陳安銳 都基毅 盧蓓 羅華

研究背景

在美麗城市建設的過程中，越來越多地將園林綠化融入建設美好宜居城市理念之中，如大面積采用喬木作為城市景觀植物。為確保路邊行道樹和公園景觀樹等喬木植物免遭病蟲害侵襲，目前普遍采用人工給樹干涂白的方法。但人工涂白效率低、耗時長、需要大量勞動力，且現(xiàn)有輔助涂白工具體積較大、實用性不強。為此，我希望設計一款能快速、高效對樹干進行涂白的背負式涂白機，既能快速涂白，減少勞動力，又能讓涂白劑附著更均勻，減少人工粉刷涂白劑的用量。同時，還可以避免工人粉刷涂白劑時長時間吸入刺激性氣體。

研究思路

采用文獻法、調(diào)查法、觀察法、訪談法等研究方法，收集各種樹木涂白的相關資料，明確設計的適用范圍；對目前現(xiàn)有的樹干涂白工具或機器裝置進行調(diào)查、分析；構(gòu)思、查新、設計作品結(jié)構(gòu)，制作模型或成品；對模型實用性進行測試。

設計制作

結(jié)構(gòu)組成

這款背負式可控制噴頭座開合的樹木涂白機主要由左右活動圓弧噴體、噴頭支座、背負式電動調(diào)速噴霧器3部分組成（圖1）。其中，左右活動圓弧噴體包括噴嘴、三通接頭和彎管；噴頭支座包含限位齒輪、帶有減速機構(gòu)的12 V每分鐘60轉(zhuǎn)的馬達、座殼和“Y”型三通頭；背負式電動調(diào)速噴霧器包含蓄水箱、泵機、12 V 6 A蓄電池、控制電路和噴管。左右活動圓弧噴頭開合利用帶有限位裝置的齒輪嚙合傳動機構(gòu)控制，通過減速電機和控制開關控制活動圓弧隨意調(diào)節(jié)開合弧度，以實現(xiàn)對不同直徑樹木涂白的作業(yè)需求。

設計方案與改進

第1代背負式可控制噴頭座開合的樹木涂白機

工作原理 操作者背著噴壺，手握噴桿，當噴頭座靠近樹干涂白高度時，將半圓形噴頭座靠近樹干5 10 cm，按下噴桿上開關按鍵。噴壺內(nèi)噴泵機啟動，涂白劑通過泵機吸入，經(jīng)過噴桿輸液管到達噴頭座，由噴頭座上的“Y”型三通頭流入兩側(cè)軟管，進入左右圓弧噴體，最后從6個噴頭噴出，操作者握住噴桿沿著樹干由上而下移動，涂白劑均勻噴附樹干，完成涂白。

設計思路 左右活動圓弧噴體分別為2個半徑300 mm的1/4圓弧PVC管，開合時可形成一個直徑為600 mm半圓。活動圓弧上共安裝了6個可調(diào)節(jié)銅噴頭。左右圓弧噴頭用普通螺栓連接安裝在噴頭支座上，通過調(diào)節(jié)六角螺母可控制左右活動圓弧噴頭開合。噴頭支座經(jīng)過自制三通管與背負式電動調(diào)速噴霧器相連。三通管進口處連接背負式電動調(diào)速噴霧器，2個出口分別與左右活動圓弧噴頭連接。

實地測試與后期改進

根據(jù)設計思路，確定設計各部件相應參數(shù)，利用3D打印機完成原型，制作完成第1代背負式可控制噴頭座開合的樹木涂白機，并進行了實地涂白效果測試。涂白測試設定為不同工具在相同樹種、相同種植時間、相同種植環(huán)境下完成一棵樹干涂白的時間對比實驗。根據(jù)測試結(jié)果及問題分析不斷改進完善設備，先后將圓弧噴體直徑改為400 mm；將噴頭座上的6個噴頭每2個噴頭與噴頭座圓心設計成60°夾角并均勻分布成整圓；將手動調(diào)節(jié)噴頭座開合改進為電動控制噴頭座左右活動圓弧開合；將原有減速電機驅(qū)動齒輪嚙合結(jié)構(gòu)改進為舵機驅(qū)動控制左右，升級換代開發(fā)了第2代、第3代，直至較為滿意的第4代背負式可控制噴頭座開合的樹木涂白機。

第4代背負式可控制噴頭座開合的樹木涂白機（圖2）

工作原理 操作者背著噴壺，手握噴桿，按下噴桿上開關控制左右圓弧噴頭座開合。該噴頭座可以在舵機控制下，根據(jù)樹木直徑大小，隨意調(diào)節(jié)左右圓弧噴頭座開合弧度。按下噴桿上噴液開關，噴壺的噴機啟動，涂白劑通過泵機吸入，經(jīng)過噴管到達噴頭座，由噴頭座上的Y型三通頭流入兩側(cè)軟管，進入左右圓弧噴體，最后從6個噴嘴噴出。操作者握住噴體沿樹干由上而下移動，噴漿均勻吸附樹干，完成涂白。噴涂完畢，長按開關，噴頭座便可打開移出。

設計思路 控制左右活動圓弧開合的齒輪嚙合傳動機構(gòu)保留，將減速電機改為舵機控制活動圓弧噴頭座開合；同時設計鴨式頭，以適應噴灑不同種類液態(tài)物質(zhì)需要。

測試結(jié)果 改進后的第4代背負式可控制噴頭座開合的樹木涂白機涂白效率為人工涂白的3 4倍，基本達到預期設計效果，整體結(jié)構(gòu)簡潔美觀，操作簡單，控制靈活穩(wěn)定，大大降低了人工勞動強度，提高了工作效率。測試效果見圖3。

創(chuàng)新點

噴頭支座安裝簡易，并可連接大多數(shù)噴灑器。

設計不同結(jié)構(gòu)的噴頭，可根據(jù)不同種類的液態(tài)物質(zhì)更換不同的噴頭。

舵機控制齒輪嚙合傳動機構(gòu)，根據(jù)樹木不同直徑可以隨意調(diào)節(jié)噴頭座弧度。

鉸鏈結(jié)構(gòu)設計新穎，運動自如，精度準確無卡滯。

三通閥連接分流，保證液體流通順暢，保持壓力。

用途廣泛，可澆花、噴灑農(nóng)藥等，工作效率高，霧化效果好，噴灑均勻。

項目進一步完善的設想

當樹木直徑較小時，噴頭支座兩端的二通噴頭噴出的液體會濺到操作者身上，希望在下一步的改進中能解決這個問題。

現(xiàn)在使用的噴頭孔洞較小，噴涂動力不足，下一步希望能尋找到一款體積小、重量輕且動力足的噴泵，提高噴涂效率。

可在涂白機上使用傳感器，當涂白機感應到樹干后左右圓弧噴頭座能自動打開；當傳感器感應到樹干某一部分未涂白時，噴頭可自動調(diào)節(jié)角度對準這部分涂白。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目小學組技術類一等獎。

專家評語

該項目通過對比實驗，確定設計各部件相應參數(shù)，完成了“可控制噴頭座開合的樹木涂白機”原型制作并進行實地效果測試。試用達到了設計目標，成品較好。設備在實際噴灑油漆的時候，有很多油漆浪費，說明該機器在效率方面還有待改進。建議針對不同直徑的樹木，對如何全包裹噴灑油漆再作改進。同時，在噴灑的濃度和速度方面加以改進，以減少噴灑液體的損失。■