果樹自動噴藥車設計

西安工業大學機電工程學院 邵林鵬 李嘉玲 萬宏強 趙漢青

許多果園還是人工背著打藥機對果樹進行噴霧防治，其效率低下，在消耗大量勞動力的同時也會危害人的身體健康。本文提出了一款可以在小果園使用、能裝在中小裝載設備上，并且有一定適應能力，可以對不同的果樹進行噴霧的噴藥裝置。該設備能根據樹高選擇噴藥工作模式，通過控制器控制調整水平和豎直電機轉動調整到所需模式，啟動柱塞泵實現噴藥。該設備增加了果樹噴藥的安全性、提高了噴藥效率。

隨著人們生活水平的提高，民眾對水果的需求日益增加，這種需求使得果樹種植面積和產量得到了大幅提高；但目前果樹噴藥裝置自動化程度并不高且效率低下，因此，國內外學者針對自動噴藥設備進行了一系列研究。周良富等研制出一款果園風送式噴霧機，整體結構為門式結構，對靶裝置由步進電機和垂直直線推桿配合直線軌道組成，但是需要工作人員進行人工對靶。盡管這款噴霧裝置可以對兩邊果樹進行全方位噴藥，噴藥效率得到提高，但是目前還未能夠做到自動對靶。市面上的噴霧設備工作性能可靠，只針對特定的果園環境可以達到較好的噴藥效果，但是由于缺少自動對靶裝置，造成了本身自適應能力不足，不能精確識別不同品種果樹的生長狀況。姜紅花等在某款風送式噴霧機中首次使用物聯網技術，利用紅外線傳感器對果樹進行對靶定位，整個系統采用的是開環控制原理，缺少了對定位信息檢測的反饋，因此定位不夠精準。綜上所述，雖然目前在果園噴霧機方面的研究取得一定進展，尤其是在精準對靶、無人機自動噴藥技術應用領域的研究已十分成熟，但機械結構缺乏創新和智能化程度不高、效率不高、性價比低等一系列問題，依然限制了果園噴霧機的普及。

1 總體設計

根據該噴藥裝置的設計要求可以推導出其工作原理，首先噴藥裝置上的傳感器感應到果樹冠層，然后把所得數據傳給控制系統，經過處理之后再由控制系統控制電機和電磁閥的啟動，以控制噴桿和噴頭工作，實現對果樹的噴藥。噴霧機工作原理如圖1所示。

圖1 自動噴霧機原理圖

整個裝置以空心梁構建框架，將藥箱置于中間，前部搭載三缸柱塞泵以及相應的驅動電機，車體尾部通過支撐架搭載噴桿調節裝置。噴桿調節裝置主要由水平滾珠絲杠滑臺和垂直滾珠絲杠滑臺以及收線輪組成。當工作人員操控噴藥裝置進入果園后，可以根據果樹的冠層大小和高低選擇不同的工作模式。水平滾珠絲桿滑臺主要調整噴桿距兩側果樹的距離，以適應不同株距的果樹。垂直滾珠絲桿滑臺則主要調整噴桿的高度，由電機驅動的收線輪則用來調整噴桿的傾斜角度。當果樹植株較矮時，由收線輪將噴桿放平，即為對地噴藥模式。根據果樹的高矮和冠層大小以及株距，可以適當調整噴桿的高度和角度，使其轉為45°噴藥模式和垂直噴藥模式。整個車體本身并不具備動力，噴藥裝置可以搭載在小型牽引設備上，并且整個裝置可以由車載電源提供動力來驅動電機。圖2為噴霧機的結構圖。

圖2 噴霧機結構圖

2 各裝置設計

2.1 噴藥模式變換機構設計

為了提高該噴藥裝置對不同果樹的適應能力，設計出了三種工作模式，即上章所提到的垂直噴藥模式、45°噴藥模式以及對地噴藥模式。噴藥模式變換機構主要由收線輪、固定鉸鏈組成，類似于吊橋的原理，通過收線輪的收放繩索來控制噴桿繞固定鉸鏈的旋轉角度，若噴桿與垂直絲桿平行即為垂直噴藥模式，噴桿與垂直絲桿呈45°夾角即為45°噴藥模式，噴桿與垂直絲桿垂直即為對地噴藥模式。圖3為模式變換機構圖。

圖3 模式變換機構

2.2 噴桿水平與垂直傳動機構設計

該雙向多方位自動噴藥裝置的水平、垂直移動都是通過滾珠絲桿滑臺來實現的，絲杠滑臺都是由相應的步進電機來驅動。因為兩棵相鄰的果樹在其冠層交接處最窄，所以噴桿距離這一點最遠，故此需要更高的速度來接近，則水平絲杠滑臺速度設為v1=80mm/s，而由于相同的果樹植株高矮基本相同，所以垂直絲杠滑臺的移動速度可以不用太快，故將其速度設為v2=20mm/s。圖4所示為水平與垂直傳動系統圖。

圖4 水平與垂直移動機構圖

2.3 噴桿設計

該噴桿采用一條完整的無縫鋼管制作而成，其上共設有八個噴頭，每個噴頭都相距0.2m，這種設計可以使每個噴頭在一定區域噴灑有重疊，保證對果樹的噴霧效果，對于不同的果樹，還可以根據其果樹冠層大小來改變噴桿長度和噴頭數量。噴桿的設計示意圖如圖5所示。

圖5 噴桿設計圖

2.4 輸液機構設計

式(1)中，Ag為高壓防爆管的內孔截面積。

結論：本裝置能夠適應小果園機械作業要求，實現噴藥治理病蟲害，設計合理、原理簡單、使用便捷，可以減少農藥的使用，既節省成本又保護環境。工作效率高效，實現了高效、經濟、節能、環保的要求。