遙控輪式果園高效脈沖噴霧機的研制

楊震++曹希凡++黨凱鋒++張鵬霞

摘要 針對陜西省矮化果園設計一款結構緊湊、轉彎半徑小、可視回傳遙控輪式高效脈沖噴霧機具。基于可視化輪式平臺，利用遠程遙控脈沖式噴氣發動機進行無人噴霧作業，并在標準矮化果園進行了驗證。結果表明，該機具施藥藥效持久，震蕩后產生的0.5～1.0 μm藥物粒子，在空中漂浮時間長達1～3 h，噴霧效率高，每株樹木噴射1～2 s即可完成；比傳統噴霧器節省藥水60%以上。

關鍵詞 果園高效脈沖噴霧機；遙控輪式；可視化

中圖分類號 S491 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）17-0175-02

病蟲害防治是我國傳統農業、園果林業、設施蔬菜種植中最主要的管理作業，但由于國內目前種植業標準不統一，粗放式耕作經營導致很多地區仍使用手動、踏板式噴霧器和高壓噴槍，采用大霧量、雨淋式噴藥方法[1]。這種粗放落后的藥械和施藥方法容易導致農藥利用率低，不僅浪費了資源，而且造成了環境污染。這種傳統噴藥作業的效率低，勞動強度大，容易導致操作人員中毒[2]。

1 目前果園噴霧情況

國外基于大面積種植模式能最大程度地發揮自然條件的優勢以形成規模效應，有利于農業大規模的機械化、標準化、專業化生產及產業化經營。且種植區配合溝灌、噴灌、滴灌設備，基本實現了從耕地到收割、貯存幾乎所有農作物生產領域的機械化，直接幫助了農場主大幅提高農業生產效率，最終達到成本最小化、利潤最大化的目的。歐美國家的果園為規模化種植，行距和株距統一規劃，便于機械化作業。因此，大多數國外噴藥機械可實現大中型機械化作業，植保機械多用罩蓋循環、風送式、靜電噴霧、自動對靶、定向仿形控制等，實現了低噴量、精噴灑、少污染和高功效[3]。

我國目前大片果園規模化、專業化、標準化程度低，仍主要采取一家一戶的經營模式，生產規模小，地勢、土壤復雜多變，樹種和栽培模式繁多，機械作業空間狹小，栽培管理專業化和標準化程度低，不利于果園機械的推廣和應用[4]。但隨著我國果園種植面積的擴大，果園規模化發展和規范化管理的要求日益提高，果園機械化管理的重要性日益凸顯。

雖然目前在我國東北、新疆等地實行現代、規范化、規模化的林果種植，有大中型噴藥設備使用，但大多數果林病蟲害防治很難進行大規模機械化作業，因而亟需開發適合我國果樹種植者且易操作使用的高效精細噴霧機械裝備[5]。

2 遙控輪式果園高效脈沖噴霧機的整體結構與工作原理

本課題研制一款小型遙控可視自走式電動果園噴霧平臺，適用于我國現代低矮密植果園的種植模式。整機由電動力驅動，遠程遙控作業，實現低碳環保的新型植保作業方式。

整機工作控制過程如圖1 所示。果園種植戶由操控終端發射信號；機具總電源接通，信號接收端即接收命令、分析相應給出信號，把命令信號傳給行走系統、噴藥系統等工作部件并執行命令。整車行走和噴霧控制互不干擾，行走速度、姿態由果園種植戶通過回傳視頻確定，實現變量彌霧。通過可視化噴藥云臺的控制可針對病蟲、病灶多發處進行定點、定量施藥，實現實時變量控制。

2.1 行走系統驅動電機功率選擇

行走系統采用典型輪式移動構造。由車體、車輪、車輪—車體兩者之間將兩者結合起來的支撐機構、車輪驅動機構等組成[6]。而純電動輪式機車平臺的輸出動力全部由電動機提供，所以電動機功率的選擇需滿足機車的最高車速以及最大爬坡度等動力需求。

2.1.1 以最高設計車速確定電機額定功率。根據文獻[7]，當機車依最高設定速度Vmax勻速行駛時，電機所需提供的功率計算公式為：

式中，η—整車動力傳動系統效率（包括主減速器和驅動電機及控制器的工作效率），取0.86；m—機車滿載質量，取60 kg；g—重力加速度，取9.8 m/s2；f—滾動阻力系數，取0.1；Cd—空氣阻力系數，取0.6；A—電動機車迎風面面積，取0.6×0.5=0.3 m2（設計車身寬度×車身高度）；Vmax—最高車速，取15 km/h。

將以上數據帶入（1）中，計算得當機車依設計最高時速行駛時，電機所需提供的功率：

即在設定最大行駛速度為15 km/h的情況下，選300 W以上的電機即可符合設計要求。

2.1.2 爬坡情況下電機額定功率計算。滿足以Vslope=10 km/h的車速行駛通過20%坡度（農村土地調查將耕地坡度劃分為≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°共5個級別[8]）所需的電機峰值功率計算公式為：

滿足以Vslope=10 km/h的車速行駛通過20%坡度所需的電機峰值功率應大于177 W。因此，按照最大行駛速度設定，選擇300 W電機即可。

2.2 四輪配置及轉向

前輪用獨立懸掛轉向方式，后輪非獨立懸掛作為動力輸出輪，車輪驅動方式是電機經過減速器后直接驅動車輪的車軸[9]。在果園復雜的環境下采用獨立前懸掛，每個車輪用螺旋彈簧安裝在車架下方，這樣可最大限度地保證一輪在前進過程中發生跳動時另外一輪不受影響，使車身穩定性提高。

3 遙控輪式果園高效脈沖噴霧機的噴藥系統

噴藥系統采用脈沖式噴氣發動機原理（圖2），藥機發動時，先將電源開關打開使火花塞處于持續高壓點火狀態，再將空氣手動壓入啟動單項三通閥，一路供給出油系統保證燃油被壓入燃燒管道，將燃油供應到燃燒室，另一路進入燃燒氣管，同被壓出的燃油在燃燒室混合并被火花塞點燃，接著爆炸開始，瞬間產生巨大氣壓將熱空氣從發動機的開口噴出。當空氣被噴出燃燒室，燃燒室內便產生真空。真空迫使即將被噴出排氣管的火焰吸回燃燒室[10]。此時噴管已排出火焰并吸入新鮮空氣。該過程循環重復直至工作結束。

脈沖式發動機產生的高溫高壓氣流從噴管出口處高速噴出，打開藥閥后，藥箱內氣壓將藥液壓至爆發管內，與高溫高速氣流混合產生負壓（引射原理），藥劑在負壓條件下通過輸水/藥管道，將水/藥送入噴管中在高頻熱流的震蕩下進一步進行霧化，將吸進來的藥劑炸碎成0.5～1.0 μm藥物粒子。藥物微粒隨氣流從噴管噴出彌散成細小的霧狀覆蓋整個靶標對象[11]，達到殺蟲防病的效果。使用脈沖式噴氣發動機原理可以大量減少噴霧過程中水的使用量。

脈沖式噴霧機由于在燃燒室和噴管中將水/藥高頻震蕩后形成了微小藥物粒子，可長時間在空中漂浮。一般在5 m以下的農作物，用水或煙霧劑兌農藥后進行噴霧操作，一般配比為10∶1，噴霧效率高，每株樹木1～2 s內即可完成噴霧作業，比傳統噴霧器節省藥水60%以上。

由于該機具噴出的藥成彌散形式，因而防治空間大大增加，且噴出的藥物成油性，可更高效地附著于靶標上，節水省藥。因此，近年來利用這種原理防治農業、林業病蟲害的機具越來越多，是今后植物保護機械發展的重要方向。

4 遙控輪式果園高效脈沖噴霧機的性能試驗

4.1 試驗結果

將果園高效脈沖噴霧機樣機在禮泉縣蘋果樹試驗基地進行田間性能試驗檢測。試驗對象為蘋果園。果樹較矮，行距為1.4 m左右，株距為1.1 m左右，作業空間為1.5 m左右。載藥量20 L，有效噴射距離10 m，霧滴直徑0.5～1.0 μm，續航時間15 h，傳動效率88%，可靠性89%，節水60%。

4.2 結果分析

一是整車體型較低，結構簡單牢固，可在低矮密植果園中靈活行走、掉頭，具有良好的通過性和越障能力。二是經由高頻脈沖器震蕩后產生的藥物粒子直徑在0.5～1.0 μm之間，可漂浮在空中1～3 h，葉片的受藥率大幅提高。噴霧效率高，每株樹木噴射1～2 s，較傳統噴霧器節省藥水60%以上。三是遠程無線信號發射與接收穩定，圖傳清晰可靠，整機控制性較高，達94%，在保證作業效率的前提下盡可能地使作業者遠離農藥覆蓋范圍，保障作業人員人身安全。四是整車采用24 V蓄電池為動力，蓄電池可與大多數市售電池更換，低碳節能，維修方便。

5 結論與展望

遙控輪式果園高效脈沖噴霧機可完全適應密植果園的特點，該作業機具結構緊湊、行動靈活，可適應不同樹形、樹種的作業需求，可針對回傳重點病灶進行定點、定量施藥，提高了機具施藥對靶性能，提高了農藥利用率。

隨著越來越多的標準低矮密植果園的出現以及現代油改電技術的發展，電動力微型遙控植保機械具有廣闊的推廣應用前景。因此，研究人員應當在此基礎上，進一步提高智能化作業，建立無人值守的新型果園機具。

6 參考文獻

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