微型自走式電動(dòng)果園彌霧機(jī)的研制與試驗(yàn)

榮喃喃，王冉冉，郭鵬軍，李玉道

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)械與電子工程學(xué)院；b.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安　271018)

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微型自走式電動(dòng)果園彌霧機(jī)的研制與試驗(yàn)

榮喃喃a，王冉冉a，郭鵬軍a，李玉道b

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)械與電子工程學(xué)院；b.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安271018)

摘要：針對(duì)當(dāng)前果園低矮密植模式，傳統(tǒng)的大型機(jī)具無(wú)法適應(yīng)封閉式作業(yè)環(huán)境的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)研制了一款微型自走式電動(dòng)果園彌霧機(jī)。該機(jī)具基于先進(jìn)的電動(dòng)汽車后橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，搭載風(fēng)送式二次彌霧系統(tǒng)，利用遠(yuǎn)程遙控技術(shù)，無(wú)需果農(nóng)進(jìn)入園地，即可完成藥物噴灑作業(yè)。樣機(jī)試驗(yàn)證明：整機(jī)傳動(dòng)效率達(dá)85%，穩(wěn)定性為91%，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

關(guān)鍵詞：果園；彌霧機(jī)；電動(dòng)力；遙控

0引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家大力推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)新政策的實(shí)施，林果業(yè)已經(jīng)成為很多氣候優(yōu)勢(shì)地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)。低矮密植模式是目前國(guó)內(nèi)較為普遍的種植模式，合理密植可顯著提高果園的經(jīng)濟(jì)效益；但因冠厚接近行距,兩行果樹(shù)枝葉幾乎交接，造成果園密閉，傳統(tǒng)機(jī)具難以進(jìn)入園內(nèi)[1-3]；加之果園規(guī)模快速擴(kuò)大，果農(nóng)理論技術(shù)比較欠缺，管理散亂，造成了果園植保作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有些單位研制了多款風(fēng)送式彌霧機(jī)，在一定程度上提高了工作效率和防治效果；但多數(shù)機(jī)具體型普遍較大,在低矮密植型果園中通過(guò)性能較差。機(jī)具動(dòng)力來(lái)源多為柴油或汽油，作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)較高，維護(hù)成本較高。果農(nóng)需跟隨機(jī)具施藥，不可避免地吸入農(nóng)藥，造成人身傷害。

基于當(dāng)前彌霧植保機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀和亟待解決的果園植保問(wèn)題，設(shè)計(jì)了適宜國(guó)內(nèi)果園特點(diǎn)的彌霧機(jī)尤為重要。適用于密植果園的微型電動(dòng)遙控彌霧機(jī)可以高效率、高質(zhì)量地完成藥液噴施作業(yè)，降低果農(nóng)的作業(yè)強(qiáng)度，提高農(nóng)藥利用率和經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

本設(shè)計(jì)的目的是研制一款微型自走式電動(dòng)果園彌霧機(jī)，適用于我國(guó)低矮密植的果園種植模式；整機(jī)由電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，遠(yuǎn)程遙控作業(yè)，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的新型果園植保作業(yè)方式。微型自走式電動(dòng)果園彌霧機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.高壓水泵　2.中壓風(fēng)機(jī)　3.高壓噴頭　4.藥箱　5.鉛酸蓄電池

sprayer in orchard

整機(jī)工作原理：基于彌霧系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，利用手持式遙控器來(lái)遠(yuǎn)程控制整個(gè)行走和彌霧過(guò)程。彌霧部分為風(fēng)送式彌霧系統(tǒng)，特點(diǎn)為利用進(jìn)口噴頭和高壓電動(dòng)水泵噴出直徑較小、射程較遠(yuǎn)的霧滴，借助中壓直流風(fēng)機(jī)強(qiáng)而柔的氣流，迅速地?cái)U(kuò)散霧化藥劑，使內(nèi)外層枝葉正反著藥，提高了果樹(shù)受藥率，且加強(qiáng)了藥液的附著滲透性?？刂撇糠种饕ㄕ麢C(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、遙控信號(hào)的收發(fā)和處理系統(tǒng)及電源系統(tǒng)。其特點(diǎn)為采用電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，搭載紅外遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了清潔能源在植保領(lǐng)域的突破，降低了植保作業(yè)的污染和危險(xiǎn)系數(shù)，保障了果農(nóng)的人身安全。

協(xié)同工作控制過(guò)程如圖2所示。首先，果農(nóng)發(fā)射信號(hào)；然后，機(jī)具的信號(hào)接收端即接收命令、分析信號(hào)，并把命令信號(hào)傳向工作部件，由工作部件執(zhí)行此命令。整車行走和彌霧控制互不干擾，在害蟲(chóng)較輕的區(qū)域可提高行走速度，縮短整個(gè)區(qū)域的彌霧時(shí)間，實(shí)現(xiàn)變量彌霧。同時(shí)，在彌霧過(guò)程中可控制轉(zhuǎn)向電機(jī)，隨時(shí)調(diào)整方向，以防行走路線偏斜。

圖2　微型自走式電動(dòng)果園彌霧機(jī)控制系統(tǒng)框圖

2結(jié)構(gòu)方案的確定

2.1　行走系統(tǒng)

行走系統(tǒng)包括電車底盤、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)。其中，電車底盤如圖3所示。

圖3　電車底盤

電車底盤外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 500mm×1 000mm×800mm。驅(qū)動(dòng)采用電動(dòng)汽車底盤專用驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)裝置，即差速電機(jī)后橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)以不同的轉(zhuǎn)速和不等距轉(zhuǎn)動(dòng)，增加轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定性，減小輪胎的受損率[7]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用Y2-132S-4三相異步交流電機(jī)，工作電壓為60V,功率為3kW，額定轉(zhuǎn)速為1 440r/min?？紤]到果園地面的不平整性和所需抓地力，行走輪胎型號(hào)選用145-12，其設(shè)計(jì)為流線型對(duì)稱花紋，抓地力強(qiáng)，防止非正常磨損[8]。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由電機(jī)帶動(dòng)一級(jí)齒輪，再通過(guò)皮帶帶動(dòng)二級(jí)齒輪，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向。根據(jù)果園地面的實(shí)測(cè)軟硬度和雨天后的工作環(huán)境，轉(zhuǎn)向電機(jī)選用扭矩為80kg·cm。電機(jī)型號(hào)為GW70105左-52，電壓24V，電流6.5A，轉(zhuǎn)速52r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)速46r/min，左向前螺紋軸。傳動(dòng)轉(zhuǎn)速比1:2，小輪內(nèi)徑12mm，大輪內(nèi)徑14mm，120齒。

遙控主板和發(fā)射器如圖4所示。設(shè)計(jì)采用8路互不干擾的射頻發(fā)射接收裝置，遠(yuǎn)程控制距離2 km，信號(hào)包括前進(jìn)、后退、剎車、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、水泵啟動(dòng)和一路預(yù)留信號(hào)[9]。

圖4　遙控主板和發(fā)射器

2.2　彌霧系統(tǒng)

彌霧系統(tǒng)如圖5所示。其主要原理為利用風(fēng)機(jī)風(fēng)筒作為風(fēng)道，設(shè)計(jì)氣流導(dǎo)流板，改變出風(fēng)方向，使風(fēng)向和藥液噴射的方向一致，實(shí)現(xiàn)二次彌霧。

本設(shè)計(jì)采用進(jìn)口噴頭，其噴霧面為270°扇面形，5個(gè)噴頭依次分布在半圓形的邊緣部分，拓寬了藥液輻射面，同時(shí)在高速氣流的二次霧化作用下形成扇形展開(kāi)的持續(xù)不斷的霧化工作帶，提高霧流的分布均勻性、穿透性及葉子的受藥率，實(shí)現(xiàn)彌霧無(wú)死角。配合5個(gè)高壓噴頭的總流量，滿足液滴噴射距離，高壓水泵選用24 V直流水泵，最大電流2.2 A，功率30 W，轉(zhuǎn)速470r/min，最大流量8.18×10-5cm3/s，最高壓力130MPa，吸程5m。

圖5　彌霧系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)型號(hào)的選擇關(guān)系到二次霧化的效果和藥液的利用率。風(fēng)速和風(fēng)壓過(guò)高極易吹散霧化帶，造成葉子受藥率降低；風(fēng)速和風(fēng)壓過(guò)低則無(wú)法霧化藥滴，藥滴快速滴落地面，空中保持時(shí)間較短，二次霧化效果較差。

果園用彌霧風(fēng)機(jī)參數(shù)符合公式如下公式，即

Q=NVHLK

(1)

其中，N為出風(fēng)口個(gè)數(shù)(1個(gè))；V為彌霧速度(2m/s)；H為果樹(shù)高度(2m)；L為彌霧機(jī)距果樹(shù)的距離(30cm)；K為氣流損失系數(shù)(1.6)。

代入以上參數(shù)，可確定風(fēng)量為1.92m3/h，即為6 925m3/h。

為達(dá)到最好的二次霧化效果，出口風(fēng)速Cc設(shè)定為25m/s,轉(zhuǎn)速n為2 200r/min,效率為80% 。

動(dòng)壓計(jì)算公式為

(2)

出口靜壓損失計(jì)算公式為

Pst=0.2Pd=108Pa

(3)

風(fēng)壓計(jì)算公式為

P=Pst+Pd=642Pa

(4)

所需功率為

(5)

考慮到作業(yè)效率受天氣環(huán)境，以上計(jì)算結(jié)果[10-11]均需留有余量，故選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)為SF4-2，轉(zhuǎn)速為2 800r/min，風(fēng)量為11 000 m3/h，功率為1.5kW。

2.3　電源系統(tǒng)

圖6為微型自走式電動(dòng)果園彌霧機(jī)電源系統(tǒng)示意圖。整機(jī)采用鉛酸蓄電池供電，總電壓為60V，單塊電池參數(shù)為6V/200mAh。DC模塊實(shí)物圖如圖7所示。其采用穩(wěn)定的buck降壓拓?fù)鋄12]，由芯片UC3845及外圍器件搭建而成[13]，其參數(shù)為輸入48～62V，輸出24V，最大輸出電流10A。經(jīng)過(guò)調(diào)試和樣機(jī)測(cè)試，DC輔助電源滿足后級(jí)轉(zhuǎn)向電機(jī)、水泵和遙控器的功率需求；同時(shí)帶有限流保護(hù)，過(guò)載時(shí)及時(shí)斷電保護(hù)用電設(shè)備[14]。

圖6　電源系統(tǒng)示意圖

圖7　DC降壓模塊

3性能試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樣機(jī)如圖8所示。樣機(jī)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象為蘋果園，果園果樹(shù)較矮，行距在1.3m左右，株距在0.8m左右，因樹(shù)枝交叉嚴(yán)重，作業(yè)空間高度僅為1.8m左右。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1微型自走式電動(dòng)果園彌霧機(jī)性能試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果

Table 1Performance test results of the micro self-propelled electric sprayer in orchard

檢驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)要求檢驗(yàn)結(jié)果整機(jī)動(dòng)力/kW≥3.53.5農(nóng)藥搭載量/kg≥90100噴頭噴射距離/m≥22.5霧滴直徑/μm≤7050~60彌霧范圍/m2≥45

續(xù)表1

3.2　試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

1)整車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體型微小，在低矮密果園中行走靈活，作業(yè)時(shí)通過(guò)性和越障能力良好。

2)二次彌霧系統(tǒng)工作良好，藥液噴射霧面達(dá)5m2，霧滴直徑為50 ~ 60μm，藥滴的空中保持時(shí)間較長(zhǎng)，葉子的受藥率大幅提高。

3)整車采用蓄電池為動(dòng)力，低碳節(jié)能，作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)降低。

4)遠(yuǎn)程信號(hào)發(fā)射與接收穩(wěn)定，可靠性較高達(dá)91%，既避免了果農(nóng)農(nóng)藥中毒，又保障了施藥作業(yè)的高效率完成。

4結(jié)論與展望

微型自走式電動(dòng)果園彌霧機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積微小，適用當(dāng)前果園低矮密植模式。該機(jī)采用環(huán)保能源電動(dòng)力，搭載二次彌霧系統(tǒng)，利用先進(jìn)的遠(yuǎn)程遙控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了科技和農(nóng)機(jī)的結(jié)合，提高了作業(yè)的效率和安全性。通過(guò)理論和試驗(yàn)證明：該機(jī)可良好地完成果園彌霧作業(yè)，具備操作簡(jiǎn)單、作業(yè)可靠、適用范圍廣的特點(diǎn)。隨著越來(lái)越多的低矮密植果園的出現(xiàn)，電動(dòng)力微型遙控植保機(jī)械具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。但因動(dòng)力搭載的限度，作業(yè)續(xù)航時(shí)間較短，應(yīng)進(jìn)一步探究電池總?cè)萘亢妥鳂I(yè)時(shí)間的最優(yōu)配置問(wèn)題[15]。

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Design and Experiment of the Micro Self-propelled Electric sprayer in Orchard

Rong Nannana, Wang Ranrana, Guo Pengjuna, Li Yudaob

(a.College of Mechanical and Electronic Engineering；b.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machineries and Equipments, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018,China)

Abstract：In the face of low high density orchard for the current model, the traditional large equipment can not adapt to work in the closed environment. A new self-propelled sprayer was developed.The equipment based on advanced electric car after the bridge drive system,equipped with Air-secondary mist systemand use the remote control technology,farmers can complete the drug spraying operations without rntering into the Garden . The prototype testing proved that the whole operation is designed to achieve the desired situation. The Transmission efficiency reached to 85% and the stability of reached to 91%.

Key words：orchard; sprayer; electric power; remote control

中圖分類號(hào)：S491

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0092-04

作者簡(jiǎn)介：榮喃喃(1990-)，女，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，(E-mail)xinxinxiangrong05@163.com。通訊作者：王冉冉(1979-)，男，山東淄博人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wranran@163.com。

基金項(xiàng)目：山東省青少年教育科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(15BSH073)

收稿日期：2015-09-28