張義勝，侯心愛，宮玉敏，孫建新，蔣鑫

(淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，山東淄博，255086)

0 引言

水果是我國(guó)主要特色經(jīng)濟(jì)作物，田間管理過程中存在作業(yè)環(huán)節(jié)多、用工量大、生產(chǎn)成本高等突出問題[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前果園每年噴施農(nóng)藥8～15次，其工作量約占管理工作總量的30%[3-5]，因此果園植保機(jī)械尤為重要。目前，我國(guó)很多地方還在使用背負(fù)式的手動(dòng)噴霧設(shè)備，不僅藥量大、用藥不均勻，而且還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境[6-10]。噴槍噴灑是植保作業(yè)的主要方式之一。噴槍的性能，尤其是霧化性能，很大程度上決定了藥液的噴灑質(zhì)量[11]。射程是噴槍的重要性能指標(biāo)，決定植保機(jī)的作業(yè)效率，是噴槍設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)[12]。噴槍射程設(shè)計(jì)計(jì)算，目前還沒有一個(gè)用理論方法推導(dǎo)的分析計(jì)算式。噴頭射程計(jì)算，國(guó)內(nèi)外使用的都還是一些用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法推得的經(jīng)驗(yàn)公式[13]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)噴頭射程的計(jì)算方法進(jìn)行了大量研究并取得了一定成果：馮傳達(dá)[13]、Edling[14]、干浙民等[15]在總結(jié)大量試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，提出了多種無風(fēng)條件下的噴頭射程計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)市場(chǎng)需求，本文設(shè)計(jì)了一種雙擺動(dòng)噴槍噴灑裝置。由于噴頭和噴槍結(jié)構(gòu)原理相似，噴槍的射程采用了噴頭射程計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)噴槍的射程進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 整機(jī)參數(shù)及噴灑裝置結(jié)構(gòu)

針對(duì)丘陵山區(qū)果園農(nóng)藥噴灑作業(yè)，設(shè)計(jì)一種3WP-200A型智能植保機(jī)器人。采用后置式雙擺動(dòng)噴槍噴灑結(jié)構(gòu)。

1.1 整機(jī)參數(shù)

3WP-200A型智能植保機(jī)器人整機(jī)參數(shù)見表1。

表1 整機(jī)參數(shù)Tab. 1 Machine parameters

1.2 噴灑裝置結(jié)構(gòu)

雙擺動(dòng)噴槍噴灑裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由擺動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、左噴槍、噴槍固定板、右噴槍組成。噴灑裝置通過噴槍固定板，用螺釘安裝在植保機(jī)器人的后部，兩個(gè)噴槍左右對(duì)稱布置。擺動(dòng)電機(jī)固定在噴槍固定板上，在擺動(dòng)電機(jī)的輸出端安裝四連桿擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)噴槍左右擺動(dòng)。

圖1 噴灑裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 噴灑裝置工作原理

噴灑裝置安裝在植保機(jī)器人的后部，采用雙擺動(dòng)噴槍噴灑方式。在植保機(jī)行走過程中，左右對(duì)稱布置的兩個(gè)噴槍，在擺動(dòng)機(jī)構(gòu)總成的帶動(dòng)下，一邊左右擺動(dòng)，一邊向兩側(cè)果樹噴灑農(nóng)藥。噴槍最大擺動(dòng)范圍為90°，即從水平位置擺動(dòng)到垂直位置。藥泵的兩個(gè)出口分別連接到兩個(gè)噴槍的進(jìn)口。霧化后的藥液經(jīng)過噴槍出口噴出，噴向兩側(cè)的果樹。根據(jù)植保機(jī)行走的速度，調(diào)整擺動(dòng)電機(jī)輸入電壓，得到不同的擺動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，從而得到不同的噴槍擺動(dòng)頻率，以保證藥液噴灑均勻性和農(nóng)藥噴灑量需求。調(diào)整藥泵壓力的高低、更換噴槍出口直徑，可以改變農(nóng)藥噴灑量的大小和射程。

2 噴槍設(shè)計(jì)

2.1 噴槍基本參數(shù)

噴槍基本參數(shù)見表2。

表2 噴槍基本參數(shù)Tab. 2 Basic parameters of airbrush

2.2 噴槍結(jié)構(gòu)

噴槍由調(diào)節(jié)桿、調(diào)節(jié)螺母、固定螺母、壓蓋、密封墊圈、藥液進(jìn)口、槍體、出口連接段、閥瓣、節(jié)流板、壓蓋等組成，如圖2所示。

圖2 噴槍結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)桿下部與調(diào)節(jié)螺母聯(lián)結(jié)；調(diào)節(jié)桿中部外圓加工外螺紋，外螺紋與槍體內(nèi)螺紋配合；調(diào)節(jié)桿頂部與閥瓣聯(lián)結(jié)；轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺母，帶動(dòng)調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動(dòng)；調(diào)節(jié)桿中部外螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)調(diào)節(jié)桿軸向移動(dòng)。節(jié)流板中心加工一個(gè)小孔，用于藥液通過。固定螺母用于固定調(diào)節(jié)桿軸向位置。壓蓋用于壓緊密封墊圈，防止藥液泄漏。閥瓣外圓與出口連接段內(nèi)孔間隙配合，在調(diào)節(jié)桿的帶動(dòng)下，上下移動(dòng)。閥瓣外圓上加工了兩條螺旋槽，藥液通過槍體內(nèi)孔和螺旋槽后，得到一次霧化，經(jīng)節(jié)流板上的孔流出后，再次得到霧化，噴向果樹。閥瓣頂部有一個(gè)尖頭，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿，調(diào)節(jié)閥瓣尖部與節(jié)流板孔的間隙，可以調(diào)節(jié)藥液出口的面積，從而調(diào)節(jié)藥液的噴灑壓力、噴灑高度和霧化程度。調(diào)節(jié)桿的位置調(diào)整完畢，用固定螺母鎖緊固定。在轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿時(shí)，不可將節(jié)流板孔堵死，否則的話，藥泵一經(jīng)開動(dòng)，管路系統(tǒng)壓力升高，容易造成藥泵、噴槍、管路等部件的損壞。

2.3 噴槍設(shè)計(jì)

噴槍主體材料由不銹鋼制作，密封墊圈材料由耐腐蝕橡膠制作。

2.3.1 進(jìn)口直徑

噴槍進(jìn)口管直徑選擇與泵出口管直徑一致，為6 mm。噴槍進(jìn)口為內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，與泵出口管的外螺紋聯(lián)結(jié)。

2.3.2 出口直徑

噴槍出口直徑(節(jié)流板內(nèi)徑)的計(jì)算可參考高壓水射流清洗機(jī)噴槍噴嘴孔徑計(jì)算公式[16]。

(1)

式中：d——噴槍出口直徑，mm；

Q——藥液流量，L/min；

μ——噴槍流量系數(shù)，0.4～0.6；

P0——藥液進(jìn)口壓力，MPa。

噴槍流量系數(shù)是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，由于噴槍過流部分能量損失較大，流量系數(shù)是比較低的，μ=0.4～0.6[17]，這里取0.4；藥液流量指的是霧化狀態(tài)的藥液流量，取額定流量0.8 L/min；藥液進(jìn)口壓力，取工作壓力0.4 MPa。

由式(1)計(jì)算得，噴槍出口直徑d=1.23 mm，取d=1.2 mm。

2.3.3 閥瓣直徑

根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，閥瓣外圓直徑設(shè)計(jì)為16 mm，在閥瓣外圓上加工兩條螺旋槽，其作用是使藥液得到霧化，螺旋槽截面形狀為半圓，圓半徑為1 mm。兩條螺旋槽的截面合在一起，為直徑2 mm的圓，其面積略大于噴槍出口面積。

2.3.4 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，參考同類型噴槍的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，確定噴槍的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為190 mm。

2.3.5 槍體直徑

槍體的材料選用304無縫鋼管，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，槍體的外徑設(shè)計(jì)為15 mm。承受內(nèi)壓管子理論壁厚公式，鋼管的理論壁厚

(2)

式中：Ps——鋼管設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D——鋼管外徑，15 mm；

φ——焊縫系數(shù)，0.4～0.6；

σ——鋼管材料的許用應(yīng)力，300 MPa。

焊縫系數(shù)φ是為了考慮確定許用應(yīng)力安全系數(shù)時(shí)未能考慮到的因素。焊縫系數(shù)與管子的結(jié)構(gòu)、焊接工藝、焊縫的檢驗(yàn)方法有關(guān)[18]。本次設(shè)計(jì)槍體的材料為304無縫鋼管，φ=1。鋼管的設(shè)計(jì)壓力Ps這里按照5 MPa 計(jì)算，目的是擴(kuò)大噴槍的壓力應(yīng)用范圍。由式(2)計(jì)算得，鋼管理論壁厚s為0.124 mm，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，最終確定鋼管的壁厚為2 mm。

3 噴槍射程計(jì)算

3.1 進(jìn)出口藥液流速

本文中，藥液的密度按照水的密度計(jì)算。藥液流速計(jì)算公式為

(3)

式中：v——藥液流速，m/s；

A——藥液流經(jīng)面積，m2。

藥液流經(jīng)面積

(4)

噴槍出口直徑為1.2 mm，由式(4)計(jì)算得，噴槍出口藥液流通面積A1=1.130 97×10-6m2。由式(3)計(jì)算得，噴槍出口藥液流速v1=11.787、13.263、14.74 m/s。

噴槍進(jìn)口直徑為6mm，由式(4)計(jì)算得，噴槍進(jìn)口藥液流通面積A0=2.827×10-5m2。由式(3)計(jì)算得，噴槍進(jìn)口的藥液流速v0=0.472、0.531、0.59 m/s。

3.2 藥液出口壓力

根據(jù)伯努力方程，噴槍進(jìn)出口截面的流體，符合下列關(guān)系

P=P0+5×10-7ρ(v02-v12)-P1

(5)

式中：P——藥液出口壓力，MPa；

ρ——藥液的密度，1 000 kg/m3；

P1——藥液壓力損失，MPa。

流通管路、噴槍進(jìn)出口高度差及噴槍過流部分產(chǎn)生壓力損失，經(jīng)試驗(yàn)，壓力損失值在0.2 MPa左右，這里取P1為0.2 MPa。在工作壓力為0.4、0.45、0.5 MPa時(shí)，由式(5)計(jì)算得，噴槍藥液出口壓力分別為0.131、0.163、0.192 MPa。

3.3 射程計(jì)算

如圖3所示，應(yīng)用物理學(xué)及理論力學(xué)的基本概念，可以得出噴槍定向噴灑時(shí)，藥液流在垂直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)的方程式[13]。

(6)

(7)

vy=v1sinα-(g+ay)t

(8)

式中：X——藥液飛行的水平距離，m；

Y——藥液飛行的垂直高度，m；

α——噴槍的噴射角，(°)；

t——藥液飛行的時(shí)間，s；

ax、ay——空氣阻力產(chǎn)生的藥液水平、垂直方向上加速度，m/s2；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

vy——藥液垂直方向上分速度，m/s。

當(dāng)藥液飛行至最高點(diǎn)時(shí)，vy=0，由式(8)得

式中：t1——藥液飛行到最高點(diǎn)需要時(shí)間，s。

藥液飛行的最大高度

藥液在最高點(diǎn)時(shí)，飛行的水平距離

藥液從最高點(diǎn)降落至地面需要時(shí)間

式中：h——噴槍出口至地面距離，m。

藥液空中飛行的總時(shí)間

tz=t1+t2

藥液飛行的最大水平距離

如圖3所示，噴槍藥液出口壓力P分解為水平方向的壓力Px和垂直方向的壓力Py，計(jì)算公式為

Px=Pcosα

Py=Psinα

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，空氣阻力產(chǎn)生的藥液流在水平、垂直方向上的加速度[13]

(9)

(10)

藥液流在上升和下降過程中，二者因空氣阻力產(chǎn)生的藥液流在垂直方向上的加速度值是不同的，為了方便計(jì)算，這里近似地把二者數(shù)值看作是相同的。同時(shí)，這里采用的是經(jīng)驗(yàn)公式，其計(jì)算誤差，在實(shí)際應(yīng)用中是允許的。由于噴槍是擺動(dòng)的，如圖3所示，公式中的X、Y、X1、Y1、Xz的數(shù)值坐標(biāo)均以噴槍出口位置為原點(diǎn)。

圖3 左噴槍藥液計(jì)算噴射軌跡

根據(jù)式(3)～式(10)，表3列出了噴槍噴射角為0°～90°，藥液出口壓力為0.131、0.163、0.192 MPa時(shí)，定向噴灑水平距離和高度的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，圖3繪出了在噴槍不同的噴射角時(shí)，藥液定向噴灑的曲線軌跡。由于左右噴槍是對(duì)稱的，圖3只繪出了左噴槍藥液定向噴灑的曲線軌跡。由于噴槍是擺動(dòng)的，噴灑的軌跡是動(dòng)態(tài)的，藥液的實(shí)際落點(diǎn)是噴灑軌跡與樹冠的交點(diǎn)。圖3中，X、Y的坐標(biāo)原點(diǎn)O設(shè)置在左右噴槍的中心線與地面的交點(diǎn)。由圖3可以看出，工作壓力為0.4～0.5 MPa時(shí)，藥液噴灑果樹適應(yīng)行距為7～9 m，噴灑果樹高度為6.66～9 m。

4 噴槍射程試驗(yàn)及分析

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

在工作壓力為0.4、0.45、0.5 MPa，噴射角為0°～90°時(shí)，測(cè)試噴槍定向噴灑水平距離Xz和高度h+Y1。

4.2 試驗(yàn)介質(zhì)和方法

試驗(yàn)介質(zhì)，清水；試驗(yàn)條件，無風(fēng)天氣；試驗(yàn)方法按照規(guī)范GB/T 24677.2—2009[19]、T/CAMA 22—2019[20]進(jìn)行。調(diào)節(jié)閥瓣尖部與節(jié)流板孔的間隙，使噴射出的藥液達(dá)到霧化狀態(tài)。每個(gè)角度測(cè)試3次，取其平均值。

表3 噴槍射程計(jì)算結(jié)果Tab. 3 Calculation results of spray gun range

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可以看出，工作壓力為0.4、0.45、0.5 MPa時(shí)，噴槍定向噴灑最大高度分別為5.834、6.099、8.061 m，低于理論計(jì)算值，與計(jì)算值的平均誤差分別為13.59%、14.56%、13.56%。噴槍定向噴灑最大水平距離分別為9.922、11.669、13.236 m，低于理論計(jì)算值，與計(jì)算值平均誤差分別為7.56%、14.27%、14.48%。結(jié)合計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，考慮到風(fēng)力、平均噴灌強(qiáng)度、水滴打擊強(qiáng)度等因素的影響，藥液實(shí)際噴灑高度大于6 m，噴灑果樹最大行距為7～9 m。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)噴槍參數(shù)要求設(shè)計(jì)了噴槍，確定了噴槍的進(jìn)口直徑為6 mm，出口直徑為1.2 mm，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為190 mm。該研究可為噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

2) 在不考慮風(fēng)力，只考慮空氣阻力的條件下，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算噴槍射程，并進(jìn)行射程試驗(yàn)。綜合考慮到風(fēng)力、平均噴灌強(qiáng)度、水滴打擊強(qiáng)度等因素的影響，噴槍工作壓力為0.4～0.5 MPa時(shí)，噴灑果樹最大行距為7～9 m，藥液實(shí)際噴灑高度大于6 m，滿足設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。

3) 根據(jù)植保機(jī)行走速度快慢，調(diào)整噴槍擺動(dòng)頻率，以保證藥液噴灑均勻性和噴灑量需求。試驗(yàn)表明，雙擺動(dòng)噴槍噴灑裝置藥液霧化效果好，噴灑均勻，環(huán)境污染低，市場(chǎng)前景廣闊。

表4 噴槍射程試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Results of spray gun range test