3WP-200型植保機器人噴灑擺動機構設計與試驗

張義勝，宮玉敏，刁培松，劉 琦，侯心愛，郭 剛

（1.淄博市農業機械研究所，山東淄博 255086；2.山東理工大學，山東淄博 255000；3.山東魯虹農業科技股份有限公司，山東曲阜 273100）

0 引言

隨著農業種植結構的調整和農業機械規模化生產的提高以及國家農機購置補貼政策的實施，現代化的植保機械越來越被農戶所需要，該行業正在進入一個飛速發展的時期[1]。

傳統的噴藥方式采用人工式噴藥，不僅工作強度大、噴藥不均勻，且可能出現重噴、漏噴等情況，無法保證噴霧質量，對環境也會產生一定的污染，使作物產生抗藥性，增加作物感染寄生蟲的風險，還會造成直接或間接的人體傷害[2]。

農作物病、蟲、害防治是勞動強度最大的田間勞動[3]。植保機器人作為一種高效的施藥機械，與傳統的施藥機具相比，它的出現不僅極大地減輕農戶的勞動強度，還大大地提高農戶的工作效率，實現化肥減量提效、農藥減量控害并避免了藥液在空氣中散播造成人員中毒的危險，同時明顯減輕對土壤污染[4]。

廣大的山區或丘陵地區，種植地塊面積小，道路狹窄，大型植保機械不方便進入土地作業，因此，小型智能植保機器人，具有廣闊的市場前景。

市場上常用小型智能植保機器人噴灑裝置擺動結構之一，采用連桿機構。針對連桿機構運轉不平穩、死點、急回運動特征、尺寸較大等缺點，設計了一種齒輪傳動擺動機構，取代連桿擺動機構。

1 連桿機構噴灑擺動裝置

如圖1所示，市場上常用小型智能植保機噴灑裝置的結構，由擺動機構、電機護罩、電機、減速機、噴灑裝置固定板、噴灑機構組成。

如圖2所示，擺動機構總成由螺栓、電機擺動拉桿、連接桿、關節軸承、螺母、噴灑機構與擺動機構連接桿等組成。

圖1 連桿機構噴灑擺動裝置

2 齒輪機構噴灑擺動裝置

如圖3所示，噴灑裝置采用齒輪傳動擺動機構，去掉了連桿機構。更換了噴灑機構固定板，增加了電機主動齒輪、噴灑機構被動齒輪A、噴灑機構被動齒輪B、一個被動齒輪介輪A、一個被動齒輪介輪B。

圖2 擺動機構總成

圖4為電機主動齒輪結構，外圈為不完全齒，特點是只保留一部分齒，對稱保留了兩個略小于90°范圍的齒。在沒有齒的區域，齒輪空轉，不傳遞動力。

圖5為噴灑機構被動齒輪A、B結構。

被動齒輪A、被動齒輪B、被動齒輪介輪A、被動齒輪介輪B的外圈為全齒結構。

電機主動齒輪與噴灑機構被動齒輪A、B的齒數、模數完全一樣，即分度圓直徑大小一樣。

被動齒輪A、B分別安裝在噴灑機構的兩個轉子上，帶動兩個噴槍的轉動。

介輪A、介輪B用來改變被動齒輪A、B的轉向。

圖6為介輪B安裝圖。介輪B通過固定螺母、墊圈、軸承、軸用彈性擋圈、傳動軸安裝在固定板上。

圖7為介輪A安裝圖。介輪A通過固定螺母、墊圈、軸承、軸用彈性擋圈、傳動軸安裝在固定板上。

3 齒輪傳動擺動機構工作原理

如圖3所示，按照電機順時針方向轉動設計，主動齒輪帶動被動齒輪A逆時針方向轉動，由于介輪A的緣故，被動齒輪B也逆時針方向轉動，共同帶動噴灑機構的噴槍向左邊轉動，此時介輪B空運轉。

圖3所示位置，為噴槍左極限位置，電機主動齒輪下部90°范圍的齒已經工作完畢。

此時，電機主動齒輪上部90°范圍的齒開始和介輪B接觸，介輪B始終和被動齒輪B接觸，由于介輪B的緣故，被動齒輪B開始順時針方向轉動，同樣由于介輪A的緣故，被動齒輪A也開始順時針方向轉動，共同帶動噴灑機構的噴槍向右邊轉動。

圖3 齒輪擺動機構

圖5 被動齒輪A、B結構圖

圖6 介輪B安裝圖

圖8所示位置，為噴槍在右極限位置。此時，電機主動齒輪上部90°范圍的齒開始和介輪B脫離接觸，電機主動齒輪下部90°范圍的齒開始和被動齒輪A接觸，擺動機構帶動噴灑機構開始向左邊轉動，進入下一個擺動循環。

電機主動齒輪轉動一圈，帶動擺動機構，使噴槍從左極限位置移動到到右極限位置，完成一個擺動循環。

在電機的帶動下，通過齒輪傳動，帶動噴灑機構的噴槍左右來回擺動。由于齒輪傳動是連續傳動，故擺動機構運轉平穩，結構尺寸緊湊，克服了連桿機構存在的死點，急回運動特征，尺寸大等缺點。

圖7 介輪A安裝圖

圖8 噴槍在右極限位置

4 齒輪擺動機構零部件的設計

4.1 擺動電機的選擇

參考同類型電機的功率，采用直流小型齒輪減速電機，電機型號為3DCD24-40-30型，功率40 W，電壓24 V，轉速3 000 rpm。減速機型號為3GN120K，減速比120，即減速機輸出轉速為25 rpm。

4.2 電機主動齒輪

電機主動齒輪的結構，如圖4所示，齒輪分度圓直徑為：

式中：d1—主動齒輪分度圓直徑（mm）；

m—齒輪模數，選用1；

z1—主動齒輪齒數，設計為90；

計算分度圓直徑為90 mm。

電機主動齒輪的外圈保留一部分齒，對稱保留了兩個72度范圍的齒，即保留19×2=38個齒，其余齒去掉。

主動齒輪的內孔與電機軸用平鍵聯接，用于傳遞動力。

電機主動齒輪的寬度設計為10 mm。

在沒有齒的區域，與被嚙合的齒輪沒有接觸，齒輪空轉，不傳遞動力。

由于電機主動齒輪對稱保留了兩個小于90°范圍的齒，主動齒輪上半部齒在脫離被動齒輪A時，其下半部齒和介輪B尚未接觸；同樣，電機主動齒輪下半部齒在脫離介輪B時，其上半部齒和被動齒輪A尚未接觸；在以上兩個位置時，噴灑裝置噴槍處于短暫停止擺動狀態，這樣設計的目的是避免傳動干涉。

4.3 被動齒輪

被動齒輪A、B的齒數、模數與電機主動齒輪完全相同。

如圖5所示，被動齒輪A、B用兩個螺栓與噴灑機構連接在一起，帶動噴灑機構的噴槍一起轉動。

被動齒輪A、B的寬度設計為10 mm。

4.4 介輪B

如圖6所示，介輪B分度圓直徑為：

式中：d2—介輪B分度圓直徑（mm）；

m—齒輪模數，選用1；

Z2—介輪B齒數。

被動齒輪A和被動齒輪B的中心距設計為130 mm，由此計算出介輪B的齒數Z2為40，分度圓直徑d2為40 mm。

介輪B的寬度設計為10 mm。

4.5 介輪A

如圖7所示，介輪A分度圓直徑為：

式中：d3—介輪A分度圓直徑（mm）；

m—齒輪模數，選用1；

Z3—介輪A齒數（26）；

計算分度圓直徑為26 mm。

被動齒輪介輪A的寬度設計為10 mm。

4.6 齒輪強度計算

根據扭轉強度公式估算軸徑[5]：

式中：d—危險截面處的軸徑（mm）；

P—軸所傳遞的功率（40 W）；

A—與材料有關的系數，選用40Cr，系數值為4.6；

ω—軸的角速度，25 rpm，即2.62 rad/s計算得到，d≥11.4 mm。

此次計算，已經將彎矩的影響考慮在內，由于本次設計彎矩很小，故減速機輸出軸徑10 mm即可滿足強度要求。

被動齒輪A、B與噴灑機構一起轉動，傳遞動力的最小直徑是內孔，內孔直徑為34 mm，滿足強度要求。

介輪A、B的固定軸不轉，即軸承外圈轉動，計算強度應以分度圓直徑為準。介輪A分度圓直徑為26 mm，介輪B的分度圓直徑為40 mm，滿足強度要求。

5 田間試驗

為了驗證齒輪傳動擺動噴灑機構的噴灑效果，2020年10月12日，對3WP-200型小型智能植保機器人樣機進行了噴灑初步試驗。試驗地點是淄博市博山區源泉鎮天津灣西村獼猴桃種植基地。試驗地塊平整，獼猴桃樹行間鋪設了地磚塊，行距為3m，獼猴桃已經摘除，只對獼猴桃樹枝葉進行農藥噴試驗。試驗樣機及試驗場地見圖9。

田間試驗表明，齒輪傳動噴灑擺動機構運轉平穩，效果良好。

圖9 試驗樣機和試驗場地

6 結語

1）植保機噴灑擺動機構采用齒輪傳動，取代連桿擺動機構，齒輪傳動連續，電機負荷平穩，擺動機構尺寸緊湊，克服了連桿機構存在的死點、急回運動特征、尺寸大等缺點。

2）田間試驗表明，齒輪傳動噴灑擺動機構運轉平穩，提高了農藥的噴灑質量，降低了農藥的噴灑數量，有利于實現化肥減量提效，減輕對土壤及空氣的污染。