西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 邵林鵬 李嘉玲 萬宏強(qiáng) 趙漢青

許多果園還是人工背著打藥機(jī)對(duì)果樹進(jìn)行噴霧防治，其效率低下，在消耗大量勞動(dòng)力的同時(shí)也會(huì)危害人的身體健康。本文提出了一款可以在小果園使用、能裝在中小裝載設(shè)備上，并且有一定適應(yīng)能力，可以對(duì)不同的果樹進(jìn)行噴霧的噴藥裝置。該設(shè)備能根據(jù)樹高選擇噴藥工作模式，通過控制器控制調(diào)整水平和豎直電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整到所需模式，啟動(dòng)柱塞泵實(shí)現(xiàn)噴藥。該設(shè)備增加了果樹噴藥的安全性、提高了噴藥效率。

隨著人們生活水平的提高，民眾對(duì)水果的需求日益增加，這種需求使得果樹種植面積和產(chǎn)量得到了大幅提高；但目前果樹噴藥裝置自動(dòng)化程度并不高且效率低下，因此，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)自動(dòng)噴藥設(shè)備進(jìn)行了一系列研究。周良富等研制出一款果園風(fēng)送式噴霧機(jī)，整體結(jié)構(gòu)為門式結(jié)構(gòu)，對(duì)靶裝置由步進(jìn)電機(jī)和垂直直線推桿配合直線軌道組成，但是需要工作人員進(jìn)行人工對(duì)靶。盡管這款噴霧裝置可以對(duì)兩邊果樹進(jìn)行全方位噴藥，噴藥效率得到提高，但是目前還未能夠做到自動(dòng)對(duì)靶。市面上的噴霧設(shè)備工作性能可靠，只針對(duì)特定的果園環(huán)境可以達(dá)到較好的噴藥效果，但是由于缺少自動(dòng)對(duì)靶裝置，造成了本身自適應(yīng)能力不足，不能精確識(shí)別不同品種果樹的生長狀況。姜紅花等在某款風(fēng)送式噴霧機(jī)中首次使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用紅外線傳感器對(duì)果樹進(jìn)行對(duì)靶定位，整個(gè)系統(tǒng)采用的是開環(huán)控制原理，缺少了對(duì)定位信息檢測(cè)的反饋，因此定位不夠精準(zhǔn)。綜上所述，雖然目前在果園噴霧機(jī)方面的研究取得一定進(jìn)展，尤其是在精準(zhǔn)對(duì)靶、無人機(jī)自動(dòng)噴藥技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究已十分成熟，但機(jī)械結(jié)構(gòu)缺乏創(chuàng)新和智能化程度不高、效率不高、性價(jià)比低等一系列問題，依然限制了果園噴霧機(jī)的普及。

1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)該噴藥裝置的設(shè)計(jì)要求可以推導(dǎo)出其工作原理，首先噴藥裝置上的傳感器感應(yīng)到果樹冠層，然后把所得數(shù)據(jù)傳給控制系統(tǒng)，經(jīng)過處理之后再由控制系統(tǒng)控制電機(jī)和電磁閥的啟動(dòng)，以控制噴桿和噴頭工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹的噴藥。噴霧機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 自動(dòng)噴霧機(jī)原理圖

整個(gè)裝置以空心梁構(gòu)建框架，將藥箱置于中間，前部搭載三缸柱塞泵以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，車體尾部通過支撐架搭載噴桿調(diào)節(jié)裝置。噴桿調(diào)節(jié)裝置主要由水平滾珠絲杠滑臺(tái)和垂直滾珠絲杠滑臺(tái)以及收線輪組成。當(dāng)工作人員操控噴藥裝置進(jìn)入果園后，可以根據(jù)果樹的冠層大小和高低選擇不同的工作模式。水平滾珠絲桿滑臺(tái)主要調(diào)整噴桿距兩側(cè)果樹的距離，以適應(yīng)不同株距的果樹。垂直滾珠絲桿滑臺(tái)則主要調(diào)整噴桿的高度，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的收線輪則用來調(diào)整噴桿的傾斜角度。當(dāng)果樹植株較矮時(shí)，由收線輪將噴桿放平，即為對(duì)地噴藥模式。根據(jù)果樹的高矮和冠層大小以及株距，可以適當(dāng)調(diào)整噴桿的高度和角度，使其轉(zhuǎn)為45°噴藥模式和垂直噴藥模式。整個(gè)車體本身并不具備動(dòng)力，噴藥裝置可以搭載在小型牽引設(shè)備上，并且整個(gè)裝置可以由車載電源提供動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。圖2為噴霧機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 各裝置設(shè)計(jì)

2.1 噴藥模式變換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高該噴藥裝置對(duì)不同果樹的適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)出了三種工作模式，即上章所提到的垂直噴藥模式、45°噴藥模式以及對(duì)地噴藥模式。噴藥模式變換機(jī)構(gòu)主要由收線輪、固定鉸鏈組成，類似于吊橋的原理，通過收線輪的收放繩索來控制噴桿繞固定鉸鏈的旋轉(zhuǎn)角度，若噴桿與垂直絲桿平行即為垂直噴藥模式，噴桿與垂直絲桿呈45°夾角即為45°噴藥模式，噴桿與垂直絲桿垂直即為對(duì)地噴藥模式。圖3為模式變換機(jī)構(gòu)圖。

圖3 模式變換機(jī)構(gòu)

2.2 噴桿水平與垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置的水平、垂直移動(dòng)都是通過滾珠絲桿滑臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的，絲杠滑臺(tái)都是由相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。因?yàn)閮煽孟噜彽墓麡湓谄涔趯咏唤犹幾钫?，所以噴桿距離這一點(diǎn)最遠(yuǎn)，故此需要更高的速度來接近，則水平絲杠滑臺(tái)速度設(shè)為v1=80mm/s，而由于相同的果樹植株高矮基本相同，所以垂直絲杠滑臺(tái)的移動(dòng)速度可以不用太快，故將其速度設(shè)為v2=20mm/s。圖4所示為水平與垂直傳動(dòng)系統(tǒng)圖。

圖4 水平與垂直移動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

2.3 噴桿設(shè)計(jì)

該噴桿采用一條完整的無縫鋼管制作而成，其上共設(shè)有八個(gè)噴頭，每個(gè)噴頭都相距0.2m，這種設(shè)計(jì)可以使每個(gè)噴頭在一定區(qū)域噴灑有重疊，保證對(duì)果樹的噴霧效果，對(duì)于不同的果樹，還可以根據(jù)其果樹冠層大小來改變噴桿長度和噴頭數(shù)量。噴桿的設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

圖5 噴桿設(shè)計(jì)圖

2.4 輸液機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

式(1)中，Ag為高壓防爆管的內(nèi)孔截面積。

結(jié)論：本裝置能夠適應(yīng)小果園機(jī)械作業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)噴藥治理病蟲害，設(shè)計(jì)合理、原理簡單、使用便捷，可以減少農(nóng)藥的使用，既節(jié)省成本又保護(hù)環(huán)境。工作效率高效，實(shí)現(xiàn)了高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的要求。