陳安銳 都基毅 盧蓓 羅華

研究背景

在美麗城市建設(shè)的過程中，越來越多地將園林綠化融入建設(shè)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(shí)長、需要大量勞動(dòng)力，且現(xiàn)有輔助涂白工具體積較大、實(shí)用性不強(qiáng)。為此，我希望設(shè)計(jì)一款能快速、高效對(duì)樹干進(jìn)行涂白的背負(fù)式涂白機(jī)，既能快速涂白，減少勞動(dòng)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(shí)，還可以避免工人粉刷涂白劑時(shí)長時(shí)間吸入刺激性氣體。

研究思路

采用文獻(xiàn)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(guān)資料，明確設(shè)計(jì)的適用范圍；對(duì)目前現(xiàn)有的樹干涂白工具或機(jī)器裝置進(jìn)行調(diào)查、分析；構(gòu)思、查新、設(shè)計(jì)作品結(jié)構(gòu)，制作模型或成品；對(duì)模型實(shí)用性進(jìn)行測試。

設(shè)計(jì)制作

結(jié)構(gòu)組成

這款背負(fù)式可控制噴頭座開合的樹木涂白機(jī)主要由左右活動(dòng)圓弧噴體、噴頭支座、背負(fù)式電動(dòng)調(diào)速噴霧器3部分組成（圖1）。其中，左右活動(dòng)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(jī)構(gòu)的12 V每分鐘60轉(zhuǎn)的馬達(dá)、座殼和“Y”型三通頭；背負(fù)式電動(dòng)調(diào)速噴霧器包含蓄水箱、泵機(jī)、12 V 6 A蓄電池、控制電路和噴管。左右活動(dòng)圓弧噴頭開合利用帶有限位裝置的齒輪嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制，通過減速電機(jī)和控制開關(guān)控制活動(dòng)圓弧隨意調(diào)節(jié)開合弧度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同直徑樹木涂白的作業(yè)需求。

設(shè)計(jì)方案與改進(jìn)

第1代背負(fù)式可控制噴頭座開合的樹木涂白機(jī)

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

設(shè)計(jì)思路 左右活動(dòng)圓弧噴體分別為2個(gè)半徑300 mm的1/4圓弧PVC管，開合時(shí)可形成一個(gè)直徑為600 mm半圓。活動(dòng)圓弧上共安裝了6個(gè)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(dòng)圓弧噴頭開合。噴頭支座經(jīng)過自制三通管與背負(fù)式電動(dòng)調(diào)速噴霧器相連。三通管進(jìn)口處連接背負(fù)式電動(dòng)調(diào)速噴霧器，2個(gè)出口分別與左右活動(dòng)圓弧噴頭連接。

實(shí)地測試與后期改進(jìn)

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，確定設(shè)計(jì)各部件相應(yīng)參數(shù)，利用3D打印機(jī)完成原型，制作完成第1代背負(fù)式可控制噴頭座開合的樹木涂白機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)地涂白效果測試。涂白測試設(shè)定為不同工具在相同樹種、相同種植時(shí)間、相同種植環(huán)境下完成一棵樹干涂白的時(shí)間對(duì)比實(shí)驗(yàn)。根據(jù)測試結(jié)果及問題分析不斷改進(jìn)完善設(shè)備，先后將圓弧噴體直徑改為400 mm；將噴頭座上的6個(gè)噴頭每2個(gè)噴頭與噴頭座圓心設(shè)計(jì)成60°夾角并均勻分布成整圓；將手動(dòng)調(diào)節(jié)噴頭座開合改進(jìn)為電動(dòng)控制噴頭座左右活動(dòng)圓弧開合；將原有減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合結(jié)構(gòu)改進(jìn)為舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制左右，升級(jí)換代開發(fā)了第2代、第3代，直至較為滿意的第4代背負(fù)式可控制噴頭座開合的樹木涂白機(jī)。

第4代背負(fù)式可控制噴頭座開合的樹木涂白機(jī)（圖2）

工作原理 操作者背著噴壺，手握噴桿，按下噴桿上開關(guān)控制左右圓弧噴頭座開合。該噴頭座可以在舵機(jī)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(guān)，噴壺的噴機(jī)啟動(dòng)，涂白劑通過泵機(jī)吸入，經(jīng)過噴管到達(dá)噴頭座，由噴頭座上的Y型三通頭流入兩側(cè)軟管，進(jìn)入左右圓弧噴體，最后從6個(gè)噴嘴噴出。操作者握住噴體沿樹干由上而下移動(dòng)，噴漿均勻吸附樹干，完成涂白。噴涂完畢，長按開關(guān)，噴頭座便可打開移出。

設(shè)計(jì)思路 控制左右活動(dòng)圓弧開合的齒輪嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)保留，將減速電機(jī)改為舵機(jī)控制活動(dòng)圓弧噴頭座開合；同時(shí)設(shè)計(jì)鴨式頭，以適應(yīng)噴灑不同種類液態(tài)物質(zhì)需要。

測試結(jié)果 改進(jìn)后的第4代背負(fù)式可控制噴頭座開合的樹木涂白機(jī)涂白效率為人工涂白的3 4倍，基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)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(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。測試效果見圖3。

創(chuàng)新點(diǎn)

噴頭支座安裝簡易，并可連接大多數(shù)噴灑器。

設(shè)計(jì)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(jī)控制齒輪嚙合傳動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)新穎，運(yùn)動(dòng)自如，精度準(zhǔn)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(xiàng)目進(jìn)一步完善的設(shè)想

當(dāng)樹木直徑較小時(shí)，噴頭支座兩端的二通噴頭噴出的液體會(huì)濺到操作者身上，希望在下一步的改進(jìn)中能解決這個(gè)問題。

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

可在涂白機(jī)上使用傳感器，當(dāng)涂白機(jī)感應(yīng)到樹干后左右圓弧噴頭座能自動(dòng)打開；當(dāng)傳感器感應(yīng)到樹干某一部分未涂白時(shí)，噴頭可自動(dòng)調(diào)節(jié)角度對(duì)準(zhǔn)這部分涂白。

該項(xiàng)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(xiàng)目小學(xué)組技術(shù)類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語

該項(xiàng)目通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，確定設(shè)計(jì)各部件相應(yīng)參數(shù)，完成了“可控制噴頭座開合的樹木涂白機(jī)”原型制作并進(jìn)行實(shí)地效果測試。試用達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，成品較好。設(shè)備在實(shí)際噴灑油漆的時(shí)候，有很多油漆浪費(fèi)，說明該機(jī)器在效率方面還有待改進(jìn)。建議針對(duì)不同直徑的樹木，對(duì)如何全包裹噴灑油漆再作改進(jìn)。同時(shí)，在噴灑的濃度和速度方面加以改進(jìn)，以減少噴灑液體的損失?！?/p>