果園風(fēng)送噴霧機的改進設(shè)計與噴霧高度調(diào)控模型構(gòu)建

翟長遠(yuǎn)，徐 莎，John Long，李瀚哲，張 波，朱瑞祥

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室, 陜西 楊凌 712100；3 Department of Biosystems and Agricultural Engineering, Oklahoma State University,Stillwater,OK,USA 74078)

果園中最主要的管理作業(yè)是病蟲害防治，其工作量約占果樹管理總工作量的30%左右[1-3]，而噴藥作業(yè)質(zhì)量和效果的優(yōu)劣對保證果品質(zhì)量、提高產(chǎn)值和降低生產(chǎn)成本等都有直接影響[4-7]。風(fēng)送噴霧是聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的一種先進高效的施藥技術(shù)，風(fēng)送噴霧機是該技術(shù)最重要的裝備，由于霧滴被風(fēng)機吹出的氣流強制性的吹向靶標(biāo)，可有效地抵御自然風(fēng)的干擾，提高霧滴穿透能力[8-9]。

國外學(xué)者針對風(fēng)送噴霧技術(shù)及以風(fēng)送噴霧裝備為基礎(chǔ)的對靶噴霧裝備開展了大量研究。早在2005年，Giles等[10]研發(fā)了基于超聲傳感的對靶噴霧機，并在不同季節(jié)進行了一系列田間試驗，結(jié)果表明對靶噴藥能節(jié)省15%～45%的農(nóng)藥。隨后多位研究者針對橄欖園、葡萄園、梨園和蘋果園研究了風(fēng)送噴霧技術(shù)，并研發(fā)了果園對靶風(fēng)送噴霧機，田間試驗結(jié)果表明風(fēng)送對靶噴霧機在減少靶標(biāo)外噴霧的同時還能增加果園靶標(biāo)膛內(nèi)藥液的沉積量[11-17]。隨后國內(nèi)的科研人員對于風(fēng)送噴霧技術(shù)也做了大量的研究，內(nèi)容主要集中在噴霧參數(shù)和外部環(huán)境對風(fēng)送噴霧效果的受影響[18-23]、風(fēng)送噴霧機果園對靶噴霧探測及控制方法、對靶噴霧機的設(shè)計[24-27]和針對我國果園實際情況的風(fēng)送噴霧機創(chuàng)新性研制等方面[28-30]。本課題組徐莎等[30]設(shè)計了噴霧高度可調(diào)的果園風(fēng)送噴霧機，該噴霧機可以根據(jù)實際噴霧需求通過改變風(fēng)箱角度調(diào)節(jié)噴霧寬度，大大增強了噴霧機的通用性，但尚存在風(fēng)箱調(diào)節(jié)機構(gòu)不支持電動調(diào)控且調(diào)節(jié)精度不高、體積偏大、通過性差、傳動設(shè)計不太合理、功耗較高等缺點，還有進一步改進完善的必要。為此，本研針對果園風(fēng)送噴霧機第一代樣機存在的問題進行改進設(shè)計，通過試驗獲得噴霧重心高度和噴霧寬度的調(diào)節(jié)范圍，并探尋噴霧重心高度、噴霧寬度和風(fēng)箱角度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，旨在為噴霧高度可調(diào)式對靶風(fēng)送噴霧機的改進和研發(fā)提供理論支持。

1 果園風(fēng)送噴霧機的改進設(shè)計

1.1 第一代果園風(fēng)送噴霧機樣機

第一代果園風(fēng)送噴霧機樣機整機結(jié)構(gòu)主要包括機架、藥箱、行走輪、傳動系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)和藥液輸送系統(tǒng)等部分[30]，其實物如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 第一代果園風(fēng)送噴霧機實物圖Fig.1 Photo of first generation prototype air-assisted sprayer

表1 第一代果園風(fēng)送噴霧機的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of first generation prototype sprayer mm

1.2 果園風(fēng)送噴霧機的改進設(shè)計

針對第一代果園風(fēng)送噴霧機風(fēng)箱角度不支持電動控制且調(diào)節(jié)精度不高、體積偏大、通過性差、傳動設(shè)計不太合理、功耗較高等問題，進行了結(jié)構(gòu)、尺寸和材料等方面的改進設(shè)計，并完成了新型果園風(fēng)送噴霧機研發(fā)。

1.2.1 噴霧機傳動機構(gòu)的改進 在第一代風(fēng)送噴霧機傳動機構(gòu)的設(shè)計中，采用前后2個傳動箱、1個傳動主軸和1組帶傳動實現(xiàn)主要動力傳遞。前傳動箱由1對錐齒輪和傳動軸組成，后傳動箱由6個直齒輪組成(其中包括3個過度齒輪)，整個傳動系統(tǒng)理論計算功率為5.25 kW 。為了降低整個傳動系統(tǒng)的功耗，減小噴霧機體積，對傳動系統(tǒng)進行改進，改進前后噴霧機傳動方案對比如圖2、3所示。

A.后傳動箱側(cè)視圖; B.傳動機構(gòu)俯視圖。1.前傳動箱；2.帶傳動裝置；3.三缸柱塞泵；4.傳動主軸；5.左離心風(fēng)機；6.左導(dǎo)流風(fēng)箱；7.后傳動箱；8.右離心風(fēng)機；9.噴頭；10.右導(dǎo)流風(fēng)箱A.Side view of back gearbox；B.Top view of transmission mechanism.1.Front gear box；2.Belt transmission unit；3.Triplex plunger pump；4.Main transmission shaft；5.Left centrifugal fan；6.Left bellow；7.Back gear box；8.Right centrifugal fan；9.Nozzle；10.Right bellow圖2 改進前果園風(fēng)送噴霧機一代樣機的傳動機構(gòu)Fig.2 Transmission mechanism of the optimized air-assisted sprayer before optimization

A.側(cè)視圖；B.俯視圖。1.三缸柱塞泵；2.左離心風(fēng)機；3.帶傳動裝置；4.左導(dǎo)流風(fēng)箱；5.傳動箱；6.右離心風(fēng)機；7.噴頭；8.右導(dǎo)流風(fēng)箱；9.動力輸入軸A.Side view；B.Top view.1.Triplex plunger pump；2.Left centrifugal fan；3.Belt transmission unit；4.Left bellow；5.Gear box；6.Right centrifugal fan；7.Nozzle；8.Right bellow；9.Power input shaft圖3 改進后果園風(fēng)送噴霧機的傳動機構(gòu)Fig.3 Transmission mechanism of the optimized air-assisted sprayer after optimization

由圖2、3可見，與改進前的傳動機構(gòu)相比，改進后果園風(fēng)送噴霧機的整個風(fēng)送系統(tǒng)進行了前置，舍棄了第一代噴霧機的中圓錐齒輪傳動箱和傳動主軸，縮短了整個動力傳遞路線，并在后傳動箱中減少了1個過渡齒輪，改進后傳動系統(tǒng)的理論功耗為4.83 kW，較改進前降低了8%，節(jié)約了材料，降低了傳動機構(gòu)的質(zhì)量。

1.2.2 噴霧機導(dǎo)流風(fēng)箱固定方式的改進 針對風(fēng)箱調(diào)整角度精度較差的問題，對風(fēng)箱固定方式進行了改進，結(jié)果如圖4所示。

第一代風(fēng)送噴霧機的設(shè)計中，導(dǎo)流風(fēng)箱通過法蘭盤套筒安裝在風(fēng)機軸的端蓋上并可繞其轉(zhuǎn)動，法蘭盤上安裝有緊固螺栓和螺母，在后傳動箱的上端邊沿焊接有弧形槽吊耳，在導(dǎo)流風(fēng)箱轉(zhuǎn)動的過程中，法蘭盤上的緊固螺栓在弧形槽中運動，當(dāng)導(dǎo)流風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)至工作位置時，旋緊螺母，固定導(dǎo)流風(fēng)箱。在實際操作過程中，由于導(dǎo)流風(fēng)箱自身較重，在旋轉(zhuǎn)的過程中較難準(zhǔn)確地控制風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)的角度。改進后的風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)機構(gòu)蝸桿固定在傳動箱的兩側(cè)，蝸輪固定在導(dǎo)流風(fēng)箱的法蘭盤上，在調(diào)整導(dǎo)流風(fēng)箱的噴霧角度時，旋轉(zhuǎn)蝸桿即可，且蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)具有自鎖的特點，故在旋轉(zhuǎn)的過程中可減少由導(dǎo)流風(fēng)箱自重而引起的擺動，使導(dǎo)流風(fēng)箱的角度調(diào)整更加精確。

1.2.3 噴霧機通過性能的改進 風(fēng)送噴霧機一代樣機的藥箱長度決定了噴霧機長度尺寸，其導(dǎo)流風(fēng)箱的高度決定了整個噴霧機的高度尺寸。一代樣機所選藥箱體積為200 L，安裝尺寸長×寬×高為1 000 mm×500 mm×500 mm，采用縱向安裝方式，并設(shè)計了較長的傳動主軸以實現(xiàn)動力由前傳動箱向后傳動箱的傳遞。這不僅加長了整個噴霧機的整機尺寸，提高了傳動主軸對結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料的要求，而且增加了整個噴霧機的功率損耗。改進后的果園噴霧機，藥箱容量為150 L，其安裝尺寸長×寬×高為700 mm×500 mm×500 mm，另外為了縮小噴霧機整體體積，藥箱采用橫向安裝的方式，與原有的設(shè)計相比，改進后噴霧機的長度縮減了500 mm。此外，噴霧機一代樣機導(dǎo)流風(fēng)箱和藥箱之間預(yù)留的安裝空隙為200 mm，在整個噴霧機樣機完成整機裝配之后，導(dǎo)流風(fēng)箱與藥箱之間仍有空間，對這一部分結(jié)構(gòu)也進行改進，使得噴霧機在不影響各個部件安裝的情況下結(jié)構(gòu)更加緊湊合理。噴霧機改進后的長度尺寸為1 450 mm，較改進前的2 150 mm縮小了700 mm，減小了32.6%。

一代果園風(fēng)送噴霧機的性能試驗表明，噴霧機的轉(zhuǎn)彎半徑較大，轉(zhuǎn)向性能較差。為進一步提高噴霧機在果園中的作業(yè)效果，對其進行了改進。本研究所設(shè)計的果園風(fēng)送噴霧機是由小型山地履帶拖拉機牽引并提供工作動力，在履帶式拖拉機車身長度和轉(zhuǎn)向角固定的條件下，果園風(fēng)送噴霧機的轉(zhuǎn)向半徑取決于鉸接點至噴霧機行走輪固定軸的距離，故為了減小噴霧機的轉(zhuǎn)向半徑，需縮小鉸接點至噴霧機行走輪固定軸的距離。改進前的一代樣機鉸接點至噴霧機行走輪固定軸的距離為1 600 mm，而改進后的距離為1 100 mm，轉(zhuǎn)彎半徑減小了15.6%。

為了保證果園風(fēng)送噴霧機一代樣機的整體高度，選用了直徑為350 mm的行走輪，行走輪固定軸安裝于機架下方。性能試驗結(jié)果表明，噴霧機一代樣機在越過較大障礙物時仍存在一定的困難。改進后的果園風(fēng)送噴霧機選用了直徑為500 mm的充氣輪胎，但為了不改變噴霧機機架的離地間隙，將行走輪的固定軸固定于噴霧機機架上方，根據(jù)車輪直徑變化可以計算出改進后的噴霧機越障能力提高了42.9%。

1.2.4 改進后的噴霧機整機及其試驗 改進后的果園風(fēng)送噴霧機結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，噴霧機實物圖見圖5。

表2 改進后果園風(fēng)送噴霧機的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of the sprayer after optimization mm

圖5 改進后的果園風(fēng)送噴霧機實物圖Fig.5 Photo of the optimized air-assistant sprayer

風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)會改變風(fēng)箱組的橫向尺寸，進而會影響整個噴霧機的尺寸。為了獲得旋轉(zhuǎn)角度對噴霧機尺寸影響關(guān)系，測量了不同旋轉(zhuǎn)角度下噴霧機風(fēng)箱組寬度和噴霧機高度，結(jié)果如表3所示。從表3來看，旋轉(zhuǎn)角度對風(fēng)箱組寬度有一定影響，旋轉(zhuǎn)角度為最大值30°時風(fēng)箱寬度最寬，為0.95 m，但仍然小于噴霧機輪距1.0 m；風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)角度對噴霧機高度基本沒有影響。

表3 風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)角度對果園風(fēng)送噴霧機尺寸的影響Table 3 Air-assistant sprayer size alteration at different bellow angles

2 噴霧高度調(diào)控模型

為給噴霧高度自動調(diào)控的對靶噴霧機提供控制模型支持，需要獲得沉積分布重心高度、噴霧寬度和風(fēng)箱角度之間的數(shù)學(xué)模型。針對改進后的果園風(fēng)送噴霧機，在西北農(nóng)林科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院拖拉機實驗室前進行了風(fēng)送噴霧垂直沉積分布試驗。霧滴收集采用比利時AAMS植保機械公司生產(chǎn)的AAMS垂直霧滴分布測量儀，該儀器在耐腐蝕的合金框架上的樹狀結(jié)構(gòu)中安裝了20個收集器，收集器按照自上而下的高度順序依次編號，每個收集器長0.2 m、寬0.22 m，1號收集器對應(yīng)的沉積分布高度為0.7～0.9 m，2～20號收集器依次分別沿垂直軸間隔0.2 m交替分布在吸收墻兩側(cè)的橫向支架上，收集器均設(shè)有底座和攔截液體排出口，其與沿測量儀延伸的收集管相連，每個收集器連接到與之編號相對應(yīng)的100 mL量杯內(nèi)，以便于讀取試驗結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)測量裝置的總高度為4 m，總質(zhì)量為80 kg。合金框架上的樹狀結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)配置的1.70 m長軌道上可以往復(fù)直線運動。

針對行距5 m左右的現(xiàn)代果園，將霧滴分布測量儀平行布置于風(fēng)箱左側(cè)，使用8.8 kW履帶式拖拉機為噴霧機提供動力，開啟全部左側(cè)噴頭，調(diào)節(jié)回流管道上的流量調(diào)節(jié)閥，使噴霧管道上的噴霧壓力穩(wěn)定在0.5 MPa。調(diào)節(jié)導(dǎo)流風(fēng)箱的旋轉(zhuǎn)角度分別為0°，15°和30°，進行果園風(fēng)送噴霧機的垂直沉積分布試驗，每次測量計時30 s，讀取各個量筒的沉積量，結(jié)果如圖6所示。試驗過程中風(fēng)速為0.2～0.8 m/s，溫度為19～20 ℃。

圖6 不同風(fēng)箱角度果園風(fēng)送噴霧機噴霧量的垂直沉積分布Fig.6 Vertical deposition distribution at different bellow angles of air-assistant sprayer

圖6顯示，在不同風(fēng)箱角度下，果園風(fēng)送噴霧機噴霧沉積的垂直分布均以中間沉積量大,兩端沉積量較少，該噴霧機適宜于紡錘型果樹果園的噴霧作業(yè)。隨著風(fēng)箱角度的增大，噴霧沉積高度提高，使用Matlab軟件，通過Gaussian高斯曲線擬合獲得風(fēng)箱角度為0°，15°和30°時噴霧量的沉積分布方程分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：DPT0、DPT15和DPT30分別為風(fēng)箱角度為0°，15°和30°時的噴霧沉積量，mL；h為高度，m。

確定噴霧沉積量自下而上累積達(dá)到噴霧總量50%的高度，對果園風(fēng)送噴霧機噴霧的沉積分布描述具有重要意義，本研究將該高度定義為沉積分布重心高度。由公式(1)、(2)、(3)可求得風(fēng)箱角度為0°，15°和30°時的沉積分布重心高度分別為1.14，1.55和2.20 m。以沉積分布重心高度為中心，通過積分可以獲得風(fēng)送角度為0°，15°和30°時，70.7%的藥量垂直分布分別集中于0.72～1.56，1.15～1.94和1.71～2.69 m高度。對不同風(fēng)箱角度噴霧沉積分布重心高度和噴霧寬度進行擬合，結(jié)果(圖7)得到其數(shù)學(xué)模型分別為：

H=0.035θ+1.1，

(4)

W=0.045θ+1.3。

(5)

式中：H為噴霧重心高度，m；θ為風(fēng)箱角度，(°);W為噴霧寬度,m。噴霧沉積分布重心高度和噴霧寬度擬合直線的R2值分別為0.982和0.996，可見擬合效果良好，該模型可為噴霧高度和寬度的智能調(diào)控提供理論支持。

圖7 果園風(fēng)送噴霧機風(fēng)箱角度與噴霧沉積分布重心高度和噴霧寬度的關(guān)系Fig.7 Center and width of deposition at different bellow angles of air-assistant sprayer

3 結(jié) 論

1)改進后的果園風(fēng)送噴霧機較改進前理論功耗減少8%，長度尺寸減小了32.6%，導(dǎo)流風(fēng)箱的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)更加精確。

2)風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)角度對風(fēng)箱組寬度有一定的影響，旋轉(zhuǎn)角度為最大值30°時風(fēng)箱寬度最寬，為0.95 m，但仍然小于噴霧機輪距1.0 m；風(fēng)箱旋轉(zhuǎn)角度對噴霧機高度基本無影響。

3)噴霧垂直沉積分布試驗結(jié)果表明，在導(dǎo)流風(fēng)箱與鉛垂線分別成0°，15°和30°的條件下，噴霧沉積量重心高度分別為1.14，1.55和2.20 m，70.7%的藥量垂直分布分別集中于0.72～1.56,1.15～1.94和1.71～2.69 m高度內(nèi)。

4)獲得了沉積重心高度、噴霧寬度與風(fēng)箱角度之間的數(shù)學(xué)模型，2個模型均為線性方程，其R2值分別為0.982和0.996，可為噴霧高度智能調(diào)控提供理論支持。