智能果園植保機的設計與試驗研究

劉艷芬,黃士超

(青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

水果是我國主要的特色經濟作物,其田間管理過程中存在作業環節多、用工量大、生產成本高等突出問題,成為制約水果全程機械化生產的主要瓶頸[1-3]。目前,我國植保機械的發展還不完善,與發達國家相關方面還存在一定差距[4-5],主要包括:霧化效果差,藥液利用率不高;相關機械類型單一,缺少某些專門化防治機械;風機、噴頭、液泵等關鍵零部件遠未達到發達國家同類型產品的質量和壽命,仍需改進和創新[6-11]。為了研發霧化效果好的高效植保機,部分發達國家在20世紀40年代就采用風力霧化,而我國自20世紀80年代才引進了此項技術。該技術利用高速風機產生的氣流將藥液霧化并輸送至靶標,有效減少了霧滴的偏移靶向浪費,實現了低量藥液下的高效噴霧[12-16]。

針對自動噴霧的研究,國內目前有傅澤田等通過試驗探討了噴嘴類型、布置高度及噴霧壓力等因素對霧滴分布均勻性的影響特點,并對轉子噴頭霧滴的初速度和空間軌跡進行了研究,從而找出霧滴的飄移原因,定量分析了霧滴的分布特性[17]。邱白晶等從探測技術、控制技術及系統集成3方面對變量噴霧技術進行了綜合評述,指出了變量噴霧后續的發展方向[18]。近年來,我國噴霧技術發展迅速,相應的機械設備也受到了重視,但與發達國家相比,我國的植保機械及零部件噴頭仍存在種類少、品質劣等問題[19]。

本文基于液壓控制、自動控制原理,設計開發了具有啟停、速度控制、藥量調整等動態管理功能的自走式噴霧智能果園植保機,對可升降軸風送噴霧技術、液力驅動無級變速履帶式行走技術等進行研究,并獲得良好的田間試驗反饋。

1 設計原理及機構

果園植保機的作業環境較差,宜采用履帶式行走系統。果園植保機主要由液壓電控,風送噴藥和無線遙控等部分組成,如圖1所示。

1.藥箱 2.智能、電液控制系統集成 3.降溫風扇 4.機架 5.驅動輪 6.承重輪 7.履帶 8.張緊裝置 9.風機 10.噴頭和擋藥板 11.升降裝置 12.電控柴油機 13.換向閥及一系列閥體圖1 果園植保機整機結構示意圖Fig.l The whole machine structure

本機是集電控、液壓、機械和無線遙控技術為一體的果園植保機,采用液壓驅動行走代替了傳統的齒輪箱傳動,電控變量柴油機作為原動機拖動齒輪串泵工作;齒輪串泵經電磁換向閥及一系列閥體與履帶驅動輪后的液壓行走馬達相連,經履帶驅動輪、托鏈輪、導向輪、承重輪等輪系使履帶動作。通過與電磁換向閥等閥體相連的電控系統來控制液壓行走系統的一系列動作,并通過電控系統中的脈沖寬度來調節噴藥的脈沖寬度,從而實現噴藥量控制。液壓升降系統由垂直方向的液壓缸帶動,升降系統可帶動風機、擋藥板與噴頭進行上下移動。風機由變量液壓馬達提供動力,可通過改變液壓馬達的轉速來改變風機的轉速,進而改變風送噴藥的力度。藥箱設有液位計實時顯示藥量,為調節噴藥量提供參考依據。履帶內設有張緊裝置,可根據需要對履帶進行張緊。

采用遙控手柄進行作業,未設置駕駛位,可用手柄控制該機風送噴藥部分的升降、機器轉彎和變速。采用基于雙控串聯的液壓泵與馬達,可實現整機的無級變速行走。同時,研究了基于電子與控制相結合的比例控制技術,研制了具有扭矩、彎矩均量化的動力傳遞機構和基于履帶的速比動態約束行走系統,實現了泵、風機、傳動與行走參數的有機結合。

2 主要部件設計

2.1 液壓系統設計

整機的液壓回路包括鎖緊回路、卸荷回路、緩沖回路和調速回路。通過如圖2所示的液壓系統,可實現整機的無級變速行走、轉向控制、風機的轉動與風送噴藥部分的升降。

圖2 整機液壓系統圖Fig.2 Hydraulic system diagram of the machine

圖2中,液壓系統的驅動由串泵N1和發動機自帶的齒輪串泵N3組成,串泵為閉式系統,由串泵N1自帶的一個齒輪泵N2為其補充損失的液壓油。

履帶行走系統是由串泵N1提供動力,左右行走馬達均與一個二位二通的手動緊急制動開關S1并聯,S1按下時,串泵N1的出油口與進油口短接,使串泵N1卸荷。齒輪泵N2通過管路C與三閥(節流閥、單向閥、溢流閥)并聯的復合閥相連,溢流閥用于限定供油的壓力,單向閥保證液壓油不會大量倒流,節流閥用于流量控制,三閥并聯起到保壓、調壓、泄壓的作用,可以保護液壓元件和增強油路的穩定性。油路在連接左右兩個行走馬達時先分別連接了一個沖洗閥塊,用于閉式系統中,由一個三位三通電液換向閥和一個溢流閥串聯組成,是依靠高壓端的壓力推動閥芯,將低壓端的液壓油送回油箱,同時保持低壓壓力。其主要用于將閉式系統中的熱液壓油釋放出來,達到降溫和清潔的作用。蘋果植保機的前進、后退和制動是由遙控直接控制串泵實現的。

液壓升降系統是由發動機自帶的齒輪串泵提供動力,液壓油先通過中位機能為H型的二位四通電磁換向閥S2,與其并聯的溢流閥G1的限壓為10MPa,再經過OMP50型的水泵馬達后,輸入中位機能為H型三位四通電磁換向閥S3,再經液控單向閥G2,串聯1個由單向閥和節流閥并聯的復合閥G3,輸入到液壓缸中。此回路可起到鎖緊及緩沖調節的作用,升降油缸上升時復合閥G3相當于一個普通單向閥,下降時液壓油經油路D進入油缸,當油路D內壓力過大時,液控單向閥受控打開,油液可通過復合閥G3內的節流閥緩慢回流,改變壓力重新達到平衡,此時油缸帶動風送系統緩慢下降,改變節流閥參數可調節油缸下降速度。若停止供油,則液控單向閥G2關閉,回路處于鎖緊狀態。通過遙控控制電磁換向閥可以改變液壓缸的運動方向,實現蘋果植保機噴藥高度的調整,其中的溢流閥G1還起到過載保護的作用。風機馬達的動力來源也是發動機自帶的齒輪串泵,經過中位機能為H型的二位四通電磁溢流閥S4,與其并聯的溢流閥G4限壓為17MPa,再經過風機齒輪馬達,由遙控控制電磁換向閥來控制風機的轉動。

2.2 風力箱設計

2.2.1 噴藥裝置的設計

噴頭是將藥液霧化并將其均勻噴射的部件。噴頭霧化的基本原理為:將氣體與藥液混合后,高速運動的氣體將藥液沖散成小液滴而霧化;藥液霧化后,經過裝置的動力噴射到有一定距離的農作物上。

在噴頭種類的選擇上,要考慮到抗漂移、均勻性及覆蓋性。霧粒的直徑過大,雖然抗漂移性能增強,但覆蓋性較差;霧粒直徑過小,易隨風飄散,不易控制。常用噴頭有離心噴頭和扇形壓力噴頭兩種:離心噴頭是利用電動機旋轉產生的離心力將藥液甩出,由于藥液不受壓力而抗漂移性差,不適合用于作物較高的場合;扇形壓力噴頭通過液壓裝置給藥液施壓,帶有一定壓力的藥液通過噴頭噴射出去,因此抗漂移性較強。

噴藥裝置主要由噴藥裝置主體、儲氣裝置及扇形噴頭3部分構成,如圖3所示。裝置主體底部有1個進液孔,用來通入配置好的藥液,與扇形噴頭接觸的地方有一氣液進入孔和氣液混合腔,被混合的氣液由此處進入到扇形噴頭;儲氣裝置與主體裝置在內部形成一個空腔,空腔與進液、進氣、扇形噴頭聯通;扇形噴頭與裝置主體通過螺紋連接。

配置好的藥液通過進液孔進入到有裝置主體和儲氣裝置所形成的空腔,進氣口進入由風箱輸入的高壓空氣。其中,藥液的流量由電控系統的脈沖寬度控制。藥液與高壓氣體在空腔中混合,高壓氣體帶動藥液由氣液進入孔進入氣液混合腔,最后由扇形噴頭霧化噴出。

2.2.2 風力箱流場分析

風力箱內部結構如圖4所示。噴藥裝置通過螺紋連接固定在擋藥板內,并向上傾斜一定的角度,風機位于噴藥裝置的下部,為噴出的藥液提供風送動力。

通過計算流體力學分析方法(CFD)進行分析。流體連續性方程即質量守恒方程,單位時間內流出風力箱的氣體凈總質量總和應等于同時間間隔風力箱內因密度變化而減小的質量,故其流動連續性方程的微分形式為

(1)

其中,vx、vy、vz為x、y、z等3個方向的速度分量(m/s);ρ為流體密度(kg/m3);t為時間(s)。

湍流時的雷諾方程為

(2)

(3)

使用Ansys Fluent軟件對風力箱內部進行流場分析。此次設計的風力箱進風口半徑為0.275 m,對風力箱內部流體幾何進行建模,如圖5所示。風力箱內部流場屬單向流的湍流模型,在Viscous Models中選擇K-epsilon(2eqn)模型,調整邊界條件Velocity Magnitude為7 m/s,Turbulent intensity為5,Turbulent Length Scale為0.5,分析在進口風速7m/s狀態下的風力箱流場。迭代次數為1 000的計算結果如圖5所示,展示了氣體在風力箱內的速度分布。

圖5 流場分析Fig.5 Flow field analysis

圖5中,在進風口處風速約為7 m/s;在拐角位置風速驟升,最高為13.5m/s;在風力箱出口0.4-～1.1m高度處,風速多為3.43-～5.44m/s。因此,為提高霧化效果、增強噴霧穩定性,將噴藥裝置安裝在0.8m高度處。

2.3 電控變量柴油機的選擇

本機應用的是型號為4L22B的電控柴油發動機,可通過遙控控制發動機各缸的噴油量進而控制發動機的轉速,起到相當于油門的作用;通過控制發動機轉速來控制動力輸出的大小,進而來控制各泵的轉速來控制各液壓馬達的轉速。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

田間性能試驗在山東省煙臺市棲霞市臧家莊鎮義莊范家村進行,如圖6所示。試驗地位于山東省膠東半島腹地,北緯37°05′～37°32′,東經120°33′～121°15′,主要地形為丘陵山地。棲霞屬暖溫帶東亞大陸性季風型半濕潤氣候,四季交替分明,多年平均氣溫11.4℃,年均日照總時數為2 659.9 h,平均無霜期209天,平均地面溫度13.6℃;年平均降水量為700mm左右;土壤類型為砂質壤土,土層深厚、土壤疏松肥沃。

圖6 智能果園植保機田間試驗Fig.6 Field test of intelligent orchard plant protection machine

果園為矮砧密集種植模式,蘋果品種為紅富士。試驗噴灑藥液為1:3:(200～240)倍式波爾多液。試驗重復3次,試驗結果取平均值。

3.2 試驗結果

智能果園植保機試驗結果,如表1所示。

表1 智能果園植保機試驗性能結果Table 1 Experimental performance results of the Intelligent orchard plant protection machine

試驗表明:智能果園植保機作業質量完全滿足果園植保的農藝要求。表1中,作業幅寬為6.26m,標準差為0.13,變異系數為2.1,完全滿足果園植保機作業幅寬不少于6.0m的要求,且作業合格率為100%。噴霧量、噴灑均勻性、智能化響應時間和生產效率的結果均符合果園植保機的作業要求。

4 結論

1)田間試驗表明:整機采用履帶式行走系統,機器行走平穩,通過性和適應性強,比輪式行走系統更適宜于果園植保作業。

2)該機采用液壓裝置驅動,大幅提升了植保機的控制精度,且噴藥量、噴藥高度可實時調制,具有機動性強、靈活度高、操控簡單、作業效率高等優點。作業幅寬為6.26m,噴霧量為0.82L/min,噴灑均勻性變異系數為6.24,智能化響應時間為1.9s,生產效率為0.73hm2/h,完全滿足果園植保機的設計要求。

3)智能果園植保機作業效果完全滿足果園植保的農藝要求,有效解決了果園植保耗費大量人力的問題,大大降低了作業成本。