微型自走式電動果園彌霧機的研制與試驗

榮喃喃，王冉冉，郭鵬軍，李玉道

(山東農業大學 a.機械與電子工程學院；b.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安　271018)

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微型自走式電動果園彌霧機的研制與試驗

榮喃喃a，王冉冉a，郭鵬軍a，李玉道b

(山東農業大學 a.機械與電子工程學院；b.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安271018)

摘要：針對當前果園低矮密植模式，傳統的大型機具無法適應封閉式作業環境的現狀，設計研制了一款微型自走式電動果園彌霧機。該機具基于先進的電動汽車后橋驅動系統，搭載風送式二次彌霧系統，利用遠程遙控技術，無需果農進入園地，即可完成藥物噴灑作業。樣機試驗證明：整機傳動效率達85%，穩定性為91%，達到了預期設計目的。

關鍵詞：果園；彌霧機；電動力；遙控

0引言

近年來，隨著國家大力推動農業產業新政策的實施，林果業已經成為很多氣候優勢地區的支柱產業。低矮密植模式是目前國內較為普遍的種植模式，合理密植可顯著提高果園的經濟效益；但因冠厚接近行距,兩行果樹枝葉幾乎交接，造成果園密閉，傳統機具難以進入園內[1-3]；加之果園規模快速擴大，果農理論技術比較欠缺，管理散亂，造成了果園植保作業勞動強度大、效率低下。近年來，國內有些單位研制了多款風送式彌霧機，在一定程度上提高了工作效率和防治效果；但多數機具體型普遍較大,在低矮密植型果園中通過性能較差。機具動力來源多為柴油或汽油，作業危險系數較高，維護成本較高。果農需跟隨機具施藥，不可避免地吸入農藥，造成人身傷害。

基于當前彌霧植保機械的發展現狀和亟待解決的果園植保問題，設計了適宜國內果園特點的彌霧機尤為重要。適用于密植果園的微型電動遙控彌霧機可以高效率、高質量地完成藥液噴施作業，降低果農的作業強度，提高農藥利用率和經濟效益[4-6]。

1整機結構和工作原理

本設計的目的是研制一款微型自走式電動果園彌霧機，適用于我國低矮密植的果園種植模式；整機由電動力驅動，遠程遙控作業，實現低碳環保的新型果園植保作業方式。微型自走式電動果園彌霧機整機結構如圖1所示。

1.高壓水泵　2.中壓風機　3.高壓噴頭　4.藥箱　5.鉛酸蓄電池

sprayer in orchard

整機工作原理：基于彌霧系統和行走系統，利用手持式遙控器來遠程控制整個行走和彌霧過程。彌霧部分為風送式彌霧系統，特點為利用進口噴頭和高壓電動水泵噴出直徑較小、射程較遠的霧滴，借助中壓直流風機強而柔的氣流，迅速地擴散霧化藥劑，使內外層枝葉正反著藥，提高了果樹受藥率，且加強了藥液的附著滲透性。控制部分主要包括整機驅動控制系統、遙控信號的收發和處理系統及電源系統。其特點為采用電動汽車驅動系統，搭載紅外遠程遙控系統，實現了清潔能源在植保領域的突破，降低了植保作業的污染和危險系數，保障了果農的人身安全。

協同工作控制過程如圖2所示。首先，果農發射信號；然后，機具的信號接收端即接收命令、分析信號，并把命令信號傳向工作部件，由工作部件執行此命令。整車行走和彌霧控制互不干擾，在害蟲較輕的區域可提高行走速度，縮短整個區域的彌霧時間，實現變量彌霧。同時，在彌霧過程中可控制轉向電機，隨時調整方向，以防行走路線偏斜。

圖2　微型自走式電動果園彌霧機控制系統框圖

2結構方案的確定

2.1　行走系統

行走系統包括電車底盤、轉向系統及遠程遙控系統。其中，電車底盤如圖3所示。

圖3　電車底盤

電車底盤外形尺寸(長×寬×高)為1 500mm×1 000mm×800mm。驅動采用電動汽車底盤專用驅動和傳動裝置，即差速電機后橋驅動系統。此驅動系統實現兩側以不同的轉速和不等距轉動，增加轉彎的穩定性，減小輪胎的受損率[7]。驅動電機采用Y2-132S-4三相異步交流電機，工作電壓為60V,功率為3kW，額定轉速為1 440r/min。考慮到果園地面的不平整性和所需抓地力，行走輪胎型號選用145-12，其設計為流線型對稱花紋，抓地力強，防止非正常磨損[8]。

轉向系統由電機帶動一級齒輪，再通過皮帶帶動二級齒輪，進而實現左右轉向。根據果園地面的實測軟硬度和雨天后的工作環境，轉向電機選用扭矩為80kg·cm。電機型號為GW70105左-52，電壓24V，電流6.5A，轉速52r/min，負載轉速46r/min，左向前螺紋軸。傳動轉速比1:2，小輪內徑12mm，大輪內徑14mm，120齒。

遙控主板和發射器如圖4所示。設計采用8路互不干擾的射頻發射接收裝置，遠程控制距離2 km，信號包括前進、后退、剎車、左轉、右轉、風機啟動、水泵啟動和一路預留信號[9]。

圖4　遙控主板和發射器

2.2　彌霧系統

彌霧系統如圖5所示。其主要原理為利用風機風筒作為風道，設計氣流導流板，改變出風方向，使風向和藥液噴射的方向一致，實現二次彌霧。

本設計采用進口噴頭，其噴霧面為270°扇面形，5個噴頭依次分布在半圓形的邊緣部分，拓寬了藥液輻射面，同時在高速氣流的二次霧化作用下形成扇形展開的持續不斷的霧化工作帶，提高霧流的分布均勻性、穿透性及葉子的受藥率，實現彌霧無死角。配合5個高壓噴頭的總流量，滿足液滴噴射距離，高壓水泵選用24 V直流水泵，最大電流2.2 A，功率30 W，轉速470r/min，最大流量8.18×10-5cm3/s，最高壓力130MPa，吸程5m。

圖5　彌霧系統

風機型號的選擇關系到二次霧化的效果和藥液的利用率。風速和風壓過高極易吹散霧化帶，造成葉子受藥率降低；風速和風壓過低則無法霧化藥滴，藥滴快速滴落地面，空中保持時間較短，二次霧化效果較差。

果園用彌霧風機參數符合公式如下公式，即

Q=NVHLK

(1)

其中，N為出風口個數(1個)；V為彌霧速度(2m/s)；H為果樹高度(2m)；L為彌霧機距果樹的距離(30cm)；K為氣流損失系數(1.6)。

代入以上參數，可確定風量為1.92m3/h，即為6 925m3/h。

為達到最好的二次霧化效果，出口風速Cc設定為25m/s,轉速n為2 200r/min,效率為80% 。

動壓計算公式為

(2)

出口靜壓損失計算公式為

Pst=0.2Pd=108Pa

(3)

風壓計算公式為

P=Pst+Pd=642Pa

(4)

所需功率為

(5)

考慮到作業效率受天氣環境，以上計算結果[10-11]均需留有余量，故選擇風機型號為SF4-2，轉速為2 800r/min，風量為11 000 m3/h，功率為1.5kW。

2.3　電源系統

圖6為微型自走式電動果園彌霧機電源系統示意圖。整機采用鉛酸蓄電池供電，總電壓為60V，單塊電池參數為6V/200mAh。DC模塊實物圖如圖7所示。其采用穩定的buck降壓拓撲[12]，由芯片UC3845及外圍器件搭建而成[13]，其參數為輸入48～62V，輸出24V，最大輸出電流10A。經過調試和樣機測試，DC輔助電源滿足后級轉向電機、水泵和遙控器的功率需求；同時帶有限流保護，過載時及時斷電保護用電設備[14]。

圖6　電源系統示意圖

圖7　DC降壓模塊

3性能試驗

3.1　試驗結果

試驗樣機如圖8所示。樣機在山東農業大學試驗田進行性能試驗。試驗對象為蘋果園，果園果樹較矮，行距在1.3m左右，株距在0.8m左右，因樹枝交叉嚴重，作業空間高度僅為1.8m左右。試驗結果如表1所示。

表1微型自走式電動果園彌霧機性能試驗檢驗結果

Table 1Performance test results of the micro self-propelled electric sprayer in orchard

檢驗項目技術要求檢驗結果整機動力/kW≥3.53.5農藥搭載量/kg≥90100噴頭噴射距離/m≥22.5霧滴直徑/μm≤7050~60彌霧范圍/m2≥45

續表1

3.2　試驗結果分析與討論

1)整車結構簡單、體型微小，在低矮密果園中行走靈活，作業時通過性和越障能力良好。

2)二次彌霧系統工作良好，藥液噴射霧面達5m2，霧滴直徑為50 ~ 60μm，藥滴的空中保持時間較長，葉子的受藥率大幅提高。

3)整車采用蓄電池為動力，低碳節能，作業危險系數降低。

4)遠程信號發射與接收穩定，可靠性較高達91%，既避免了果農農藥中毒，又保障了施藥作業的高效率完成。

4結論與展望

微型自走式電動果園彌霧機整機結構簡單、體積微小，適用當前果園低矮密植模式。該機采用環保能源電動力，搭載二次彌霧系統，利用先進的遠程遙控技術，實現了科技和農機的結合，提高了作業的效率和安全性。通過理論和試驗證明：該機可良好地完成果園彌霧作業，具備操作簡單、作業可靠、適用范圍廣的特點。隨著越來越多的低矮密植果園的出現，電動力微型遙控植保機械具有廣闊的推廣應用前景。但因動力搭載的限度，作業續航時間較短，應進一步探究電池總容量和作業時間的最優配置問題[15]。

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Design and Experiment of the Micro Self-propelled Electric sprayer in Orchard

Rong Nannana, Wang Ranrana, Guo Pengjuna, Li Yudaob

(a.College of Mechanical and Electronic Engineering；b.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machineries and Equipments, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018,China)

Abstract：In the face of low high density orchard for the current model, the traditional large equipment can not adapt to work in the closed environment. A new self-propelled sprayer was developed.The equipment based on advanced electric car after the bridge drive system,equipped with Air-secondary mist systemand use the remote control technology,farmers can complete the drug spraying operations without rntering into the Garden . The prototype testing proved that the whole operation is designed to achieve the desired situation. The Transmission efficiency reached to 85% and the stability of reached to 91%.

Key words：orchard; sprayer; electric power; remote control

中圖分類號：S491

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0092-04

作者簡介：榮喃喃(1990-)，女，山東濟寧人，碩士研究生，(E-mail)xinxinxiangrong05@163.com。通訊作者：王冉冉(1979-)，男，山東淄博人，副教授，碩士生導師，(E-mail)wranran@163.com。

基金項目：山東省青少年教育科學規劃項目(15BSH073)

收稿日期：2015-09-28