西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 邵林鵬 李嘉玲 萬宏強 趙漢青

許多果園還是人工背著打藥機對果樹進行噴霧防治，其效率低下，在消耗大量勞動力的同時也會危害人的身體健康。本文提出了一款可以在小果園使用、能裝在中小裝載設(shè)備上，并且有一定適應(yīng)能力，可以對不同的果樹進行噴霧的噴藥裝置。該設(shè)備能根據(jù)樹高選擇噴藥工作模式，通過控制器控制調(diào)整水平和豎直電機轉(zhuǎn)動調(diào)整到所需模式，啟動柱塞泵實現(xiàn)噴藥。該設(shè)備增加了果樹噴藥的安全性、提高了噴藥效率。

隨著人們生活水平的提高，民眾對水果的需求日益增加，這種需求使得果樹種植面積和產(chǎn)量得到了大幅提高；但目前果樹噴藥裝置自動化程度并不高且效率低下，因此，國內(nèi)外學(xué)者針對自動噴藥設(shè)備進行了一系列研究。周良富等研制出一款果園風(fēng)送式噴霧機，整體結(jié)構(gòu)為門式結(jié)構(gòu)，對靶裝置由步進電機和垂直直線推桿配合直線軌道組成，但是需要工作人員進行人工對靶。盡管這款噴霧裝置可以對兩邊果樹進行全方位噴藥，噴藥效率得到提高，但是目前還未能夠做到自動對靶。市面上的噴霧設(shè)備工作性能可靠，只針對特定的果園環(huán)境可以達(dá)到較好的噴藥效果，但是由于缺少自動對靶裝置，造成了本身自適應(yīng)能力不足，不能精確識別不同品種果樹的生長狀況。姜紅花等在某款風(fēng)送式噴霧機中首次使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用紅外線傳感器對果樹進行對靶定位，整個系統(tǒng)采用的是開環(huán)控制原理，缺少了對定位信息檢測的反饋，因此定位不夠精準(zhǔn)。綜上所述，雖然目前在果園噴霧機方面的研究取得一定進展，尤其是在精準(zhǔn)對靶、無人機自動噴藥技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究已十分成熟，但機械結(jié)構(gòu)缺乏創(chuàng)新和智能化程度不高、效率不高、性價比低等一系列問題，依然限制了果園噴霧機的普及。

1 總體設(shè)計

根據(jù)該噴藥裝置的設(shè)計要求可以推導(dǎo)出其工作原理，首先噴藥裝置上的傳感器感應(yīng)到果樹冠層，然后把所得數(shù)據(jù)傳給控制系統(tǒng)，經(jīng)過處理之后再由控制系統(tǒng)控制電機和電磁閥的啟動，以控制噴桿和噴頭工作，實現(xiàn)對果樹的噴藥。噴霧機工作原理如圖1所示。

圖1 自動噴霧機原理圖

整個裝置以空心梁構(gòu)建框架，將藥箱置于中間，前部搭載三缸柱塞泵以及相應(yīng)的驅(qū)動電機，車體尾部通過支撐架搭載噴桿調(diào)節(jié)裝置。噴桿調(diào)節(jié)裝置主要由水平滾珠絲杠滑臺和垂直滾珠絲杠滑臺以及收線輪組成。當(dāng)工作人員操控噴藥裝置進入果園后，可以根據(jù)果樹的冠層大小和高低選擇不同的工作模式。水平滾珠絲桿滑臺主要調(diào)整噴桿距兩側(cè)果樹的距離，以適應(yīng)不同株距的果樹。垂直滾珠絲桿滑臺則主要調(diào)整噴桿的高度，由電機驅(qū)動的收線輪則用來調(diào)整噴桿的傾斜角度。當(dāng)果樹植株較矮時，由收線輪將噴桿放平，即為對地噴藥模式。根據(jù)果樹的高矮和冠層大小以及株距，可以適當(dāng)調(diào)整噴桿的高度和角度，使其轉(zhuǎn)為45°噴藥模式和垂直噴藥模式。整個車體本身并不具備動力，噴藥裝置可以搭載在小型牽引設(shè)備上，并且整個裝置可以由車載電源提供動力來驅(qū)動電機。圖2為噴霧機的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 噴霧機結(jié)構(gòu)圖

2 各裝置設(shè)計

2.1 噴藥模式變換機構(gòu)設(shè)計

為了提高該噴藥裝置對不同果樹的適應(yīng)能力，設(shè)計出了三種工作模式，即上章所提到的垂直噴藥模式、45°噴藥模式以及對地噴藥模式。噴藥模式變換機構(gòu)主要由收線輪、固定鉸鏈組成，類似于吊橋的原理，通過收線輪的收放繩索來控制噴桿繞固定鉸鏈的旋轉(zhuǎn)角度，若噴桿與垂直絲桿平行即為垂直噴藥模式，噴桿與垂直絲桿呈45°夾角即為45°噴藥模式，噴桿與垂直絲桿垂直即為對地噴藥模式。圖3為模式變換機構(gòu)圖。

圖3 模式變換機構(gòu)

2.2 噴桿水平與垂直傳動機構(gòu)設(shè)計

該雙向多方位自動噴藥裝置的水平、垂直移動都是通過滾珠絲桿滑臺來實現(xiàn)的，絲杠滑臺都是由相應(yīng)的步進電機來驅(qū)動。因為兩棵相鄰的果樹在其冠層交接處最窄，所以噴桿距離這一點最遠(yuǎn)，故此需要更高的速度來接近，則水平絲杠滑臺速度設(shè)為v1=80mm/s，而由于相同的果樹植株高矮基本相同，所以垂直絲杠滑臺的移動速度可以不用太快，故將其速度設(shè)為v2=20mm/s。圖4所示為水平與垂直傳動系統(tǒng)圖。

圖4 水平與垂直移動機構(gòu)圖

2.3 噴桿設(shè)計

該噴桿采用一條完整的無縫鋼管制作而成，其上共設(shè)有八個噴頭，每個噴頭都相距0.2m，這種設(shè)計可以使每個噴頭在一定區(qū)域噴灑有重疊，保證對果樹的噴霧效果，對于不同的果樹，還可以根據(jù)其果樹冠層大小來改變噴桿長度和噴頭數(shù)量。噴桿的設(shè)計示意圖如圖5所示。

圖5 噴桿設(shè)計圖

2.4 輸液機構(gòu)設(shè)計

式(1)中，Ag為高壓防爆管的內(nèi)孔截面積。

結(jié)論：本裝置能夠適應(yīng)小果園機械作業(yè)要求，實現(xiàn)噴藥治理病蟲害，設(shè)計合理、原理簡單、使用便捷，可以減少農(nóng)藥的使用，既節(jié)省成本又保護環(huán)境。工作效率高效，實現(xiàn)了高效、經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保的要求。