3WP-200型智能植保機(jī)器人作業(yè)效率設(shè)計(jì)計(jì)算

張義勝，侯心愛(ài)，宮玉敏，王文麗，陳金利，魏云怡，吳瑜敏

（淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，山東淄博 255086）

0 引言

我國(guó)是果樹(shù)種植大國(guó)，水果是我國(guó)主要的特色經(jīng)濟(jì)作物，其田間管理過(guò)程中存在作業(yè)環(huán)節(jié)多、用工量大、生產(chǎn)成本高等突出問(wèn)題［1-3］。

我國(guó)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力日益短缺，改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)勞動(dòng)力的強(qiáng)依賴(lài)性，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化、機(jī)器人化是解決上述問(wèn)題的根本途徑[4]。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，田間農(nóng)藥的噴灑仍需人工作業(yè)，耗時(shí)耗力、效率低下、危害人體健康、成本高，而發(fā)展智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)高效、低損作業(yè)，解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)存在的問(wèn)題，這是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)機(jī)械最重要的發(fā)展趨勢(shì)之一[5]。

植保機(jī)器人作為一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化作業(yè)的裝備，已經(jīng)得到越來(lái)越多的重視，被視為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的趨勢(shì)。在“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”新概念[5]的前提下，農(nóng)業(yè)植保機(jī)器人作為最為重要的農(nóng)業(yè)機(jī)器人之一，其對(duì)于降低農(nóng)機(jī)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)精度與作業(yè)效率等方面，起著重要的作用[6]。

廣大的山區(qū)或丘陵地區(qū)，種植地塊面積小，道路狹窄，大型植保機(jī)械不方便進(jìn)入土地作業(yè)，因此，小型智能植保機(jī)器人的研發(fā)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

3WP-200型智能植保機(jī)器人，機(jī)型尺寸小，遙控自走式，四輪驅(qū)動(dòng)，前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)彎作業(yè)靈活，具有良好的地形適應(yīng)性和通過(guò)性，容易進(jìn)入丘陵山區(qū)狹小的地塊作業(yè)。該機(jī)型克服大型陸走式噴藥設(shè)備、空中飛行器噴藥設(shè)備、人工背負(fù)式噴藥等噴藥作業(yè)的不足。一機(jī)多用，可完成果園、葡萄園及大田的植保作業(yè)。實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥減量控害，提高噴霧工作效率，減輕對(duì)土壤污染。

作業(yè)效率、藥液續(xù)航時(shí)間等參數(shù)是考核植保機(jī)器人的重要指標(biāo)。介紹了植保機(jī)器人的噴槍、噴桿結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其作業(yè)幅寬、作業(yè)效率、單位面積用藥量、藥液續(xù)航時(shí)間等進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 噴槍、噴桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書(shū)的要求，3WP-200型智能植保機(jī)器人，其主要技術(shù)參數(shù)為，行進(jìn)速度：≤5.5 km/h；藥箱容量：200 L；藥泵流量：≥6 L/min；工作壓力：0.2～0.3 MPa；大田作業(yè)型寬度：6～8 m；葡萄專(zhuān)用型作業(yè)高度：≤2 m；果樹(shù)型作業(yè)高度：≤6 m。

植保機(jī)器人由動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)四部分組成。動(dòng)力系統(tǒng)由汽油發(fā)電機(jī)和交直流轉(zhuǎn)換器組成，也可更換為蓄電池，分別為四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、四輪轉(zhuǎn)向電機(jī)、藥泵、擺動(dòng)電機(jī)、控制系統(tǒng)提供電力?？刂葡到y(tǒng)由控制器和遙控器組成，控制植保機(jī)器人的前進(jìn)、后退、停止、轉(zhuǎn)向和作業(yè)。行走系統(tǒng)由四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向電機(jī)組成。噴霧系統(tǒng)由藥泵、藥液箱、噴灑裝置組成。

植保機(jī)器人采用后置式噴灑裝置，其噴灑作業(yè)分噴槍、噴桿式兩種作業(yè)型式。其中噴槍作業(yè)用于果園樹(shù)的噴灑，噴桿式又分為葡萄架作業(yè)和大田作業(yè)兩種作業(yè)型式。更換噴桿、噴槍?zhuān)赏瓿晒麍@、葡萄園及大田的植保作業(yè)。噴桿、噴槍的更換安裝快速方便。

用于果園樹(shù)作業(yè)的噴槍結(jié)構(gòu)型式代號(hào)為3WP-200A；用于葡萄架作業(yè)的結(jié)構(gòu)型式代號(hào)為3WP-200B；用于大田作業(yè)的結(jié)構(gòu)型式代號(hào)為3WP-200C。

3WP-200A型結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴灑裝置由擺動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、左噴槍、噴槍固定板、右噴槍、組成。藥泵的兩個(gè)出口分別連接到兩個(gè)噴槍的進(jìn)口。擺動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速機(jī)減速后，帶動(dòng)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)回?cái)[動(dòng)。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩個(gè)噴槍來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)果樹(shù)的農(nóng)藥噴灑。調(diào)整藥泵壓力既噴槍出口的大小，可以改變農(nóng)藥噴灑量的大小。

圖1 3WP-200A結(jié)構(gòu)示意圖

3WP-200B型結(jié)構(gòu)如圖2所示。噴灑裝置是由左噴桿噴頭、左進(jìn)水管、左進(jìn)水口、左固定板、右固定板、右進(jìn)水口、右進(jìn)水管組成，藥泵的兩個(gè)出口分別連接到三組噴桿的進(jìn)口，兩組垂直安裝噴桿噴頭實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)葡萄的農(nóng)藥噴灑，一組水平安裝噴桿噴頭實(shí)現(xiàn)對(duì)頂部葡萄的農(nóng)藥噴灑。調(diào)整藥泵壓力既噴頭出口的大小，可以改變農(nóng)藥噴灑量的大小。

圖2 3WP-200B結(jié)構(gòu)示意圖

3WP-200C型結(jié)構(gòu)如圖3所示。噴灑裝置由左進(jìn)水管、左噴桿噴頭、左固定板、左進(jìn)水口、固定架、右固定板、右進(jìn)水口、右進(jìn)水管、右噴桿噴頭組成。藥泵的兩個(gè)出口分別連接到左右對(duì)稱(chēng)的兩組水平安裝噴桿噴頭的進(jìn)水口，兩組水平安裝噴桿噴頭上的噴頭直接把農(nóng)藥噴灑到大田的作物上。兩組噴桿噴頭的高度可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，以適應(yīng)不同的作物高度。調(diào)整藥泵壓力既噴頭出口的大小，可以改變農(nóng)藥噴灑量的大小。

圖3 3WP-200C結(jié)構(gòu)示意圖

2 作業(yè)幅寬計(jì)算

3WP-200A型，用兩個(gè)擺動(dòng)噴槍給果園樹(shù)噴灑農(nóng)藥，在0.2～0.3 MPa的工作壓力下，其噴灑高度小于6 m。按照噴灑高度4 m計(jì)算，兩個(gè)噴槍的作業(yè)幅寬按8 m計(jì)算。

3WP-200B型，用噴桿噴頭給葡萄架?chē)姙⑥r(nóng)藥，噴架高度小2 m，上面橫桿噴灑寬度按照2 m計(jì)算，噴桿噴頭的作業(yè)幅寬為6 m。

3WP-200C型，用噴桿噴頭給大田噴灑農(nóng)藥，噴桿噴頭的作業(yè)幅寬為6～8 m，這里按照6 m計(jì)算。

3 作業(yè)效率計(jì)算

植保機(jī)器人作業(yè)效率的計(jì)算公式為：

式中：E—作業(yè)效率（hm2/h）；

B-作業(yè)幅寬（m）；

v-作業(yè)速度（km/h）。

植保機(jī)器人的作業(yè)速度一般在1～5 km/h，按照此作業(yè)速度，對(duì)應(yīng)的作業(yè)效率為：3WP-200A型：0.8～4 hm2/h；3WP-200B型：0.6～3 hm2/h；3WP-200C型：0.6～3 hm2/h。

4 農(nóng)藥噴灑量計(jì)算

4.1 單位時(shí)間噴灑量計(jì)算

植保機(jī)器人工作壓力為0.2～0.3 MPa，在0.3 MPa的工作壓力下，測(cè)試噴槍、噴桿噴頭單位時(shí)間農(nóng)藥噴灑量。

在0.3 Mpa的工作壓力情況下，藥泵出口閥門(mén)、噴槍出口、噴頭出口開(kāi)到最大。經(jīng)測(cè)試，3WP-200A型兩個(gè)噴槍單位時(shí)間農(nóng)藥噴灑量為Q=2.5 L/min。對(duì)于3WP-200B型和3WP-200C型，這里噴桿噴頭按照12個(gè)噴頭按照測(cè)試，12個(gè)噴頭單位時(shí)間農(nóng)藥噴灑量為Q=5 L/min。

4.2 單位面積噴灑量計(jì)算

每公頃農(nóng)藥的噴灑量計(jì)算公式為：

式中：E—作業(yè)效率（hm2/h）；

Q-噴槍、噴頭噴灑量（L/min）；

F-單位面積噴灑量（L/hm2）。

植保機(jī)的作業(yè)速度一般在1～5 km/h，按照此作業(yè)速度，對(duì)應(yīng)的3WP-200A型作業(yè)效率為0.8～4 hm2/h；農(nóng)藥的噴灑量為37.5～187.5 L/hm2。對(duì)應(yīng)的3WP-200B型作業(yè)效率為0.6～3 hm2/h，農(nóng)藥的噴灑量為100～500 L/hm2。對(duì)應(yīng)的3WP-200C型農(nóng)藥的噴灑量為0.6～3 hm2/h，農(nóng)藥的噴灑量為100～500 L/hm2。

5 藥箱續(xù)航時(shí)間計(jì)算

藥箱續(xù)航時(shí)間的計(jì)算公式為：

式中：V—藥箱容量（L）；

Q-噴槍、噴頭噴灑量（L/min）；

t-藥箱續(xù)航時(shí)間（min）。

藥箱容量為200 L，3WP-200A型噴槍的噴灑量為Q=2.5 L/min，藥箱續(xù)航時(shí)間為80 min。3WP-200B型和3WP-200C型，噴桿噴頭的噴灑量為Q=5 L/min，藥箱續(xù)航時(shí)間為40 min。

6 結(jié)語(yǔ)

植保機(jī)器人作業(yè)效率的高低與作業(yè)幅寬和作業(yè)速度成正比，在作業(yè)幅寬一定的情況下，作業(yè)速度越高，作業(yè)效率越高，反之，作業(yè)效率越低。

植保機(jī)器人單位面積農(nóng)藥噴灑量的大小與噴槍、噴頭單位時(shí)間噴灑量成正比，與作業(yè)效率成反比。噴槍、噴頭單位時(shí)間噴灑量越大，作業(yè)效率越低，則單位面積農(nóng)藥噴灑量越大；反之，單位面積農(nóng)藥噴灑量越低。

植保機(jī)器人藥箱續(xù)航時(shí)間的長(zhǎng)短與藥箱容量成正比，與噴槍、噴頭單位時(shí)間噴灑量成反比。藥箱容量越大，噴槍、噴頭單位時(shí)間噴灑量越低，藥箱續(xù)航時(shí)間就越長(zhǎng)，反之，藥箱續(xù)航時(shí)間就越短。