林峰銘

（福建三明林業(yè)學(xué)校，福建 三明 365001）

0 引言

毛竹（Phyllostachys Edulis）是生長(zhǎng)速度快、經(jīng)營(yíng)效果好、產(chǎn)量高的可再生植物資源，深受林農(nóng)喜愛。福建地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，適于竹類植物的生長(zhǎng)，竹林面積居全國(guó)首位，已成為福建省重要的森林資源之一，為農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)展竹業(yè)經(jīng)濟(jì)已成為山區(qū)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)、山區(qū)農(nóng)民脫貧致富的重要途徑。然而，近年來(lái)由于片面強(qiáng)調(diào)集中連片，竹林面積不斷擴(kuò)大，且毛竹林生態(tài)系統(tǒng)受到人為破壞，其蟲害日趨嚴(yán)重，其中剛竹毒蛾、蝗蟲是毛竹林的主要食葉害蟲，影響了竹產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。目前，竹林在蟲害防治方面主要采用地面裝備進(jìn)行人工防治，因竹林地面積大、丘陵山區(qū)地形地貌復(fù)雜、地勢(shì)不平坦等因素，人工作業(yè)不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，而且容易導(dǎo)致作業(yè)人員藥物中毒和噴施程度不均勻等現(xiàn)象，達(dá)不到預(yù)期效果[1-2]。無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle）防治作為一種新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，其作業(yè)不受地形限制，具有操作靈活、作業(yè)速度快、安全可靠、工作效率高、覆蓋密度均勻、防治效果好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在竹林中應(yīng)用[3]。

針對(duì)福建省竹林地面不斷擴(kuò)大、丘陵山區(qū)地形地貌復(fù)雜、竹林分布狀況繁雜等情況，結(jié)合毛竹林無(wú)人機(jī)防治技術(shù)操作靈活、作業(yè)速度快、工作效率高、防治效果好、操作便利等優(yōu)點(diǎn)，筆者研發(fā)了一種與無(wú)人機(jī)平臺(tái)相配套的毛竹林無(wú)人機(jī)噴粉掛件裝置。對(duì)噴粉掛件裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析，以期為毛竹林無(wú)人機(jī)防治技術(shù)和噴粉掛件裝置設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 無(wú)人機(jī)噴粉掛件裝置總體結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)噴粉掛件裝置以無(wú)人機(jī)作為動(dòng)力平臺(tái)，由噴粉掛件裝置和控制設(shè)備組成總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示[4]。無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用六旋翼無(wú)人機(jī)（型號(hào)：SH-X6-10B），噴粉掛件裝置和控制設(shè)備機(jī)載部分固定在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上。無(wú)人機(jī)噴粉掛件裝置的主要設(shè)備由部件藥箱、粉料入口、舵機(jī)、渦輪殼、防護(hù)罩、粉料出口等組成，如圖2所示。

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，將藥粉從粉料入口裝入藥箱，藥箱進(jìn)料口處設(shè)置入口擋板12和進(jìn)料調(diào)節(jié)板13，如圖3所示，通過遙控器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使電機(jī)帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)風(fēng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)扇葉在起風(fēng)室內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使出粉室內(nèi)形成氣流。當(dāng)需要調(diào)節(jié)進(jìn)粉量時(shí)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，使得入口擋板和進(jìn)料調(diào)節(jié)板所形成的進(jìn)料間隙變大，從而使藥粉依次經(jīng)過進(jìn)粉槽和入粉室，隨后藥粉進(jìn)入出粉室后被氣流吹出裝置，再利用無(wú)人機(jī)旋翼產(chǎn)生的下旋氣流將藥粉飄散到植株表面上，從而達(dá)到殺死病蟲的目的[5]。

圖3 無(wú)人機(jī)噴粉裝置進(jìn)粉口控制結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)效果

2.1 進(jìn)粉口控制結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意圖是，該設(shè)備使已裝入藥箱的藥粉不被噴粉裝置吹出，還可以調(diào)節(jié)進(jìn)粉量。不同農(nóng)作物所需要的藥粉量不同，不同林區(qū)植物覆蓋率也有所差異，單純不具有調(diào)節(jié)功能的進(jìn)粉口，無(wú)法滿足多種使用需求。因此，設(shè)計(jì)出一款能適用于多種情況、靈活控制進(jìn)粉量的噴粉進(jìn)粉控制裝置。

本結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用原理是，藥粉從進(jìn)料口22進(jìn)入噴粉裝置內(nèi)部，當(dāng)需要調(diào)節(jié)進(jìn)粉量時(shí)，通過用電線連接在無(wú)人機(jī)上的電池，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)17，舵機(jī)的活動(dòng)端旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)擺臂16內(nèi)推（或外拉）推拉桿14，從而推拉桿帶動(dòng)進(jìn)料調(diào)節(jié)板13，使得入口擋板12和進(jìn)料調(diào)節(jié)板所形成的進(jìn)料空隙變小（變大）。其中，利用旋轉(zhuǎn)型舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，體積小，重量輕，占用空間少，增設(shè)安裝座15，以使得進(jìn)料調(diào)節(jié)板的活動(dòng)高度與現(xiàn)有舵機(jī)的活動(dòng)端高度適配，保證整個(gè)旋轉(zhuǎn)推動(dòng)過程順暢平穩(wěn)。如圖3所示。

2.2 藥粉防結(jié)塊結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意圖是，噴粉裝置中主要是通過電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇葉旋轉(zhuǎn)，將藥粉吹送至出料口，但由于藥粉會(huì)吸收空氣或其他物質(zhì)的水分，從而出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，尤其在空氣潮濕的時(shí)節(jié)和地區(qū)，藥粉結(jié)塊現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重，而且與粉狀的藥粉相比，結(jié)塊的藥粉更難吹送，容易堆積在風(fēng)扇葉轉(zhuǎn)軸處，從而造成堵塞。因此，設(shè)計(jì)出一款能有效解決藥粉結(jié)塊、不易吹送問題的防結(jié)塊裝置。

本結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用原理是，當(dāng)藥粉從進(jìn)粉接頭進(jìn)入噴粉裝置內(nèi)部，電機(jī)提供動(dòng)力將藥粉往外吹送，完成噴粉工作。其中，針對(duì)藥粉結(jié)塊問題，當(dāng)藥粉塊從進(jìn)粉接頭的內(nèi)壁上端往下掉時(shí)，會(huì)首先撞擊到散粉板27散成小團(tuán)塊，利用藥粉下落必然存在的撞擊散粉板完成第一步打散。然后從散粉板27上分流后繼續(xù)往下掉，攪拌軸28在電機(jī)的帶動(dòng)下，不斷旋動(dòng)將小團(tuán)塊藥粉進(jìn)一步打散，使得藥粉均勻散開，因此，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌軸敲擊藥粉完成第二步打散。與直接在旋轉(zhuǎn)軸上連接攪拌軸相比，增設(shè)連接座30作為過渡件，使得攪拌軸與旋轉(zhuǎn)軸的安裝更加方便快捷，且連接穩(wěn)固。整體裝置在藥粉下落的路徑上設(shè)計(jì)了兩重打散，結(jié)合實(shí)際情況利用了自然重力，實(shí)用性強(qiáng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，防結(jié)塊效果好。如圖4所示。

圖4 噴粉裝置防結(jié)塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 噴粉風(fēng)機(jī)防抖結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意圖是，噴粉裝置采用電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇葉旋轉(zhuǎn)，將藥粉打散后從出料口撒出，但由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸處于懸空狀態(tài)，且安裝有風(fēng)扇葉，風(fēng)扇葉旋轉(zhuǎn)時(shí)兩側(cè)扇葉壓強(qiáng)不同，風(fēng)扇葉兩側(cè)會(huì)抖動(dòng)，從而對(duì)與風(fēng)扇葉連接的電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸也造成一定傷害，還會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)整體飛行的不平穩(wěn)。因此，設(shè)計(jì)出一款能有效解決風(fēng)扇葉和電機(jī)抖動(dòng)問題的防抖結(jié)構(gòu)。

本結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用原理是，藥箱6內(nèi)的粉料，由進(jìn)料口進(jìn)入噴粉裝置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)風(fēng)扇葉旋轉(zhuǎn)，將粉料向外吹送，完成對(duì)農(nóng)作物的噴粉工作。設(shè)計(jì)中使電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸處于懸臂狀態(tài)下，在噴粉過程中增設(shè)鎖緊螺母34，通過其將電機(jī)和箱體連接，電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸兩端均有著力點(diǎn)，當(dāng)風(fēng)扇葉旋轉(zhuǎn)時(shí)由于兩側(cè)扇葉壓強(qiáng)不同而抖動(dòng)時(shí)，箱體的上下兩側(cè)均能承受抖動(dòng)力，受力均勻，從而有效解決了以往設(shè)計(jì)中整體裝置容易抖動(dòng)的問題。設(shè)置有保護(hù)電機(jī)的保護(hù)罩19，以適應(yīng)無(wú)人機(jī)授粉常在野外作業(yè)的特性，有效地避免了驅(qū)動(dòng)裝置被樹枝、沙石直接刮傷或撞擊的情況，提高電機(jī)的使用壽命。噴粉裝置保護(hù)罩上設(shè)置有多個(gè)散熱通槽36，在進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，結(jié)合電機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量的情況，設(shè)計(jì)的通槽保證電機(jī)所產(chǎn)生的熱量能迅速散發(fā)出去，散熱良好。軸承33采用深溝球軸承，非常耐用，無(wú)須經(jīng)常維護(hù)，且摩擦系數(shù)小，既不影響電機(jī)的正常轉(zhuǎn)動(dòng)，又能限制住其轉(zhuǎn)動(dòng)軸的抖動(dòng)，極好地保證了轉(zhuǎn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)順暢。因此，整體裝置安裝和拆卸方便，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，防抖動(dòng)效果好，確保了噴粉過程中無(wú)人機(jī)和噴粉裝置的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，對(duì)整體裝置和無(wú)人機(jī)的保護(hù)效果好。如圖5所示。

圖5 噴粉裝置風(fēng)機(jī)防抖剖視圖結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地位于三明市永安市貢川鎮(zhèn)，毛竹林分布在平均海拔600米以上，毛竹林立竹度為1 800~2 300株/公頃。

3.2 研究?jī)?nèi)容

1）試驗(yàn)時(shí)間：2021年4月20日開始防治試驗(yàn)，清晨6–9時(shí)，飛行高度h=3米（距竹林冠層），飛行速度v=10米/秒。

2）試驗(yàn)材料：采用六旋翼植保無(wú)人機(jī)（型號(hào)SHX6-10B）、噴白僵菌粉劑（用量為2千克/公頃）。

3）試驗(yàn)方法：考察六旋翼無(wú)人機(jī)噴粉防治與人工防治毛竹剛竹毒蛾的效果及效率。

3.3 結(jié)果與分析

六旋翼植保無(wú)人機(jī)噴粉裝置防治藥劑使用量是人工作業(yè)防治的用藥量的一半，節(jié)約了藥劑。六旋翼植保無(wú)人機(jī)噴粉裝置的速度是人工作業(yè)防治速度的6倍，工作效率有很大的提高。目前，城市化進(jìn)程加快，農(nóng)村勞動(dòng)力流失，特別在基層林業(yè)的用人情況較為緊張，六旋翼植保無(wú)人機(jī)噴粉裝置對(duì)毛竹林剛竹毒蛾的防治工作，有利于緩解人力資源短缺的壓力。科學(xué)技術(shù)手段不斷更新，六旋翼植保無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力逐漸加強(qiáng)，更具有實(shí)用性，使六旋翼植保無(wú)人機(jī)在毛竹病蟲害防治中的應(yīng)用更加可靠科學(xué)，同時(shí)解決了地形條件惡劣導(dǎo)致工作人員無(wú)法進(jìn)行正常防治工作的問題。剛竹毒蛾防治效率表如表1所示。

表1 剛竹毒蛾防治效率表

4 結(jié)語(yǔ)

本課題設(shè)計(jì)的植保無(wú)人機(jī)噴粉裝置能夠很好地解決人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、容易引起作業(yè)人員藥物中毒及噴施程度不均勻等問題。通過試驗(yàn)證明，植保無(wú)人機(jī)噴粉掛件裝置能保證毛竹植株防治更均勻施撒藥粉，能夠適應(yīng)竹林地多種復(fù)雜的地形，提高防治效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提升機(jī)械化水平，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，推動(dòng)農(nóng)業(yè)智能化和自動(dòng)化發(fā)展。