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        3WP-200A型智能植保機器人噴槍設(shè)計與試驗*

        2022-09-21 06:07:40張義勝侯心愛宮玉敏孫建新蔣鑫
        中國農(nóng)機化學(xué)報 2022年10期
        關(guān)鍵詞:噴槍射程藥液

        張義勝,侯心愛,宮玉敏,孫建新,蔣鑫

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

        0 引言

        水果是我國主要特色經(jīng)濟作物,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],因此果園植保機械尤為重要。目前,我國很多地方還在使用背負(fù)式的手動噴霧設(shè)備,不僅藥量大、用藥不均勻,而且還會嚴(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),決定植保機的作業(yè)效率,是噴槍設(shè)計的一個重要參數(shù)[12]。噴槍射程設(shè)計計算,目前還沒有一個用理論方法推導(dǎo)的分析計算式。噴頭射程計算,國內(nèi)外使用的都還是一些用數(shù)理統(tǒng)計方法推得的經(jīng)驗公式[13]。國內(nèi)外許多學(xué)者對噴頭射程的計算方法進(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)大量試驗研究基礎(chǔ)上,提出了多種無風(fēng)條件下的噴頭射程計算的經(jīng)驗公式。根據(jù)市場需求,本文設(shè)計了一種雙擺動噴槍噴灑裝置。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算經(jīng)驗公式,并對噴槍的射程進(jìn)行了試驗。

        1 整機參數(shù)及噴灑裝置結(jié)構(gòu)

        針對丘陵山區(qū)果園農(nóng)藥噴灑作業(yè),設(shè)計一種3WP-200A型智能植保機器人。采用后置式雙擺動噴槍噴灑結(jié)構(gòu)。

        1.1 整機參數(shù)

        3WP-200A型智能植保機器人整機參數(shù)見表1。

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

        1.2 噴灑裝置結(jié)構(gòu)

        雙擺動噴槍噴灑裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,由擺動電機、減速機、擺動機構(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器人的后部,兩個噴槍左右對稱布置。擺動電機固定在噴槍固定板上,在擺動電機的輸出端安裝四連桿擺動機構(gòu),從而帶動噴槍左右擺動。

        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器人的后部,采用雙擺動噴槍噴灑方式。在植保機行走過程中,左右對稱布置的兩個噴槍,在擺動機構(gòu)總成的帶動下,一邊左右擺動,一邊向兩側(cè)果樹噴灑農(nóng)藥。噴槍最大擺動范圍為90°,即從水平位置擺動到垂直位置。藥泵的兩個出口分別連接到兩個噴槍的進(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)植保機行走的速度,調(diào)整擺動電機輸入電壓,得到不同的擺動電機輸出轉(zhuǎn)速,從而得到不同的噴槍擺動頻率,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

        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)動調(diào)節(jié)螺母,帶動調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動;調(diào)節(jié)桿中部外螺紋轉(zhuǎn)動,從而帶動調(diào)節(jié)桿軸向移動。節(jié)流板中心加工一個小孔,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)桿的帶動下,上下移動。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。閥瓣頂部有一個尖頭,轉(zhuǎn)動調(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)動調(diào)節(jié)桿時,不可將節(jié)流板孔堵死,否則的話,藥泵一經(jīng)開動,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

        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)的計算可參考高壓水射流清洗機噴槍噴嘴孔徑計算公式[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)長度

        根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要,參考同類型噴槍的結(jié)構(gòu)長度,確定噴槍的結(jié)構(gòu)長度為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、焊縫的檢驗方法有關(guān)[18]。本次設(shè)計槍體的材料為304無縫鋼管,φ=1。鋼管的設(shè)計壓力Ps這里按照5 MPa 計算,目的是擴大噴槍的壓力應(yīng)用范圍。由式(2)計算得,鋼管理論壁厚s為0.124 mm,根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要,最終確定鋼管的壁厚為2 mm。

        3 噴槍射程計算

        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算。藥液流速計算公式為

        (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)計算得,噴槍出口藥液流通面積A1=1.130 97×10-6m2。由式(3)計算得,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)計算得,噴槍進(jìn)口藥液流通面積A0=2.827×10-5m2。由式(3)計算得,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,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,由式(5)計算得,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,藥液流在垂直平面內(nèi)的運動的方程式[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)藥液飛行至最高點時,vy=0,由式(8)得

        式中:t1——藥液飛行到最高點需要時間,s。

        藥液飛行的最大高度

        藥液在最高點時,飛行的水平距離

        藥液從最高點降落至地面需要時間

        式中:h——噴槍出口至地面距離,m。

        藥液空中飛行的總時間

        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,計算公式為

        Px=Pcosα

        Py=Psinα

        根據(jù)經(jīng)驗公式,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,為了方便計算,這里近似地把二者數(shù)值看作是相同的。同時,這里采用的是經(jīng)驗公式,其計算誤差,在實際應(yīng)用中是允許的。由于噴槍是擺動的,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。

        圖3 左噴槍藥液計算噴射軌跡

        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,定向噴灑水平距離和高度的計算結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果,圖3繪出了在噴槍不同的噴射角時,藥液定向噴灑的曲線軌跡。由于左右噴槍是對稱的,圖3只繪出了左噴槍藥液定向噴灑的曲線軌跡。由于噴槍是擺動的,噴灑的軌跡是動態(tài)的,藥液的實際落點是噴灑軌跡與樹冠的交點。圖3中,X、Y的坐標(biāo)原點O設(shè)置在左右噴槍的中心線與地面的交點。由圖3可以看出,工作壓力為0.4~0.5 MPa時,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 噴槍射程試驗及分析

        4.1 試驗內(nèi)容

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

        4.2 試驗介質(zhì)和方法

        試驗介質(zhì),清水;試驗條件,無風(fēng)天氣;試驗方法按照規(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)。每個角度測試3次,取其平均值。

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

        4.3 試驗結(jié)果與分析

        試驗結(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,噴槍定向噴灑最大高度分別為5.834、6.099、8.061 m,低于理論計算值,與計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,低于理論計算值,與計算值平均誤差分別為7.56%、14.27%、14.48%。結(jié)合計算和試驗結(jié)果,考慮到風(fēng)力、平均噴灌強度、水滴打擊強度等因素的影響,藥液實際噴灑高度大于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)長度為190 mm。該研究可為噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(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)驗公式計算噴槍射程,并進(jìn)行射程試驗。綜合考慮到風(fēng)力、平均噴灌強度、水滴打擊強度等因素的影響,噴槍工作壓力為0.4~0.5 MPa時,噴灑果樹最大行距為7~9 m,藥液實際噴灑高度大于6 m,滿足設(shè)計參數(shù)的要求。

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

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

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