可拆卸式IPX5—6 級(jí)防水檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研制

廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心

□ 鄭凱仁

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)特別是植保無(wú)人機(jī)獲得快速發(fā)展，因其具有作業(yè)效率高，不受地形、地勢(shì)限制，可定點(diǎn)懸停精準(zhǔn)作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，成為農(nóng)機(jī)市場(chǎng)的熱點(diǎn)產(chǎn)品。在植保無(wú)人機(jī)作業(yè)或轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸中，常常受到戶(hù)外惡劣環(huán)境或雨霧天氣等因素影響，其防水結(jié)構(gòu)不到位就會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水或霧化，從而嚴(yán)重影響植保無(wú)人機(jī)性能甚至失控墜落。因此，防水性能的優(yōu)劣，成為衡量其安全性和質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。這就要求在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中要采取有效措施，確保植保無(wú)人機(jī)具有一定的防水能力。

一、設(shè)計(jì)研制背景

現(xiàn)行植保無(wú)人機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DG/T 247—2021 明確規(guī)定，植保無(wú)人機(jī)防水等級(jí)應(yīng)達(dá)到IPX5以上，試驗(yàn)方法按GB/T 4208—2007《外殼防護(hù)等級(jí)（IP 代碼）》執(zhí)行，并將防水等級(jí)劃分為 10個(gè)等級(jí)，目的是進(jìn)行如下三方面防護(hù)：（1）防止人體觸及外殼內(nèi)的危險(xiǎn)部件防護(hù)；（2）對(duì)固體異物進(jìn)入外殼設(shè)備內(nèi)的防護(hù)；（3）對(duì)水進(jìn)入外殼內(nèi)對(duì)設(shè)備造成有害影響的防護(hù)。現(xiàn)階段，各企業(yè)對(duì)于植保無(wú)人機(jī)防水性能設(shè)計(jì)要求IPX5 防水等級(jí)，但也有部分機(jī)型是在魚(yú)塘等高溫高濕環(huán)境下作業(yè)，防水性能要求更高，達(dá)到IPX6 以上。

現(xiàn)有IPX5 和IPX6 防水等級(jí)箱體多是用于檢測(cè)小型電子產(chǎn)品或者元器件，其試驗(yàn)段空間尚小，對(duì)試件體積限制較多；水流量一般采取手動(dòng)控制，自動(dòng)化程度低且不易自動(dòng)調(diào)節(jié)；對(duì)于植保無(wú)人機(jī)這種外形尺寸較大的電子設(shè)備，不能提供模擬淋雨環(huán)境。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問(wèn)題，亟需設(shè)計(jì)一種新的可以測(cè)試植保無(wú)人機(jī)防水性能的檢測(cè)系統(tǒng)，用以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)不足。

二、設(shè)計(jì)要求

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱DG/T 247—2021《植保無(wú)人駕駛航空器》條款4.2.1.8 中明確規(guī)定，其防水試驗(yàn)檢測(cè)方法為：植保無(wú)人駕駛航空器（也稱(chēng)為“植保無(wú)人機(jī)”）防水等級(jí)應(yīng)達(dá)到IPX5。按照GB/T 4208—2007 的規(guī)定方法對(duì)整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，產(chǎn)品應(yīng)處于通電狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束后，機(jī)具應(yīng)能正常工作；根據(jù)GB/T 4208—2007標(biāo)準(zhǔn)要求，研發(fā)一套能夠滿(mǎn)足植保無(wú)人機(jī)防水等級(jí)IPX5 以上的檢測(cè)設(shè)備。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，IPX5和IPX6 的防水等級(jí)試驗(yàn)可集成在一套防水箱體內(nèi)，整套設(shè)備須滿(mǎn)足以下條件。見(jiàn)表1。

表1 GB/T4208—2007 規(guī)定IPX5、IPX6 的試驗(yàn)

同時(shí)，考慮到植保無(wú)人機(jī)尺寸偏大、現(xiàn)有防水箱體的空間偏小、對(duì)樣品體積限制較大等實(shí)際情況，并且植保無(wú)人機(jī)尺寸以后有可能越來(lái)越大，這對(duì)于防水箱體的要求來(lái)說(shuō)，要么防水箱體足夠大，要么防水箱體可以拆卸并根據(jù)實(shí)際需求向四周擴(kuò)展箱體大小。

該試驗(yàn)設(shè)備在在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)現(xiàn)有防水箱體不足和植保無(wú)人機(jī)尺寸偏大的實(shí)際情況作了綜合分析，具體如下：

1.試驗(yàn)用箱體應(yīng)能根據(jù)實(shí)際植保無(wú)人機(jī)大小進(jìn)行拆卸與安裝，箱體由玻璃墻（可拆卸）和玻璃門(mén)（可拆卸）組成，玻璃墻和玻璃門(mén)之間采用可拆卸的鉚接結(jié)構(gòu)，箱體要有良好的密封性，能防止水分泄漏，同時(shí)試驗(yàn)用箱體內(nèi)部的排水與進(jìn)水裝置應(yīng)合理布置。

2.試驗(yàn)臺(tái)可根據(jù)植保無(wú)人機(jī)等試件的大小調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)的高度和旋轉(zhuǎn)速度，以保證噴嘴與試件表面之間的距離符合試驗(yàn)要求。

3.該系統(tǒng)在進(jìn)行噴水試驗(yàn)時(shí)，有最大噴水量的覆蓋面，試驗(yàn)用噴頭架應(yīng)能自由移動(dòng)，可根據(jù)需求進(jìn)行上下、左右位置的靈活調(diào)節(jié)。

4.該系統(tǒng)的噴嘴應(yīng)有大小調(diào)節(jié)裝置，保證試驗(yàn)用水壓滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

三、系統(tǒng)概述

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可拆卸式IPX5—6 級(jí)防水檢測(cè)系統(tǒng)主要由箱體、噴嘴裝置、試驗(yàn)臺(tái)、水流量調(diào)整與測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等主要組成，如圖1 所示。該系統(tǒng)是將IPX5和IPX6 的防水等級(jí)試驗(yàn)集成在一個(gè)箱體內(nèi)，系統(tǒng)測(cè)量范圍為，IPX5：噴嘴內(nèi)徑6.3mm，流量12.5L/min；IPX6：噴嘴內(nèi)徑12.5mm，流量100L/min，水流量準(zhǔn)確度為±5%。

圖1 外觀(guān)設(shè)計(jì)圖

該系統(tǒng)組成部分如下：

①可拆卸可移動(dòng)箱體：由玻璃墻（可拆卸）、玻璃門(mén)（可拆卸）和底部柵格網(wǎng)組成，箱體在滿(mǎn)足良好密封性的同時(shí)，也可根據(jù)需求擴(kuò)展大小；

②噴嘴裝置：噴頭架上有兩個(gè)內(nèi)徑大小分別為φ6.3mm和φ12.5mm 的噴嘴，噴嘴置于噴頭架上，噴射角度和噴頭架可根據(jù)需要機(jī)械調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)所有可能方向向?qū)χ糜谠囼?yàn)臺(tái)上的植保無(wú)人機(jī)噴水；

③試驗(yàn)臺(tái)：位于箱體內(nèi)，可根據(jù)植保無(wú)人機(jī)大小機(jī)械調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)高度和通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤(pán)速度；

④試驗(yàn)水輸入和排出：主要由水箱、抽水泵和排水口組成，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)用水的循環(huán)使用；

⑤水流量調(diào)整與測(cè)量系統(tǒng)：由PLC 可編程控制器、水泵電機(jī)、流量變送器和變頻器等組成，可將噴嘴出水的流量應(yīng)調(diào)整到能提供指定的流量速率；

⑥控制系統(tǒng)：采用PLC 控制，通過(guò)控制水壓、水流量、轉(zhuǎn)盤(pán)速度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)各種操作和控制。

2.箱體設(shè)計(jì)

目前，IPX5 和IPX6 的防水等級(jí)箱體多用于考核電工電子產(chǎn)品在運(yùn)輸或使用環(huán)境中可能受到的淋水影響，由于植保無(wú)人機(jī)尺寸偏小，箱體有效試驗(yàn)空間尚小，對(duì)試件體積限制較多?，F(xiàn)階段常見(jiàn)植保無(wú)人飛機(jī)外形尺寸一般為長(zhǎng)2 m，寬2.0 m，高0.8 m。針對(duì)目前情況，考慮到試驗(yàn)臺(tái)與噴頭距離要2.5m—3m 之間，防水箱體試驗(yàn)空間至少為5.0m×2.0m×0.8m 的長(zhǎng)方體。為了測(cè)試操作方便，滿(mǎn)足更寬測(cè)試范圍，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的箱體由玻璃墻、玻璃門(mén)和底部不銹鋼地板、塑料柵格網(wǎng)組成，其外形尺寸為5.8 m ×4.7 m ×3.0 m，箱體有效容積為81.78m3。其中玻璃門(mén)的門(mén)洞尺寸為2.4m×2.2m（長(zhǎng)×高）,便于將尺寸較大的植保無(wú)人機(jī)（被測(cè)物體）置于箱體內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)上，同時(shí)為了保證有可能尺寸更大，特將玻璃墻、玻璃門(mén)為可以拆卸的鉚合結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際需要，箱體可拆卸并進(jìn)行快速組裝，其外形大小可以向上下和左右擴(kuò)展，滿(mǎn)足將來(lái)測(cè)試擴(kuò)展需要。

3.噴嘴裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T4208 的要求，IPX5 和IPX6 的噴嘴噴水口是一個(gè)內(nèi)表面光滑無(wú)故障的圓錐體，內(nèi)徑大小分別為φ6.3mm和φ12.5mm 的噴嘴，噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2 所示：

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)圖

雖 然 國(guó) 標(biāo)GB/T 4208—2007 規(guī)定了噴嘴產(chǎn)生的水流從機(jī)殼（植保無(wú)人機(jī)）的所有可行方向噴濺。但標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)噴嘴裝置與試品的噴射角度、方向做很多明確的規(guī)定要求。而實(shí)際上，植保無(wú)人機(jī)外殼是不規(guī)則形狀的，外殼孔隙與接縫可能是上、下、左、右任意方向。因此，在測(cè)試過(guò)程中，噴嘴的噴射角度、方向、距離與植保無(wú)人機(jī)外殼測(cè)試面的不規(guī)則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生很大的進(jìn)水差異，影響到試驗(yàn)結(jié)果。要解決這個(gè)問(wèn)題，就要在箱體內(nèi)固定噴嘴的位置和方向，同時(shí)試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)能根據(jù)需求調(diào)整轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)（被測(cè)物體）所有方向噴濺的可能。經(jīng)過(guò)不斷測(cè)試和調(diào)整，確定在距試驗(yàn)臺(tái)2.5m—3m 方向，設(shè)置一個(gè)移動(dòng)噴嘴架的噴嘴裝置，有兩個(gè)噴嘴，內(nèi)徑大小分別為φ6.3mm和φ12.5mm，對(duì)應(yīng)著IPX5 和IPX6 的防水等級(jí)試驗(yàn)，該噴嘴架可以通過(guò)調(diào)整架子上的螺栓高度來(lái)調(diào)整噴嘴高度，也可通過(guò)調(diào)整噴嘴與噴嘴架的螺絲來(lái)調(diào)整噴嘴的噴射角度。

4.試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)安裝。試驗(yàn)臺(tái)位于箱體內(nèi)，底部設(shè)置四個(gè)萬(wàn)向輪，輪子上有設(shè)置鎖死機(jī)構(gòu)，可在箱體內(nèi)移動(dòng)停止，保證噴嘴與放置在試驗(yàn)臺(tái)的水平距離符在2.5m—3m 之間。同時(shí)試驗(yàn)臺(tái)高度可根據(jù)實(shí)際需要，機(jī)械升降試驗(yàn)臺(tái)的高度。試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)盤(pán)為直徑1000mm 不銹鋼，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)采用PLC 可編程控制器輸出，由電機(jī)帶動(dòng)渦輪減速旋轉(zhuǎn),從而控制轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度。轉(zhuǎn)盤(pán)調(diào)速輸出范圍是0—100r/min，可根據(jù)需求在控制柜上調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)（被測(cè)物體）所有方向的噴濺可能。

5.試驗(yàn)水輸入和排出設(shè)計(jì)

試驗(yàn)水輸入和排出設(shè)計(jì)主要考慮試驗(yàn)過(guò)程中用水保證，主要由水箱、抽水泵和排水口等組成。儲(chǔ)水箱用來(lái)儲(chǔ)存試驗(yàn)用水。試驗(yàn)運(yùn)行前，自來(lái)水經(jīng)進(jìn)水閥由進(jìn)水口流入水箱。水箱內(nèi)壁上裝有兩個(gè)測(cè)量水位的電浮子，分別表示“最高”控制水位和“缺水”控制水位。試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)用水由水泵自水箱抽水口抽出后送往噴嘴處向植保無(wú)人機(jī)噴水進(jìn)行試驗(yàn)。同在儲(chǔ)水箱側(cè)壁靠近箱底部位設(shè)有排水口，排水口與箱體底部有一定的傾斜角度，確保試驗(yàn)結(jié)束后和清潔水箱時(shí)能順利排放污水。

6.水流量調(diào)整與測(cè)量系統(tǒng)

水壓調(diào)整與測(cè)量控制系統(tǒng)由PLC 可編程控制器、水泵電機(jī)、流量變送器和變頻器等組成，以程序自動(dòng)控制為主。按試驗(yàn)條件要求，噴嘴出水的壓力應(yīng)調(diào)整到能提供指定的流量速率，這主要由水泵電機(jī)來(lái)保障，通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)對(duì)水流量傳感器進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，通過(guò)變頻器對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量控制。變頻器是對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量的控制，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。水流量調(diào)整與測(cè)量系統(tǒng)的功用是對(duì)進(jìn)入噴嘴前的水流進(jìn)行局部分流，并靠調(diào)節(jié)分流水量的大小，使之達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定要求。水流量由安裝在噴嘴前管道中的流量計(jì)來(lái)測(cè)量完成，對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)值可在流量計(jì)上顯示。

7.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要采用PLC 控制器控制，PLC 控制器是可拆卸式IPX5—6 級(jí)防水檢測(cè)系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)所有輸入、輸出控制點(diǎn)都接入PLC 中并通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)各種操作和控制。PLC控制系統(tǒng)的組成包括 CPU 模塊、I/O 模塊、電源模塊等，同時(shí)為了便于日后檢測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)換代，保留了外部設(shè)備端口，例如監(jiān)控顯示設(shè)備及通信聯(lián)網(wǎng)接口等。

PLC 可編程控制器及 I/O接口模塊安裝在控制柜內(nèi)。PLC控制系統(tǒng)的核心是中央處理單元CPU。CPU 從用戶(hù)程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)控制電路。PLC 的對(duì)外功能，主要通過(guò)各種 I/O 接口模塊與外界聯(lián)系。

該系統(tǒng)共有兩個(gè) I/O 模塊：模塊1 是輸入接口，用于接收各種告警信號(hào)；模組2 是輸出接口，用于各種控制信號(hào)發(fā)送，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量控制、試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)、IPX5 試驗(yàn)噴水、IPX6 試驗(yàn)噴水以及報(bào)警等各種功能控制。同時(shí)，如果出現(xiàn)故障等問(wèn)題，PLC 控制器會(huì)啟動(dòng)輔助功能，發(fā)出警告或應(yīng)急停機(jī)等。

四、測(cè)試結(jié)果分析

該系統(tǒng)主要針對(duì)植保無(wú)人機(jī)的防水性能進(jìn)行測(cè)試。噴嘴內(nèi)徑、與外殼最大距離、測(cè)試時(shí)間等條件按表 1 要求設(shè)定，本次防水性能測(cè)試主要考核以下內(nèi)容：

①進(jìn)行IPX5 防水等級(jí)試驗(yàn)時(shí)，噴頭噴出來(lái)的水流量是否在（12.5±0.625）L/min 范圍內(nèi)；

②進(jìn)行IPX6 防水等級(jí)試驗(yàn)時(shí)，噴頭噴出來(lái)的水流量是否在（100±0.625）L/min 范圍內(nèi)；

在進(jìn)行IPX5 或IPX6 防水等級(jí)試驗(yàn)時(shí),水流量參數(shù)的測(cè)量方法采用稱(chēng)重法，用計(jì)量過(guò)的電子天平收集水流量在設(shè)定值12.5L/min（IPX5 防水等級(jí)測(cè)試）、100L/min（IPX6 防水等級(jí)測(cè)試）時(shí)一分鐘內(nèi)噴頭噴射水的容積。防水性能測(cè)試如表2所示：

表2 防水性能測(cè)試

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示， 進(jìn)行IPX5 和IPX6 防水等級(jí)試驗(yàn)時(shí)，噴頭噴出來(lái)的水流量均在（12.5±0.625）L/min、（100±0.625）范圍內(nèi)，符合試驗(yàn)要求。在進(jìn)行不同水流量值時(shí)，水流量準(zhǔn)備度的測(cè)試結(jié)果在-2.8%—3.7%，滿(mǎn)足水流量準(zhǔn)確度±5 的要求，該指標(biāo)符合試驗(yàn)要求。該系統(tǒng)可通過(guò)改變不同水流量值，模擬不同環(huán)境測(cè)試條件，對(duì)植保無(wú)人機(jī)或其它中大型設(shè)備的外殼各方向不同程度的濺水，檢測(cè)該設(shè)備的外殼防水能力。同時(shí)，本系統(tǒng)的玻璃門(mén)和玻璃墻為獨(dú)立單元設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需求向四周擴(kuò)展箱體的尺寸，從而滿(mǎn)足當(dāng)測(cè)試條件改變，或植保無(wú)人機(jī)外形尺寸改變時(shí)的測(cè)試需求。

五、結(jié)論

本文研制的可拆卸式IPX5—6 級(jí)防水檢測(cè)系統(tǒng)，其箱體的有效容積較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，人工控制、自動(dòng)化程度較高。而且本系統(tǒng)的玻璃門(mén)和玻璃墻壁為獨(dú)立單元設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際需求快速拆卸并向四周擴(kuò)展尺寸。當(dāng)測(cè)試條件改變，可以滿(mǎn)足植保無(wú)人機(jī)外形尺寸改變時(shí)的測(cè)試需求?？刹鹦妒絀PX5—6 級(jí)防水檢測(cè)系統(tǒng)研制成功，為考核植保無(wú)人機(jī)的環(huán)境適用性和產(chǎn)品可靠性提供了科學(xué)的試驗(yàn)手段。