一種小型互換式大棚自動噴藥機構設計①

趙云月， 劉明普 , 王樹林， 于 琪， 贠文琪， 李虎洋， 楊傳華

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

大棚噴藥是設施農(nóng)業(yè)中的一個重要環(huán)節(jié)，為保證大棚蔬菜的產(chǎn)出質(zhì)量，必要時要在蔬菜的整個生長周期內(nèi)進行多次噴藥[1]。噴灑農(nóng)藥是解決蔬菜病蟲危害的主要手段，對于小型蔬菜大棚，我國目前仍主要采用人工進行噴藥，隨之而來的農(nóng)藥對人體的傷害日趨嚴重，農(nóng)藥中毒會導致人體神經(jīng)麻痹乃至死亡，對人體危害極大[2-3]。我國每年農(nóng)藥中毒事故達50萬人次，死亡約10萬人。在噴藥作業(yè)中，使得農(nóng)藥不與人直接接觸，且噴藥均勻，使其剛好達到滅蟲效果，減少農(nóng)藥用量，保護自然環(huán)境尤為重要。為減少農(nóng)藥對人體造成的傷害，減少農(nóng)藥用量，提高農(nóng)藥利用率，開發(fā)一種簡單可靠、成本低廉、無人操守適合我國國情的小型自動噴藥機具有重要的意義[4]。

1 國內(nèi)外大棚自動噴藥發(fā)展現(xiàn)狀

設施農(nóng)業(yè)技術在國外發(fā)達國家研究較早，大棚噴藥技術相對成熟，現(xiàn)代化程度高，自動控制技術亦較為先進，一般采用光機電一體化技術、現(xiàn)代微電子技術、信息技術及智能控制技術等，可以實現(xiàn)精準噴藥，不重復噴，不漏噴，不漂移，從而減少藥量的使用，減少用藥成本及環(huán)境污染。但一般大棚建造規(guī)模較大，建造規(guī)范、空間大、設施齊全，建造成本極其昂貴，不適合我國國情[5-7]。我國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展相對滯后，設施大棚主要有兩大類：一類是小型以人工作業(yè)為主的設施大棚，另一類是相對大型帶自動控制系統(tǒng)的設施大棚，控制系統(tǒng)多采用PLC控制系統(tǒng)，噴藥一般與自動澆水系統(tǒng)使用同一系統(tǒng)，可實現(xiàn)固定時間點噴藥及定量噴藥，一般不能實現(xiàn)精量控制[8-9]。在上述我國兩類的的設施大棚中，以人工作業(yè)為主的小型設施大棚占有較大的比例，尤其是廣大農(nóng)村戶農(nóng)建造的大棚，其噴藥方式主要仍是人工噴藥，一般有兩種方式，一是由操作者背著手動噴霧器進行手動噴灑，另一種方式是操作者背負著迷霧機進行噴灑，其作業(yè)場景如圖1及圖2所示。

上述兩種噴藥方式，在噴藥的整個作業(yè)過程中，需要人工背著藥箱進行作業(yè)，勞動強度大，作業(yè)效率低，噴藥重復率及漏噴率高，噴藥不均勻。該種方式作業(yè)最主要的危害是農(nóng)藥對操作者身體造成的傷害，極大地危害操作工人的身體健康[10-13]。

設計一種小型互換式大棚軌道自動噴藥機,在大棚中間頂部安裝兩條軌道，軌道上裝有帶有控制電動機的行走裝置，在該行走裝置下方設有快速對接的標準接口，小型自動噴藥機上方設有與之對應的快速對接口，可以與軌道上的行走裝置進行快速對接，實現(xiàn)快速掛接及快速卸下。每個大棚只需要安裝一個帶有行走裝置的軌道即可，一個小型噴藥機可以用于多個大棚，提高小型噴藥機的利用率，降低大棚建造成本。當大棚內(nèi)不需要噴藥時，亦可將小型噴藥機卸下，節(jié)省大棚空間。另大棚頂端的帶有行走裝置的軌道，可用于其他設有快速對接口的秧苗運輸車、秧苗擺盤機、播種機、播種覆土機等相應設備，提高軌道利用率。

圖1 手動噴霧器

圖2 背負式機動彌霧機

2 小型大棚自動噴藥機總體設計

大棚軌道鋪設中，綜合考慮經(jīng)濟成本和多功能互換的方便性，機構設計了由大棚骨架、吊桿裝置、軌道安裝調(diào)節(jié)裝置及驅(qū)動裝置、軌道上下吊箱及快速對接裝置、噴藥恒壓調(diào)節(jié)裝置及單片機控制系統(tǒng)裝置等組成。軌道通過吊桿裝置安裝在大棚骨架上，軌道上吊箱通過軌道驅(qū)動裝置安裝在軌道上，形成多功能軌道驅(qū)動平臺。軌道下吊箱與噴藥系統(tǒng)固定安裝，并通過快速對接裝置與軌道上吊箱進行安裝，上下吊箱設計有標準的快速對接接口，通過快速對接調(diào)節(jié)手柄實現(xiàn)上、下吊箱的快速結合與分離。軌道下吊箱與噴藥系統(tǒng)作為一個整體，可以在多個安裝有同樣軌結構的大棚中使用，減少了常規(guī)設計中每個大棚都需設有噴藥系統(tǒng)的成本，提高了噴藥機構的利用率。采用美國PTC公司的Creo軟件對小型大棚自動噴藥機的整體結構進行了設計，其具體結構如圖3所示。

小型大棚自動噴藥機軌道平臺由多節(jié)組成，每節(jié)軌道有4個吊桿，通過4個夾子將該節(jié)軌道吊裝在大棚頂部，同理在大棚頂部吊裝多節(jié)軌道，通過軌道安裝調(diào)節(jié)裝置，使得軌道水平安裝，并通過軌道上接口將多個軌道固裝在一起，最后完成一條整個軌道，在軌道上壓裝有驅(qū)動輪和從動輪，并通過驅(qū)動軸和從動軸連軌道下方的吊箱，吊箱機架上裝有24V驅(qū)動的步進電動機，其輸出軸裝有主動帶輪，通過同步帶驅(qū)動安裝在主動軸上的從動帶輪，從而驅(qū)動整個吊箱在軌道上行走，在吊箱的下方設有對接口，該對接口可以和多種大棚內(nèi)作業(yè)的裝備進行快速對接，將多種裝備上控制系統(tǒng)的控制線與吊箱上的步進電動機的控制線連接，多種裝備上的24V移動電源接入吊箱上的24V驅(qū)動的步進電動機，依據(jù)多種裝備各自的作業(yè)速度要求，控制吊箱上的步進電動機的轉速，從而控制吊箱的行進速度。該系統(tǒng)控制過程可以通過無線網(wǎng)絡進行，整個噴藥過程中不需要人工操作，杜絕操作者在工作中農(nóng)藥中毒情況發(fā)生；另外傳統(tǒng)汽油機驅(qū)動的小型噴藥系統(tǒng)工作過程中，因大棚幾乎密閉的空間狹小，汽油機排放的氣體不能及時排出，污染嚴重，而設計的小型自動噴藥系統(tǒng)采用純電力驅(qū)動，零排放，無污染。

3 大棚噴藥機軌道受力分析

在軌道設計中，為了得到大棚軌道較優(yōu)化的設計結構，采用Creo軟件中的Simulate模塊對大棚軌道結構進行了三維建模并進行靜力學分析[14-15]。Creo Simulate既作為獨立軟件使用，也作為Creo Parametric的擴展包，集成了有限元分析軟件功能，可以對具體結構進行力學分析。在具體設計中，通過調(diào)節(jié)符合連接要求的螺栓螺母從而獲得合適角鋼軌道位置，位置確定后，可選擇將調(diào)整螺栓焊接。依據(jù)設計要求，初步設計軌道橫梁截面尺寸為30×30×2的角鋼，角鋼材料為Q235的低碳鋼，其屈服強度為235MPa。

設計中大棚軌道由多節(jié)組成，每節(jié)長度2000mm，在使用過程中，每節(jié)由4個吊桿安裝在大棚骨架上，如圖3中所示軌道為其中一節(jié)。噴藥裝置工作中，沿軌道由驅(qū)動裝置驅(qū)動勻速行駛，驅(qū)動裝置由4個壓在軌道上的輪子驅(qū)動低速運行，且電機起速平穩(wěn)，無沖擊載荷，采用Creo軟件中有限元模塊仿真分析軌道受力情況。針對上述情況，只分析軌道的靜態(tài)力學特性即可滿足設計要求，噴藥裝置位于吊桿中間位置時，軌道受力最大。此時，吊桿位置是固定端，施加固定約束，中間位置根據(jù)噴藥裝置的輪子跨度施加靜力載荷，如圖4所示。

1.大棚骨架 2.吊桿裝置 3.軌道接口 4.軌道 5.軌道安裝調(diào)節(jié)裝置 6.軌道驅(qū)動裝置 7.軌道上吊箱8.對接裝置調(diào)節(jié)手柄 9.軌道下吊箱 10.噴桿 11.單片機控制箱 12.液晶顯示屏 13.機架 14.藥箱 15.噴藥恒壓調(diào)節(jié)裝置

圖3 小型大棚軌道自動噴藥機模型結構

圖4 噴藥裝置軌道模型載荷施加

施加總載荷分別為200N、400N、600N、800N及1000N時分析得到軌道產(chǎn)生的最大變形位移及最大應力主值情況如表1所示。

表1 噴藥軌道受力與承載情況分析

在噴藥機構軌道承載總載荷為600N時，軌道靜態(tài)力學分析情況，應力最大主值在軌道上的分布情況如圖5所示，軌道最大變形位移在軌道上的分布情況如圖6所示。

圖5 軌道模型應力最大主值分布

圖6 軌道模型最大變形位移分布

4 結 論

(1)設計的小型互換式大棚軌道噴藥機構，可以通過快速對接裝置將噴藥機構用于多個建有同一規(guī)格大棚軌道的大棚內(nèi)使用，減少了每個大棚都配有噴藥機構的成本。設計的快速對接裝置可以掛接在大棚內(nèi)的多種作業(yè)裝備，如秧苗運輸車、秧苗擺盤機、播種機、播種覆土機等相應裝備，同樣可以在多個大棚內(nèi)使用。

(2)大棚軌道的結構材料采用普通低碳鋼的30×30×2的角鐵，其屈服強度至少在200MPa以上，本文設計的軌道力學分析中，如表1中所示，當大棚軌道總承載重量為100kG左右時，軌道最大應力主值為14.4MPa，遠遠小于軌道的屈服強度，具有很大的安全系數(shù)。一般設計的噴藥裝置總重量小于100kG，之所以采用較大的安全系數(shù)，主要考慮給其他大棚的掛接作業(yè)裝置提供較大的安全空間，以滿足不同作業(yè)裝置的工作要求。