后的果園風(fēng)送噴霧機(jī)，在西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院拖拉機(jī)實(shí)驗(yàn)室前進(jìn)行了風(fēng)送噴霧垂直沉積分布試驗(yàn)。霧滴收集采用比利時AAMS植保機(jī)械公司生產(chǎn)的AAMS垂直霧滴分布測量儀，該儀器在耐腐蝕的合金框架上的樹狀結(jié)構(gòu)中安裝了20個收集器，收集器按照自上而下的高度順序依次編號，每個收集器長0.2 m、寬0.22 m，1號收集器對應(yīng)的沉積分布高度為0.7～0.9 m，2～20號收集器依次分別沿垂直軸間隔0.2 m交替分布在吸收墻兩側(cè)的橫向支架上，收集器均設(shè)有底座和攔截液體排出口，其與沿測量儀延伸的收集管相連，每個收集器連接到與之編號相對應(yīng)的100 mL量杯內(nèi)，以便于讀取試驗(yàn)結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)測量裝置的總高度為4 m，總質(zhì)量為80 kg。合金框架上的樹狀結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)配置的1.70 m長軌道上可以往復(fù)直線運(yùn)動。

針對行距5 m左右的現(xiàn)代果園，將霧滴分布測量儀平行布置于風(fēng)箱左側(cè)，使用8.8 kW履帶式拖拉機(jī)為噴霧機(jī)提供動力，開啟全部左側(cè)噴頭，調(diào)節(jié)回流管道上的流量調(diào)節(jié)閥，使噴霧管道上的噴霧壓力穩(wěn)定在0.5 MPa。調(diào)節(jié)導(dǎo)流風(fēng)箱的旋轉(zhuǎn)角度分別為0°，15°和30°，進(jìn)行果園風(fēng)送噴霧機(jī)的垂直沉積分布試驗(yàn)，每次測量計時30 s，讀取各個量筒的沉積量，結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)過程中風(fēng)速為0.2～0.8 m/s，溫度為19～20 ℃。

圖6 不同風(fēng)箱角度果園風(fēng)送噴霧機(jī)噴霧量的垂直沉積分布Fig.6 Vertical deposition distribution at different bellow angles of air-assistant sprayer

圖6顯示，在不同風(fēng)箱角度下，果園風(fēng)送噴霧機(jī)噴霧沉積的垂直分布均以中間沉積量大,兩端沉積量較少，該噴霧機(jī)適宜于紡錘型果樹果園的噴霧作業(yè)。隨著風(fēng)箱角度的增大，噴霧沉積高度提高，使用Matlab軟件，通過Gaussian高斯曲線擬合獲得風(fēng)箱角度為0°，15°和30°時噴霧量的沉積分布方程分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：DPT0、DPT15和DPT30分別為風(fēng)箱角度為0°，15°和30°時的噴霧沉積量，mL；h為高度，m。

確定噴霧沉積量自下而上累積達(dá)到噴霧總量50%的高度，對果園風(fēng)送噴霧機(jī)噴霧的沉積分布描述具有重要意義，本研究將該高度定義為沉積分布重心高度。由公式(1)、(2)、(3)可求得風(fēng)箱角度為0°，15°和30°時的沉積分布重心高度分別為1.14，1.55和2.20 m。以沉積分布重心高度為中心，通過積分可以獲得風(fēng)送角度為0°，15°和30°時，70.7%的藥量垂直分布分別集中于0.72～1.56，1.15～1.94和1.71～2.69 m高度。對不同風(fēng)箱角度噴霧沉積分布重心高度和噴霧寬度進(jìn)行擬合，結(jié)果(圖7)得到其數(shù)學(xué)模型分別為：

H=0.035θ+1.1，

(4)

W=0.045θ+1.3。

(5)

式中：H為噴霧重心高度，m；θ為風(fēng)箱角度，(°);W為噴霧寬度,m。噴霧沉積分布重心高度和噴霧寬度擬合直線的R2值分別為0.982和0.996，可見擬合效果良好，該模型可為噴霧高度和寬度的智能調(diào)控提供理論支持。

圖7 果園風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)箱角度與噴霧沉積分布重心高度和噴霧寬度的關(guān)系Fig.7 Center and width of deposition at different bellow angles of air-assistant sprayer

3 結(jié) 論

1)改進(jìn)后的果園風(fēng)送噴霧機(jī)較改進(jìn)前理論功耗減少8%，長度尺寸減小了32.6%，導(dǎo)流風(fēng)箱的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)更加精確。

2)風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)角度對風(fēng)箱組寬度有一定的影響，旋轉(zhuǎn)角度為最大值30°時風(fēng)箱寬度最寬，為0.95 m，但仍然小于噴霧機(jī)輪距1.0 m；風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)角度對噴霧機(jī)高度基本無影響。

3)噴霧垂直沉積分布試驗(yàn)結(jié)果表明，在導(dǎo)流風(fēng)箱與鉛垂線分別成0°，15°和30°的條件下，噴霧沉積量重心高度分別為1.14，1.55和2.20 m，70.7%的藥量垂直分布分別集中于0.72～1.56,1.15～1.94和1.71～2.69 m高度內(nèi)。

4)獲得了沉積重心高度、噴霧寬度與風(fēng)箱角度之間的數(shù)學(xué)模型，2個模型均為線性方程，其R2值分別為0.982和0.996，可為噴霧高度智能調(diào)控提供理論支持。