小型自動噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機的設計

丁在興　閆家政　胡哲銘　王晨　董佳斌　侯衛(wèi)萍

摘要 ? ?針對目前國內(nèi)噴藥機械主要還是以手動機械為主的現(xiàn)狀，在保證作業(yè)安全的前提下，對小型機械進行改進，采用一種噴霧型噴頭，通過可編程控制器（PLC）和紅外測距傳感器控制，實現(xiàn)自動噴藥。通過三維建模和動態(tài)分析對機械進行受力分析，通過實驗檢測的方法不斷進行改進，從而得到結(jié)構(gòu)簡單、適應地形能力強、工作效率高的小型自動噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機械。

關鍵詞 ? ?小型自動噴霧機;可編程控制器;噴頭結(jié)構(gòu);模型構(gòu)建;林區(qū)苗圃

中圖分類號 ? ?S224.3 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）19-0165-02

Design ?of ?Small ?Automatic ?Spray ?Type ?Spraying ?Machine ?for ?Nursery ?in ?Forest ?Area

DING Zaixing 1 ? ?YAN Jiazheng 1 ? ?HU Zheming 1 ? ?WANG Chen 2 ? ?DONG Jiabin 1 ? ?HOU Weiping 1 *

（1 College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin Heilongjiang 150040; 2 College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin Heilongjiang 150040）

Abstract ? ?In view of the current situation of domestic spraying machinery was mainly manual machinery， under the premise of ensuring the safety of operation， the small machinery was improved. A spray nozzle was adopted， which is controlled by PLC and infrared distance sensor to realize automatic spraying. Through three-dimensional modeling and dynamic analysis， mechanical analysis was carried out， and continuous improvement was made by means of experimental detection， so that small automatic spraying forest nursery spraying machine with simple structure， strong adaptability to topography and high working efficiency was obtained.

Keywords ? ?small automatic spray machine; PLC; nozzle structure; model construction; nursery in forest area

在林區(qū)苗圃育苗的過程中，噴藥治蟲必不可少，但是我國所使用的噴藥機械中手動機械占比很大[1]，并且存在噴藥效率低、農(nóng)藥利用率低等問題。因此，研究設計小型自動噴霧型噴藥機可以提高噴藥效率、降低噴藥成本、提高農(nóng)藥利用率等，對林區(qū)苗圃育苗自動化具有重要的實際意義。

目前，我國噴藥機械種類少，基本以背負式手動噴藥機械為主，而且專用施藥機械匱乏，大多都是用同一機具進行不同植物的病蟲草害防治。噴藥機械的關鍵性部位是噴頭，我國在這方面的技術含量低，大部分為徑向進液式圓錐霧噴頭，這種噴頭霧化效果不高，不能均勻噴灑農(nóng)藥，使用時屢屢發(fā)生藥害和環(huán)保事故。

小型自動林區(qū)苗圃噴藥機專門用于苗圃育苗，其具有小型機械的靈活性，通過設計控制系統(tǒng)達到在苗圃內(nèi)自動噴藥的目的;同時，利用文丘里效應對噴頭進行設計改進，以提高藥液的利用率。

1 ? ?小型自動噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機整體結(jié)構(gòu)設計

1.1 ? ?系統(tǒng)組成

本文設計的小型自動噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機由噴藥模塊、運動模塊、電源模塊和控制系統(tǒng)等構(gòu)成，其中電源模塊采用蓄電池供電，控制系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、紅外測距傳感器和遠程控制模塊等組成，運動模塊由2個電機提供動力，噴藥模塊由液泵、藥箱、噴頭、機械臂、液壓桿、旋轉(zhuǎn)臺和軟管等構(gòu)成。通過控制系統(tǒng)對各個模塊進行控制調(diào)整，實現(xiàn)控制行走、自動噴藥的功能。

1.2 ? ?工作原理

本文設計的小型自動噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機通過紅外測距傳感器來判定噴藥機與樹木枝葉間的距離，并傳遞信號給控制系統(tǒng)。根據(jù)傳遞的信號，控制系統(tǒng)對液泵以及控制閥門下達命令。當達到適當?shù)膰娝幘嚯x，則開啟閥門;未到適當距離，則關閉閥門。通過控制液泵，根據(jù)不同的距離對藥液施以不同的壓力，以達到藥液的最佳噴射初速度。當藥液受壓力作用流入噴管后，霧化片將藥液轉(zhuǎn)化為霧狀，以在噴藥時增加藥液的覆蓋率。當噴藥達到額定限量時，控制系統(tǒng)關閉閥門，殘余在噴管中的藥液沿膠管回到藥液箱。至此，一次噴藥過程結(jié)束，如圖1所示。

1.3 ? ?控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）控制[2]，其通信端口與遠程控制模塊相連，通過其接收信號，控制小車的移動。通過接收紅外測距傳感器和電子眼信號，進而控制噴藥。本文對可編程控制器采用模塊化編程方法，對小型自動噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機設立3個模塊：接收遠程控制模塊信號，控制運動模塊轉(zhuǎn)向電機和直行電機正反轉(zhuǎn)，并通過內(nèi)置調(diào)速器調(diào)速;根據(jù)紅外測距傳感器感測車體與苗圃植株的距離，并與預先設定值比較，當達到適當距離時啟動液泵，進而控制藥液噴射;在藥箱底部放置壓力傳感器，感測藥液壓力，通過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號傳給可編程控制器，并與預先設定壓力值比較，當壓力值低于預先設定的壓力值時，可編程控制器關閉液泵，不再噴藥。

2 ? ?噴藥模塊設計

2.1 ? ?噴藥機構(gòu)的設計

此小型自動噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機采用一種氣液兩相霧化噴頭，在噴藥機上安裝紅外測距傳感器，使小車和霧化噴頭與植株保持一定的距離，同時減少農(nóng)藥的浪費以及其對環(huán)境的污染。

氣液兩相流霧化噴頭是基于文丘里效應（圖2）進行設計的，通過增加氣液兩相的相對速度差來增大氣壓動力，使藥滴在氣壓的作用下破碎得更細，提升霧滴的彌散性，可適應多種植株[3]。噴頭與滑道滑動配合，滑道與機械臂旋轉(zhuǎn)配合，通過螺栓固定，機械臂由液壓桿控制。噴頭通過軟管與液泵相連。液壓桿安裝在旋轉(zhuǎn)臺上，使噴頭可以在水平面內(nèi)多角度旋轉(zhuǎn)和移動，可適應多個方位（圖3），從而滿足不同植株噴藥的需要。根據(jù)噴藥機與植株距離的遠近，以及枝葉的密集程度，通過控制液泵工作功率，可改變藥液的噴射量和噴射速度，使藥液得到充分利用，并盡量減少藥液對環(huán)境和人體造成的傷害。

2.2 ? ?管道的設計

材料選取上，選取易得、價廉、無毒、無公害的可降解、可回收或不被農(nóng)藥中化學物質(zhì)腐蝕的材料。此外，由于噴藥機載重較小，管道材料應較為輕便。

管道設計上，管道應分為2路，一路為多余藥液流回藥箱;另一路經(jīng)控制閥到噴頭，經(jīng)2次霧化后形成霧滴噴向林木。根據(jù)林木高度的不同，管道應具有一定的伸縮彈性。

3 ? ?建模分析

3.1 ? ?三維模型建立

小型自動噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機主要用于對林區(qū)苗圃的蟲害防治。由于喬木幼苗期的高度主要集中在5～20 cm，故在實際噴藥作業(yè)時藥液管道高度應達到20 cm，噴灑最大半徑為150 mm。旋轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)范圍為0°～360°，噴頭回轉(zhuǎn)范圍為0°～360°且垂直方向旋轉(zhuǎn)范圍為0°～180°。噴頭的起升方式為液壓桿舉升，并滿足承受機械自重載荷和噴藥的要求。

根據(jù)小型自動噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機的實際要求按照1∶1的比例通過pro/e軟件進行模型的建立，噴藥機整體為金屬框架結(jié)構(gòu)，在安裝動力裝置、傳動裝置和供藥系統(tǒng)時均有相應的安裝控件。為避免部分特征和小結(jié)構(gòu)特征影響網(wǎng)格的質(zhì)量，故在實體建模時對模型進行簡化，從而減少分析精度降低等問題。pro/e軟件具有良好的模型建立和仿真受力分析的功能，在pro/e中建立滿足設計要求的噴藥機模型，從而便于對噴藥機的實際工作情況和受力情況等進行分析，如圖4所示。

3.2 ? ?車架受力分析

該噴藥機工作部分用于噴灑農(nóng)藥，對蟲害進行防治。工作部分的車架需要支承各個模塊，并承受外部載荷作用。根據(jù)使用要求，選用材料為合金鋼。根據(jù)受力分析可知，噴藥機模型中噴灑農(nóng)藥過程中所受外載荷最大為200 N，所以在受力分析時對車架支撐部分處施加固定約束和外載荷，模擬車架實際工作過程中的工作情況。由圖5可知，其變形量最大為0.33 mm，此車架滿足使用要求。

4 ? ?結(jié)語

小型自動噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機可適應不同環(huán)境、不同地形，克服了目前以背負式藥箱人工手動操作為主的噴藥缺陷[4-5]，實現(xiàn)了作業(yè)的自動化、機械化，提高了工作效率;同時，對噴頭進行相應的改進，減少了藥液在空氣中的漂移，提高了農(nóng)藥利用率，有效解決了人工噴灑過程中效率低、工作強度大的問題。

5 ? ?參考文獻

[1] 張玲，戴奮奮.我國植保機械及施藥技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國農(nóng)機化，2002，23（6）：34-35.

[2] 王卓鑫，劉娟，閆家政，等.攪拌式鋸鏈疲勞試驗裝置研究[J].哈爾濱軸承，2019，40（1）：29-32.

[3] 李雪，陸岱鵬，王士林，等.一種農(nóng)用氣液兩相噴頭的設計與噴霧特性仿真[J].江蘇農(nóng)業(yè)學報，2019，35（3）：722-728.

[4] 李進海，王昱潭，楊術明，等.溫室自走式自動噴霧機的研制[J].河南農(nóng)業(yè)科學，2016，45（7）：137-142.

[5] 陳來榮，冀榮華，趙亞青，等.溫室無人自動噴霧系統(tǒng)設計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2011，50（3）：587-589.

作者簡介 ? 東北林業(yè)大學2019年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201910225010）。

通信作者

收稿日期 ? 2020-06-10