溫室自走式自動噴霧機(jī)的研制

李進(jìn)海，王昱潭，楊術(shù)明，陳 云，徐 洋，趙 澤

(寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

溫室自走式自動噴霧機(jī)的研制

李進(jìn)海，王昱潭*，楊術(shù)明，陳 云，徐 洋，趙 澤

(寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

針對溫室內(nèi)空間密閉、有害氣體多、濕度大和溫度高等條件下，人工施藥會對工作人員身體健康造成很大危害的問題，設(shè)計(jì)適用于溫室的自動噴霧裝置。該裝置的設(shè)計(jì)主要包括移動平臺的設(shè)計(jì)、自動控制裝置的設(shè)計(jì)和噴霧系統(tǒng)的引進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用三維軟體模擬設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際溫棚空間結(jié)構(gòu)和理論分析，研制具有針對性和互換改造性的自動噴霧裝備，且在實(shí)際試驗(yàn)后進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，滿足特定溫室環(huán)境下對植株無人、高效自動噴藥的植保作業(yè)。在溫室大棚內(nèi)測試了藥液在葡萄葉片上的霧滴覆蓋率及沉積密度，葡萄上部、中部、下部葉片正面平均分別有77.32%、60.30%、45.75%的藥液覆蓋率，單位面積霧滴個(gè)數(shù)平均分別為43、33、27個(gè)/cm2，表明該裝置可以達(dá)到對病蟲害防治的要求。

溫室； 噴霧； 自動； 植保； 研制

設(shè)施農(nóng)業(yè)近年來在我國發(fā)展迅速，已成為農(nóng)民增收的一條重要途徑。相對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，設(shè)施農(nóng)業(yè)病蟲害問題更加突出。但溫室內(nèi)空間密閉、有害氣體多、濕度大、溫度高，人工施藥會對工作人員的身體健康產(chǎn)生很大危害。我國溫室植保噴霧機(jī)械80%仍為背負(fù)式等手動噴霧器，“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象嚴(yán)重，農(nóng)藥利用率只有20%左右，同時(shí)因施藥中毒人數(shù)每年都在遞增。因此研制和開發(fā)新型溫室內(nèi)專用施藥裝備，減少對作業(yè)人員健康的損害具有十分重要的意義[1-8]。目前溫室自動噴霧裝置成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

在歐美國家，對溫室噴霧裝置改造已經(jīng)比較成熟，能適應(yīng)不同條件下對溫室自動噴霧的需求。美國Rowe等[9]設(shè)計(jì)的溫室自動噴藥系統(tǒng)，Sammons等[10]研制的溫室噴霧機(jī)器人，以及Burks等[11]開發(fā)的6輪差動驅(qū)動的溫室噴霧小車等在實(shí)現(xiàn)溫室自動噴霧方面均起到了很好的作用。在日本，溫室自動噴霧產(chǎn)品的市場化和品種的系列化也已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)[12-13]。但這些系統(tǒng)造價(jià)普遍偏高，在我國還難以普及推廣。國內(nèi)對溫室自動噴霧系統(tǒng)的研究工作也取得了很大的進(jìn)步。陳志青[14]研制了智能對靶噴霧室內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)，陳艷巧[15]對溫室型電動彌霧機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，陳來榮等[16]對溫室無人自動噴霧系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，這些研究對實(shí)現(xiàn)溫室自動噴霧均具有很大的借鑒意義。但是，這些裝備在我國北方特殊的溫室大棚結(jié)構(gòu)下卻受到了實(shí)際應(yīng)用的限制，目前針對寧夏地區(qū)特定溫室條件下整個(gè)自動化植保機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究還未見報(bào)道。隨著地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對自身安全的考慮，在相對密閉的溫室環(huán)境下，對自動噴霧機(jī)的需求越來越迫切，因此設(shè)計(jì)開發(fā)了適合寧夏地區(qū)相對普遍溫室大棚環(huán)境下的新型自動噴霧裝備，并在寧夏賀蘭國家級園藝產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，報(bào)道如下。

1 設(shè)計(jì)要求、整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境下對種植的蔬菜、瓜果、花卉等的自動噴霧施藥，將人們從繁重的植保作業(yè)中解放出來，減少農(nóng)藥飄浮物對人們身體健康的損害。設(shè)計(jì)的總體要求為：(1)能使藥液覆蓋率、霧滴沉積密度和霧滴分布均勻性達(dá)到對病蟲害防治的要求；(2)制造成本低、可控性強(qiáng)、操作簡單、互換改造性強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠等。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)開發(fā)的溫室自走式自動噴霧機(jī)由控制器(AT89C52)、移動平臺、電機(jī)、小車、傳動系統(tǒng)、離心式風(fēng)機(jī)、三合一減速機(jī)、三缸柱塞泵、電磁閥、噴頭等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其組成如圖2所示，設(shè)計(jì)與制造主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.離心式風(fēng)機(jī)；2.電磁閥；3.紅外線防撞器；4.三缸柱塞泵；5.三合一減速機(jī)；6.控制器；7.工字梁；8.電機(jī)；9.傳動裝置；10.水箱

圖2 溫室自走式自動噴霧機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

項(xiàng)目參數(shù)值外形尺寸/mm1030×940×1114運(yùn)輸尺寸/mm1030×940×1114藥箱容積/L200整機(jī)質(zhì)量/kg105電機(jī)功率/kW5．5減速機(jī)功率/kW2．2泵流量/(L/min)80額定噴霧壓力/MPa1．0噴頭個(gè)數(shù)5風(fēng)機(jī)葉輪直徑/m0．13風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速/(r/min)0～2000傳動形式帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動皮帶型號B-864Li904LW、B-1880Li1920LW工字鋼型號16a作業(yè)速度/(km/h)1．8～2．5電磁閥型號DC24V5W紅外線防撞器型號XL5M

1.3 工作原理

在噴霧系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方面，主要是從其工作原理入手并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。噴霧系統(tǒng)方面，電動機(jī)經(jīng)帶傳動和齒輪傳動驅(qū)動三缸柱塞泵和風(fēng)機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)的噴霧和葉輪的旋轉(zhuǎn)。三缸柱塞泵的進(jìn)水管通過濾器與水箱相連，出水管經(jīng)過電磁閥與分流器相連，回水管與水箱相連。過濾器使用蚌埠市迅昌濾清器有限公司生產(chǎn)的CX0712B柴油濾清器，對藥液起過濾作用，防止噴藥時(shí)藥液中的雜質(zhì)堵塞噴頭，降低噴霧效果。電磁閥起到控制噴霧開始和停止的作用。根據(jù)寧夏賀蘭國家級園藝產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)的溫室大棚實(shí)際情況和多次試驗(yàn)結(jié)果，將風(fēng)機(jī)和噴頭調(diào)整為與傳動軸呈30°的作業(yè)角度，可使霧滴覆蓋需要被施藥的植被。噴頭噴出的藥液在出風(fēng)口二次霧化，隨氣流吹向標(biāo)靶，由于氣流將葉片上下翻動，故藥液可均勻附著在標(biāo)靶葉片的正面和背面，提高了藥液的附著率和利用率。

移動平臺的側(cè)面安裝減速機(jī)，減速機(jī)經(jīng)鏈傳動驅(qū)動小車沿工字梁行走。為防止超程，小車的兩端裝有紅外線防撞器，當(dāng)小車與工字梁末端安裝的反射板間的距離小于閾值時(shí)，減速機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動小車向相反的方向行走。

2 關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)

2.1 溫室自動噴霧系統(tǒng)移動平臺設(shè)計(jì)

移動平臺的設(shè)計(jì)包括增強(qiáng)導(dǎo)軌承載能力的設(shè)計(jì)和傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1.1 增強(qiáng)導(dǎo)軌承載能力的設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)自動噴霧機(jī)的行走和噴霧作業(yè)，設(shè)計(jì)了一個(gè)移動平臺。移動平臺的導(dǎo)軌經(jīng)力學(xué)設(shè)計(jì)、校核計(jì)算和與實(shí)際滑輪的配合，最終采用16 a工字鋼，沿溫室長軸方向搭建，并在70 m長導(dǎo)軌的下方每間隔5 m安裝一個(gè)托架(結(jié)合導(dǎo)軌剛度校核計(jì)算和溫室大棚大架布置間距確定的間隔距離為5 m)，共均勻布置安裝13個(gè)托架，托架的上端與溫室大棚大架相連，進(jìn)而提高工字梁的承載能力，保證導(dǎo)軌的剛度，托架的安裝密度為每5 m工字梁處安裝一個(gè)，托架結(jié)構(gòu)如圖3所示。該移動平臺易于安裝和擴(kuò)展，能在溫室的縱向方向?qū)崿F(xiàn)自動往復(fù)運(yùn)動。

2.1.2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 傳動系統(tǒng)主要由帶輪傳動、齒輪傳動和鏈傳動組成。根據(jù)作業(yè)要求，噴霧系統(tǒng)的傳動分為兩路，一路經(jīng)過1-2-3-4-5-6-7-8驅(qū)動風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，另一路經(jīng)過1-2-3-4-9-10-11-12驅(qū)動三缸柱塞泵工作(圖4A)。行走系統(tǒng)經(jīng)過13-14-15-16和13-17-18-19驅(qū)動小車沿工字梁行走(圖4B)。

圖3 托架結(jié)構(gòu)

A.噴霧系統(tǒng)；B.行走系統(tǒng)。1.電機(jī)；2.小帶輪1；3.大帶輪1；4.錐齒輪1；5.錐齒輪2；6.錐齒輪3；7.錐齒輪4；8.風(fēng)機(jī)葉輪；9.錐齒輪5；10.小帶輪2；11.大帶輪2；12.三缸柱塞泵；13.減速機(jī)；14.小鏈輪1；15.大鏈輪1；16.車輪1；17.小鏈輪2；18.大鏈輪2；19.車輪2

2.2 自走式噴霧機(jī)自動控制裝置的設(shè)計(jì)

控制器硬件電路主要由主控模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、紅外模塊、信號接收模塊以及信號轉(zhuǎn)換模塊組成。主控模塊是溫室自走式自動噴霧機(jī)控制器的核心模塊，負(fù)責(zé)自走式自動噴霧機(jī)控制器各模塊的管理；AT89C52產(chǎn)生的電流很小，不足以帶動步進(jìn)電機(jī)，因此可采用L298芯片作為電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動；紅外模塊主要作用是當(dāng)小車與反射板的距離小于閾值時(shí)，反饋信號給主控模塊，使減速機(jī)反轉(zhuǎn)，避免產(chǎn)生超程問題；信號接收模塊主要用來接收遙控器信號發(fā)射模塊發(fā)出的信號，通過信號轉(zhuǎn)換模塊將電位器信號轉(zhuǎn)成電壓信號傳送給主控模塊；對于電磁閥的驅(qū)動，采用了單片機(jī)控制繼電器驅(qū)動電磁閥的方法。控制器整體組成如圖5所示。

控制程序流程如圖6所示。對于該控制程序的設(shè)計(jì)需要說明以下兩點(diǎn)：一是t為信號接收模塊接收的上位機(jī)信號，t=1、2、3、4時(shí)分別代表上位機(jī)發(fā)出的噴霧、噴霧機(jī)行走、停止噴霧以及噴霧機(jī)停止行走的信號；二是c為紅外線防撞器與發(fā)射板之間設(shè)定的閾值，x、y分別代表噴霧機(jī)沿工字梁行走的2個(gè)方向，r為控制減速機(jī)轉(zhuǎn)向的變量，當(dāng)x或y小于閾值c時(shí)，分別將0或1賦值給變量r，r=0時(shí)為減速機(jī)正轉(zhuǎn)，r=1時(shí)減速機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖5 控制器整體組成

圖6 控制器控制流程

2.3 風(fēng)送式噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)是風(fēng)送式噴霧系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一，根據(jù)不同作物的生理特性和栽培模式設(shè)計(jì)、選用匹配的風(fēng)機(jī)形式，可以有效地提高藥液利用率，改善施藥效果。風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)機(jī)類型可分為軸流式和離心式兩類，軸流式風(fēng)機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、風(fēng)量大、平均效率高的特點(diǎn)。離心式風(fēng)機(jī)風(fēng)量較軸流式小，但風(fēng)壓較大，可以增加葉片的擾動翻轉(zhuǎn)，從而提高葉背的藥液覆蓋率[17-19]。根據(jù)本設(shè)計(jì)中溫室大棚的結(jié)構(gòu)和噴霧裝置的布置位置，采用離心式風(fēng)機(jī)更能滿足該結(jié)構(gòu)類型溫室施藥的實(shí)際需求。

2.3.1 風(fēng)量的計(jì)算 現(xiàn)階段風(fēng)送式噴霧機(jī)風(fēng)量計(jì)算采用置換原則，即噴霧機(jī)風(fēng)機(jī)吹出帶有霧滴的氣流，此氣流應(yīng)完全驅(qū)除并置換風(fēng)機(jī)至作物空間的全部空氣[20-21]。寧夏賀蘭國家級園藝產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)溫室大棚作物種植為標(biāo)準(zhǔn)栽培模式。根據(jù)以上要求可繪制風(fēng)量置換簡圖如圖7所示。

圖7 溫室自走式自動噴霧機(jī)風(fēng)量置換圖

假設(shè)風(fēng)送式噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴霧機(jī)行進(jìn)速度保持不變，根據(jù)置換原則的原理，此時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)略大于該七面體的體積，可以按照公式(1)計(jì)算施藥所需風(fēng)量。

圖7和式(1)中,Q—風(fēng)機(jī)風(fēng)量(m3/s)，v—作業(yè)速度(m/s)，h—噴霧機(jī)出風(fēng)口長度(m)，H1—出風(fēng)口上端到出風(fēng)口下端的垂直距離(m)，H2—出風(fēng)口下端到地面的垂直距離(m)，L1—出風(fēng)口下端到植株的距離(m)，L2—行寬(m)，K—?dú)饬魉p和沿途損失確定的系數(shù)(取1.1～1.2)。

圖7中，h=0.9 m,風(fēng)機(jī)與傳動軸呈30°夾角，可得H1≈0.8 m，L1=1.8 m；風(fēng)機(jī)出風(fēng)口上端距離地面的垂直高度約為2.8 m,可得H2=2 m,假設(shè)作業(yè)速度v為0.5 m/s，K取1.1，L2= 1 m，求得Q≈2 m/s。2.3.2 風(fēng)機(jī)的傳動設(shè)計(jì) 風(fēng)機(jī)的傳動設(shè)計(jì)首要考慮的是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是決定風(fēng)機(jī)送風(fēng)量的關(guān)鍵因素。由圖8可以看出，空氣由軸向進(jìn)入風(fēng)機(jī)，經(jīng)葉輪加速，自風(fēng)機(jī)罩開口處由葉輪離心力拋出風(fēng)機(jī)。

圖8 風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速簡圖

(2)

v1x=v1cos40.30°

(3)

v3x=v3cos50.18°

(4)

(5)

(6)

式中，葉輪半徑為定值，r=0.13 m。

(7)

2.3.3 風(fēng)機(jī)的功率匹配 從風(fēng)機(jī)效率、噪聲、結(jié)構(gòu)尺寸等多方面考慮，選定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，可以通過公式(8)計(jì)算風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動所需要的軸功率。

(8)

式中，N—風(fēng)機(jī)軸功率(kW)，ηi—葉輪效率(取0.95)，ηm—機(jī)械效率(取0.85)，P—全壓(取800 Pa)。

將實(shí)際風(fēng)量值、葉輪效率和機(jī)械效率代入式(8)，求得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動所需要的軸功率為3.6 kW。故上海創(chuàng)新電機(jī)廠生產(chǎn)的Y132s1-2電機(jī)(5.5 kW)即可滿足要求。

3 溫室自走式自動噴霧機(jī)性能測試

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

2016年1月17日在寧夏回族自治區(qū)銀川市永寧縣玉泉營西夏王葡萄酒業(yè)有限公司葡萄種植基地進(jìn)行了噴霧機(jī)在溫室大棚內(nèi)的應(yīng)用試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)JB/T 9782—1999《植保機(jī)械通用試驗(yàn)方法》及GB /T 17997—2008《農(nóng)藥噴霧機(jī)(器)田間操作規(guī)程及噴灑質(zhì)量評定》對溫室自走式自動噴霧機(jī)進(jìn)行性能測試。在大棚內(nèi)任選30株葡萄，每株葡萄上任選上、中、下3片葉子，其根據(jù)葡萄植株的高度所定。每片葉子上使用回形針夾住一張2 mm×5 mm的紙卡，用于測量霧滴沉積覆蓋率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

溫室自走式自動噴霧機(jī)在壓力1.0 MPa、風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速1 400 r/min、行駛速度0.5 m/s的條件下，葡萄上部葉片正面平均有77.32%的藥液覆蓋率，單位面積霧滴個(gè)數(shù)平均為43個(gè)/cm2；中部葉片正面平均有60.30%的藥液覆蓋率，單位面積霧滴個(gè)數(shù)為33個(gè)/cm2；下部葉片正面平均有45.75%的藥液覆蓋率，單位面積霧滴個(gè)數(shù)為27個(gè)/cm2。

采用風(fēng)送噴霧防蟲或治病時(shí)，噴灑在作物上的霧粒數(shù)應(yīng)不小于25粒/cm2，通過數(shù)據(jù)分析，溫室自走式噴霧機(jī)在植株葉片上的霧滴點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到對病蟲害防治的要求。

4 小結(jié)

溫室自走式噴霧機(jī)是在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對寧夏地區(qū)溫室大棚特點(diǎn)設(shè)計(jì)的。該噴霧裝置主要由移動平臺、自動控制裝置和風(fēng)送式噴霧系統(tǒng)組成，通過無線自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)送式噴霧機(jī)的噴霧作業(yè)和沿移動平臺自動前、后移動。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是可以無線遙控自動控制，避免工作人員在室內(nèi)操作而引起的施藥中毒現(xiàn)象發(fā)生。本設(shè)計(jì)裝備滿足特定溫室環(huán)境下對植株無人、高效自動噴藥的植保作業(yè)，能夠有效提高農(nóng)藥的利用率并降低環(huán)境污染，對我國溫室施藥具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。該裝備和設(shè)計(jì)方法也為其他不同類型的溫室自走式噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了思路。

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Design of Self-contained Automatic Spray Machine for Greenhouse

LI Jinhai,WANG Yutan*,YANG Shuming,CHEN Yun,XU Yang,ZHAO Ze

(College of Mechanical Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021，China)

Under the conditions of closed space,a lot of harmful gas,high humidity and temperature in greenhouse,artificial spray of pesticides has a big damage to personal health,so this study designed an automatic spray system for greenhouse.It included the design of mobile platform and automatic control device, introduction and optimization of spray system.This study used 3D software to simulate the design combined with actual greenhouse space structure and theoretical analysis,and produced a self-propelled sprayer device of pertinence and interchangeable transformation,which was then improved and optimized after actual experiment,realizing unmanned and efficient automatic spray under certain conditions of greenhouse. Pesticide liquid spraying coverage and deposition density on the grape leaf in greenhouse were determined, and results showed that pesticide liquid spraying coverage attached to rates of 77. 32%,60.30% and 45.75% at the right side of upper,central and lower parts of grape leaf on average,and the numbers of droplets per unit area were 43,33,27 respectively,which demonstrated that the automatic spray system meets the requirements of pests control in greenhouse.

greenhouse； spray； automation； plant protection； design

2015-11-25

寧夏大學(xué)科技開發(fā)與應(yīng)用研究基金項(xiàng)目(KF1404)

李進(jìn)海(1988-)，男，山東煙臺人，在讀碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)智能裝備。E-mail:jinhai_lucky@163.com

*通訊作者：王昱潭(1974-)，男，寧夏鹽池人，副教授，博士，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究。E-mail:wang_yt@nxu.edu.cn

S491

A

1004-3268(2016)07-0137-06