遙控輪式果園高效脈沖噴霧機(jī)的研制

楊震++曹希凡++黨凱鋒++張鵬霞

摘要 針對陜西省矮化果園設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)彎半徑小、可視回傳遙控輪式高效脈沖噴霧機(jī)具?；诳梢暬喪狡脚_，利用遠(yuǎn)程遙控脈沖式噴氣發(fā)動機(jī)進(jìn)行無人噴霧作業(yè)，并在標(biāo)準(zhǔn)矮化果園進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該機(jī)具施藥藥效持久，震蕩后產(chǎn)生的0.5～1.0 μm藥物粒子，在空中漂浮時(shí)間長達(dá)1～3 h，噴霧效率高，每株樹木噴射1～2 s即可完成；比傳統(tǒng)噴霧器節(jié)省藥水60%以上。

關(guān)鍵詞 果園高效脈沖噴霧機(jī)；遙控輪式；可視化

中圖分類號 S491 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）17-0175-02

病蟲害防治是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、園果林業(yè)、設(shè)施蔬菜種植中最主要的管理作業(yè)，但由于國內(nèi)目前種植業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，粗放式耕作經(jīng)營導(dǎo)致很多地區(qū)仍使用手動、踏板式噴霧器和高壓噴槍，采用大霧量、雨淋式噴藥方法[1]。這種粗放落后的藥械和施藥方法容易導(dǎo)致農(nóng)藥利用率低，不僅浪費(fèi)了資源，而且造成了環(huán)境污染。這種傳統(tǒng)噴藥作業(yè)的效率低，勞動強(qiáng)度大，容易導(dǎo)致操作人員中毒[2]。

1 目前果園噴霧情況

國外基于大面積種植模式能最大程度地發(fā)揮自然條件的優(yōu)勢以形成規(guī)模效應(yīng)，有利于農(nóng)業(yè)大規(guī)模的機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化生產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營。且種植區(qū)配合溝灌、噴灌、滴灌設(shè)備，基本實(shí)現(xiàn)了從耕地到收割、貯存幾乎所有農(nóng)作物生產(chǎn)領(lǐng)域的機(jī)械化，直接幫助了農(nóng)場主大幅提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，最終達(dá)到成本最小化、利潤最大化的目的。歐美國家的果園為規(guī)模化種植，行距和株距統(tǒng)一規(guī)劃，便于機(jī)械化作業(yè)。因此，大多數(shù)國外噴藥機(jī)械可實(shí)現(xiàn)大中型機(jī)械化作業(yè)，植保機(jī)械多用罩蓋循環(huán)、風(fēng)送式、靜電噴霧、自動對靶、定向仿形控制等，實(shí)現(xiàn)了低噴量、精噴灑、少污染和高功效[3]。

我國目前大片果園規(guī)?；I(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，仍主要采取一家一戶的經(jīng)營模式，生產(chǎn)規(guī)模小，地勢、土壤復(fù)雜多變，樹種和栽培模式繁多，機(jī)械作業(yè)空間狹小，栽培管理專業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化程度低，不利于果園機(jī)械的推廣和應(yīng)用[4]。但隨著我國果園種植面積的擴(kuò)大，果園規(guī)?；l(fā)展和規(guī)范化管理的要求日益提高，果園機(jī)械化管理的重要性日益凸顯。

雖然目前在我國東北、新疆等地實(shí)行現(xiàn)代、規(guī)范化、規(guī)?；牧止N植，有大中型噴藥設(shè)備使用，但大多數(shù)果林病蟲害防治很難進(jìn)行大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)，因而亟需開發(fā)適合我國果樹種植者且易操作使用的高效精細(xì)噴霧機(jī)械裝備[5]。

2 遙控輪式果園高效脈沖噴霧機(jī)的整體結(jié)構(gòu)與工作原理

本課題研制一款小型遙控可視自走式電動果園噴霧平臺，適用于我國現(xiàn)代低矮密植果園的種植模式。整機(jī)由電動力驅(qū)動，遠(yuǎn)程遙控作業(yè)，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的新型植保作業(yè)方式。

整機(jī)工作控制過程如圖1 所示。果園種植戶由操控終端發(fā)射信號；機(jī)具總電源接通，信號接收端即接收命令、分析相應(yīng)給出信號，把命令信號傳給行走系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)等工作部件并執(zhí)行命令。整車行走和噴霧控制互不干擾，行走速度、姿態(tài)由果園種植戶通過回傳視頻確定，實(shí)現(xiàn)變量彌霧。通過可視化噴藥云臺的控制可針對病蟲、病灶多發(fā)處進(jìn)行定點(diǎn)、定量施藥，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變量控制。

2.1 行走系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)功率選擇

行走系統(tǒng)采用典型輪式移動構(gòu)造。由車體、車輪、車輪—車體兩者之間將兩者結(jié)合起來的支撐機(jī)構(gòu)、車輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)等組成[6]。而純電動輪式機(jī)車平臺的輸出動力全部由電動機(jī)提供，所以電動機(jī)功率的選擇需滿足機(jī)車的最高車速以及最大爬坡度等動力需求。

2.1.1 以最高設(shè)計(jì)車速確定電機(jī)額定功率。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，當(dāng)機(jī)車依最高設(shè)定速度Vmax勻速行駛時(shí)，電機(jī)所需提供的功率計(jì)算公式為：

式中，η—整車動力傳動系統(tǒng)效率（包括主減速器和驅(qū)動電機(jī)及控制器的工作效率），取0.86；m—機(jī)車滿載質(zhì)量，取60 kg；g—重力加速度，取9.8 m/s2；f—滾動阻力系數(shù)，取0.1；Cd—空氣阻力系數(shù)，取0.6；A—電動機(jī)車迎風(fēng)面面積，取0.6×0.5=0.3 m2（設(shè)計(jì)車身寬度×車身高度）；Vmax—最高車速，取15 km/h。

將以上數(shù)據(jù)帶入（1）中，計(jì)算得當(dāng)機(jī)車依設(shè)計(jì)最高時(shí)速行駛時(shí)，電機(jī)所需提供的功率：

即在設(shè)定最大行駛速度為15 km/h的情況下，選300 W以上的電機(jī)即可符合設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 爬坡情況下電機(jī)額定功率計(jì)算。滿足以Vslope=10 km/h的車速行駛通過20%坡度（農(nóng)村土地調(diào)查將耕地坡度劃分為≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°共5個(gè)級別[8]）所需的電機(jī)峰值功率計(jì)算公式為：

滿足以Vslope=10 km/h的車速行駛通過20%坡度所需的電機(jī)峰值功率應(yīng)大于177 W。因此，按照最大行駛速度設(shè)定，選擇300 W電機(jī)即可。

2.2 四輪配置及轉(zhuǎn)向

前輪用獨(dú)立懸掛轉(zhuǎn)向方式，后輪非獨(dú)立懸掛作為動力輸出輪，車輪驅(qū)動方式是電機(jī)經(jīng)過減速器后直接驅(qū)動車輪的車軸[9]。在果園復(fù)雜的環(huán)境下采用獨(dú)立前懸掛，每個(gè)車輪用螺旋彈簧安裝在車架下方，這樣可最大限度地保證一輪在前進(jìn)過程中發(fā)生跳動時(shí)另外一輪不受影響，使車身穩(wěn)定性提高。

3 遙控輪式果園高效脈沖噴霧機(jī)的噴藥系統(tǒng)

噴藥系統(tǒng)采用脈沖式噴氣發(fā)動機(jī)原理（圖2），藥機(jī)發(fā)動時(shí)，先將電源開關(guān)打開使火花塞處于持續(xù)高壓點(diǎn)火狀態(tài)，再將空氣手動壓入啟動單項(xiàng)三通閥，一路供給出油系統(tǒng)保證燃油被壓入燃燒管道，將燃油供應(yīng)到燃燒室，另一路進(jìn)入燃燒氣管，同被壓出的燃油在燃燒室混合并被火花塞點(diǎn)燃，接著爆炸開始，瞬間產(chǎn)生巨大氣壓將熱空氣從發(fā)動機(jī)的開口噴出。當(dāng)空氣被噴出燃燒室，燃燒室內(nèi)便產(chǎn)生真空。真空迫使即將被噴出排氣管的火焰吸回燃燒室[10]。此時(shí)噴管已排出火焰并吸入新鮮空氣。該過程循環(huán)重復(fù)直至工作結(jié)束。

脈沖式發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的高溫高壓氣流從噴管出口處高速噴出，打開藥閥后，藥箱內(nèi)氣壓將藥液壓至爆發(fā)管內(nèi)，與高溫高速氣流混合產(chǎn)生負(fù)壓（引射原理），藥劑在負(fù)壓條件下通過輸水/藥管道，將水/藥送入噴管中在高頻熱流的震蕩下進(jìn)一步進(jìn)行霧化，將吸進(jìn)來的藥劑炸碎成0.5～1.0 μm藥物粒子。藥物微粒隨氣流從噴管噴出彌散成細(xì)小的霧狀覆蓋整個(gè)靶標(biāo)對象[11]，達(dá)到殺蟲防病的效果。使用脈沖式噴氣發(fā)動機(jī)原理可以大量減少噴霧過程中水的使用量。

脈沖式噴霧機(jī)由于在燃燒室和噴管中將水/藥高頻震蕩后形成了微小藥物粒子，可長時(shí)間在空中漂浮。一般在5 m以下的農(nóng)作物，用水或煙霧劑兌農(nóng)藥后進(jìn)行噴霧操作，一般配比為10∶1，噴霧效率高，每株樹木1～2 s內(nèi)即可完成噴霧作業(yè)，比傳統(tǒng)噴霧器節(jié)省藥水60%以上。

由于該機(jī)具噴出的藥成彌散形式，因而防治空間大大增加，且噴出的藥物成油性，可更高效地附著于靶標(biāo)上，節(jié)水省藥。因此，近年來利用這種原理防治農(nóng)業(yè)、林業(yè)病蟲害的機(jī)具越來越多，是今后植物保護(hù)機(jī)械發(fā)展的重要方向。

4 遙控輪式果園高效脈沖噴霧機(jī)的性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

將果園高效脈沖噴霧機(jī)樣機(jī)在禮泉縣蘋果樹試驗(yàn)基地進(jìn)行田間性能試驗(yàn)檢測。試驗(yàn)對象為蘋果園。果樹較矮，行距為1.4 m左右，株距為1.1 m左右，作業(yè)空間為1.5 m左右。載藥量20 L，有效噴射距離10 m，霧滴直徑0.5～1.0 μm，續(xù)航時(shí)間15 h，傳動效率88%，可靠性89%，節(jié)水60%。

4.2 結(jié)果分析

一是整車體型較低，結(jié)構(gòu)簡單牢固，可在低矮密植果園中靈活行走、掉頭，具有良好的通過性和越障能力。二是經(jīng)由高頻脈沖器震蕩后產(chǎn)生的藥物粒子直徑在0.5～1.0 μm之間，可漂浮在空中1～3 h，葉片的受藥率大幅提高。噴霧效率高，每株樹木噴射1～2 s，較傳統(tǒng)噴霧器節(jié)省藥水60%以上。三是遠(yuǎn)程無線信號發(fā)射與接收穩(wěn)定，圖傳清晰可靠，整機(jī)控制性較高，達(dá)94%，在保證作業(yè)效率的前提下盡可能地使作業(yè)者遠(yuǎn)離農(nóng)藥覆蓋范圍，保障作業(yè)人員人身安全。四是整車采用24 V蓄電池為動力，蓄電池可與大多數(shù)市售電池更換，低碳節(jié)能，維修方便。

5 結(jié)論與展望

遙控輪式果園高效脈沖噴霧機(jī)可完全適應(yīng)密植果園的特點(diǎn)，該作業(yè)機(jī)具結(jié)構(gòu)緊湊、行動靈活，可適應(yīng)不同樹形、樹種的作業(yè)需求，可針對回傳重點(diǎn)病灶進(jìn)行定點(diǎn)、定量施藥，提高了機(jī)具施藥對靶性能，提高了農(nóng)藥利用率。

隨著越來越多的標(biāo)準(zhǔn)低矮密植果園的出現(xiàn)以及現(xiàn)代油改電技術(shù)的發(fā)展，電動力微型遙控植保機(jī)械具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。因此，研究人員應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高智能化作業(yè)，建立無人值守的新型果園機(jī)具。

6 參考文獻(xiàn)

[1] 何雄奎，嚴(yán)荷榮，儲金宇，等.果園自動對靶靜電噴霧機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（6）：78-80.

[2] 宋堅(jiān)利，何雄奎，曾愛軍，等.三種果園施藥機(jī)械施藥效果研究[J].中國農(nóng)機(jī)化，2006（5）：79-82.

[3] 楊學(xué)軍，嚴(yán)荷榮，徐賽章，等.植保機(jī)械的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33（6）：129-131.

[4] 孟祥金，沈從舉，湯智輝，等.果園作業(yè)機(jī)械的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012（1）：238-241.

[5] 王海波，劉鳳之，王孝娣，等.我國果園機(jī)械研發(fā)與應(yīng)用概述[J].果樹學(xué)報(bào)，2013，30（1）：165-170.

[6] 日本機(jī)器人學(xué)會機(jī)器人技術(shù)手冊[M].宗光華，城君實(shí)，等，譯.北京：科學(xué)出版社，2008.

[7] 王方.微型純電動汽車動力性能參數(shù)匹配及仿真研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2011.

[8] 中華人民共和國國土資源部.第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程：TD/T 1014—2007[S].北京：[出版者不詳]，2007.

[9] 曹其新，張蕾.輪式自主移動機(jī)器人[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2012.

[10] 李保國.脈動燃燒器及其尾管傳熱分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（3）：263-265.

[11] 程祥之.脈沖式煙霧機(jī)的構(gòu)造和工作原理[J].林業(yè)科技開發(fā)，1997（2）：55-56.