果園仿形風(fēng)送噴霧機構(gòu)設(shè)計與試驗*＊

房開拓，周良富，尤麗華

(1.宿遷學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇宿遷，223800；2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)工程技術(shù)實訓(xùn)中心，南京市，210039；3.江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇無錫，214122)

0 引言

風(fēng)送噴霧是當(dāng)前果園施藥最常用的施藥技術(shù)。目前，果園風(fēng)送噴霧中的氣流道形式主要有環(huán)向出風(fēng)式、塔式、柔性管多頭式和獨立圓盤式等，這些風(fēng)送裝置由果樹種植的特定模式而設(shè)計，機具的噴霧頭大都固定于機架上，風(fēng)送噴霧裝置不能根據(jù)果樹的位置進行調(diào)節(jié)，造成沉積在葉片單位面積上的藥液極不均勻，導(dǎo)致局部過量噴施和防治效果不佳現(xiàn)象，嚴(yán)重影響果品品質(zhì)。

噴霧距離是影響噴霧效果的重要技術(shù)參數(shù)之一，根據(jù)果樹冠層結(jié)構(gòu)實時調(diào)節(jié)噴霧距離，實現(xiàn)對冠層的仿形噴霧是廣大學(xué)者研究的熱點課題。Osterman等[1]設(shè)計風(fēng)送噴霧幾何位置在線調(diào)節(jié)裝置及其控制算法，該裝置顯著提高農(nóng)藥有效利用率，降低農(nóng)藥飄移。宋淑然等[2]設(shè)計果園柔性對靶噴霧樣機，測試了不同控制方式下的霧滴沉積率，結(jié)果顯示最高霧滴沉積率達到88.4%；周良富等[3]針對籬笆型果樹特點，設(shè)計一種仿形噴霧架，通過驅(qū)動電動絲桿實現(xiàn)霧化器的上下左右調(diào)節(jié)，試驗結(jié)果得出組合噴霧執(zhí)行裝置完成升降、伸縮和旋轉(zhuǎn)的時間分別為51.3 s、50.5 s、26.5 s，但該裝置依然難以實現(xiàn)噴霧位置的在線調(diào)節(jié)。Zaman等[4]研制了雙臂式機械結(jié)構(gòu)與單片機控制的仿形噴霧試驗樣機，可以適應(yīng)不同噴霧對象；Tumbo等[5]采用自適應(yīng)模糊控制算法，設(shè)計一種以單片機為核心的非接觸式仿形噴霧位置控制系統(tǒng)；李杰[6]研制仿形噴霧樣機，得出不同噴霧距離下霧滴的運動特性，霧滴除了在果樹底部分布較少，其余部位分布更均勻；李龍龍等[7]研發(fā)基于變風(fēng)量與變噴霧量的果園自動仿形噴霧機，實時調(diào)整噴霧頭流量和送風(fēng)速度實現(xiàn)仿形變量噴霧；房開拓[8-9]設(shè)計一種結(jié)構(gòu)上能夠?qū)麡錁涔趯崿F(xiàn)多自由度、立體式仿形機構(gòu)，滿足不同種類果樹施藥需求。

以上研究初步實現(xiàn)了風(fēng)送仿形噴霧，農(nóng)藥有效利用率得到提高，為本研究提供理論基礎(chǔ)與試驗指導(dǎo)。但這些機具可調(diào)的空間位置都相對單一，無法根據(jù)果樹實際形貌調(diào)整噴霧頭位置和姿態(tài)，難以獲得最佳噴霧距離和噴霧方向。本文從如何提高噴霧機構(gòu)柔性入手，研究果樹仿形施藥過程，重點考慮霧化器空間位姿調(diào)節(jié)功能，設(shè)計多自由度仿形多桿機構(gòu)，以提高冠層霧滴沉積特性為目標(biāo)，開展機構(gòu)優(yōu)化、理論分析與試驗驗證等研究，以期為噴霧機具研發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 仿形噴霧實施方案

1.1 機構(gòu)性能設(shè)計

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)紡錘形果樹的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定仿形機構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍等工作特性，實現(xiàn)噴霧位置和噴霧方向的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，具體要求的技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical specifications

1.2 仿形原理

仿形噴霧是根據(jù)果樹冠層結(jié)構(gòu)形狀，實時調(diào)節(jié)噴霧頭的空間位置和姿態(tài)，使得霧流最大范圍流向樹冠，從而實現(xiàn)單次農(nóng)藥噴施過程中冠層的全覆蓋。

單側(cè)噴霧仿形機構(gòu)如圖1揚示，主要包括執(zhí)行電機、絲桿螺母機構(gòu)、仿形推桿機構(gòu)、直線軸承、圓盤式霧化盤、連桿、底座和支承架。仿形架整體可通過電機驅(qū)動絲桿螺母機構(gòu)實現(xiàn)大幅度橫向平移和垂直升降，通過控制各仿形推桿的伸長量來調(diào)整機構(gòu)形狀及霧化盤位置。作業(yè)過程中，首先根據(jù)實際果樹冠幅尺寸，調(diào)節(jié)橫向和升降絲桿螺母機構(gòu)，使得噴霧頭處于合適位置，再精確調(diào)整各仿形推桿伸縮量，保證理想噴霧距離。絲桿螺母平移機構(gòu)結(jié)合多段仿形推桿可以實現(xiàn)大幅度、多角度調(diào)節(jié)各霧化盤空間位置，達到柔性仿形、精準(zhǔn)噴施目的。

圖1 機構(gòu)仿形示意圖Fig.1 Mechanism profiling diagram

2 機構(gòu)設(shè)計

2.1 仿形機構(gòu)總體設(shè)計

仿形機構(gòu)是噴霧機實施作業(yè)的核心部件，應(yīng)當(dāng)綜合考慮樹冠仿形效果、系統(tǒng)剛性及工作穩(wěn)定性。

機構(gòu)總體設(shè)計如圖2揚示，總體結(jié)構(gòu)為多自由度對稱式二級搖臂機構(gòu)，并固定安裝于牽引式拖車上。

圖2 仿形機構(gòu)樣機模型Fig.2 Prototype model of profiling mechanism

機構(gòu)左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)上完全對稱，仿形機構(gòu)單側(cè)具有多個自由度，將每側(cè)3個霧化盤安裝于機構(gòu)關(guān)節(jié)處，通過驅(qū)動電機或者改變仿形推桿的伸長量以此調(diào)節(jié)霧化盤與樹冠之間的距離和角度，從而獲得最佳噴霧參數(shù)。

2.2 仿形作業(yè)的具體實施

如圖1揚示，水平安裝的絲桿螺母機構(gòu)在步進電機驅(qū)動下，可以實現(xiàn)整個右側(cè)機構(gòu)水平方向大幅度直線平移；豎直安裝的絲桿螺母機構(gòu)在步進電機驅(qū)動下，可以實現(xiàn)整個右側(cè)機構(gòu)上下大幅度升降；2個水平安裝的仿形推桿，伸長量的組合變化能夠調(diào)節(jié)圓盤式霧化器的位置和姿態(tài)；高位仿形推桿的伸縮變化可以調(diào)整頂部圓盤式霧化器的位置；直線軸承能夠在連桿和仿形推桿外壁滑動。機構(gòu)左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)完全對稱，原理相同。

總之，通過驅(qū)動水平和豎直方向的電機組合，結(jié)合各個仿形推桿伸縮，即調(diào)節(jié)每個霧化盤空間位姿，實現(xiàn)仿形作業(yè)。

2.3 仿形推桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿形推桿是將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為推桿直線往復(fù)運動的裝置，主要包括端部法蘭、推桿、推桿端蓋、直線軸承、軸承端蓋、軸承座、圓錐滾子軸承、平鍵蝸輪等，如圖3揚示。

圖3 仿形推桿結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of profiling push rod

絲桿在步進電機驅(qū)動下同步轉(zhuǎn)動，同時螺母在導(dǎo)軌內(nèi)往復(fù)直線運動。仿形推桿的最大行程為800 mm，機構(gòu)最大的軸向推力為1 500 N，其最大的空載轉(zhuǎn)速為25 mm/s。

2.4 推桿機構(gòu)調(diào)節(jié)設(shè)計

仿形推桿內(nèi)步進電機與推桿同軸安裝，推桿端部與中空鋼管型材采用法蘭聯(lián)接，如圖4揚示。仿形機構(gòu)通過仿形推桿的伸縮調(diào)節(jié)噴霧頭位置，推桿與連桿外壁之間的聯(lián)接要求穩(wěn)定，推桿伸出端既需要轉(zhuǎn)動副又需要移動副。

圖4 推桿與型材聯(lián)接Fig.4 Connection of push rod and section bar

為了減少摩擦力，使得推桿與連桿外壁能夠光滑移動，采用帶法蘭的直線軸承與套筒安裝的結(jié)構(gòu)[10]，如圖5揚示。

圖5 直線軸承聯(lián)接Fig.5 Connection of linear bearing

2.5 轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

仿形機構(gòu)的轉(zhuǎn)向裝置選用蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，如圖3揚示，其設(shè)計參數(shù)與選型應(yīng)根據(jù)執(zhí)行裝置的運行速度確定，旋轉(zhuǎn)角速度、平移速度與蝸輪蝸桿參數(shù)[11]如式（1）～式（4）。

式中：n1——蝸桿即步進電機轉(zhuǎn)速，r/min；

z1——蝸桿頭數(shù)；

z2——蝸輪齒數(shù)；

n2——絲桿轉(zhuǎn)速，r/min；

δ——絲桿螺距，m；

v2——平移速度，m/s；

d1——蝸桿分度圓直徑，m；

d2——蝸輪分度圓直徑，m；

m——模數(shù)，m=4；

q——直徑系數(shù)，q=10。

噴霧機構(gòu)在停止工作時，旋轉(zhuǎn)裝置向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°，完成該動作額定時間為15 s，即蝸輪轉(zhuǎn)速為1 r/min。為了實現(xiàn)自鎖功能，選取分度圓導(dǎo)程角為5°，蝸桿頭數(shù)z1=1，因此蝸輪齒數(shù)z2=40，蝸桿分度圓直徑d1=40 mm；蝸輪分度圓直徑d2=160 mm。

2.6 仿形推桿電機選型

電機的計算轉(zhuǎn)矩Teq取最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1和快速啟動時空載轉(zhuǎn)矩Teq2二者中的較大值[12]。

式中：Tt——最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；

Tf——電機軸摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；

T0——附加摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；

Ff——進給方向最大載荷，F(xiàn)f=370 N；

Fc——垂直方向載荷，F(xiàn)c=370 N；

G——運動部件的總重，G=300 N；

Ph——絲桿導(dǎo)程，Ph=5 mm；

FYJ——滾珠絲桿的預(yù)緊力，F(xiàn)YJ=123 N；

μ——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，μ=0.18；

i——傳動比，i=1；

η——傳動鏈總效率，η=0.7；

η0——絲杠未預(yù)緊傳動效率，η0=0.9；

Jeq——總轉(zhuǎn)動慣量，Jeq=0.098 kg·cm2；

nm——步進電機轉(zhuǎn)速，nm=60 r/min；

ta——步進電機加速揚用時間，ta=1 s；

Tamax——最大加速轉(zhuǎn)矩，N·m。

揚以計算轉(zhuǎn)矩Teq為0.782 N·m，取安全系數(shù)K為2.5，KTeq為1.7。該系統(tǒng)選用兩相步進電機，型號為90BF003。機構(gòu)的推桿電機供電電壓為24 V，工作電流為5 A，工作時最大靜轉(zhuǎn)矩為1.96 N·m，其轉(zhuǎn)動慣量為0.6 kg·cm2。

3 仿形機構(gòu)運動學(xué)分析

3.1 機構(gòu)數(shù)學(xué)模型

為了研究柔性仿形噴霧機構(gòu)運動模型，優(yōu)化噴霧點的運動學(xué)和動力學(xué)特性，從而獲得最佳的作業(yè)區(qū)域，將柔性仿形機構(gòu)抽象為計算模型[13]，具體模型如圖6揚示。

圖6 機構(gòu)數(shù)學(xué)模型Fig.6 Mathematical model of mechanism

3.2 噴霧點運動學(xué)方程

圖7為連桿機構(gòu)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系模型，其單側(cè)3個霧化器（噴霧點）安裝位置分別為點C、點D、點E，同時，建立坐標(biāo)系和各個點的坐標(biāo)位置，其中，坐標(biāo)系中數(shù)值單位為mm。

圖7 連桿機構(gòu)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系Fig.7 Joint coordinate system of linkage mechanism

其中O0（650，250），連桿的長度ai、連桿扭角αi、關(guān)節(jié)變量角θi和偏置量di，關(guān)節(jié)連桿變換參數(shù)如表2揚示[14]。

表2 連桿變換參數(shù)Tab.2 Parameters of connecting rod transformation

坐標(biāo)系｛i｝到｛i-1｝的變換矩陣

將表2變換參數(shù)帶入式（11），得

D點的運動學(xué)方程為：SD=，即

噴霧點E的運動學(xué)方程

SE=，即

其中，d3為仿形推桿DE的伸長量，0 mm≤d3≤800 mm，32.3°≤γ1≤69.8°，10.9°≤γ2≤49.3°。

3.3 仿形機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

仿形機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)是在現(xiàn)有的約束條件下，調(diào)整兩個水平放置的仿形推桿初始安裝位置，使得噴霧點D、E具有較大的工作空間[15-16]，因此需綜合考慮工作空間和受力，尋求圖6中O1（XO1、YO1）的最佳安裝位置YO1的值。

在ADAMS中采用關(guān)鍵點參數(shù)化的方法構(gòu)建機構(gòu)模型和目標(biāo)函數(shù)[17]，以此進行O1點的位置優(yōu)化。在保證機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)整周轉(zhuǎn)動前提下，測得YO1的范圍為225 mm≤YO1≤275 mm。設(shè)YO1的初始值為225 mm，最大值為275 mm，進行間距為5 mm的仿真試驗，其數(shù)值如表3揚示。其中，DisXmax、DisXmin分別為E點橫坐標(biāo)的最大值、最小值，DisYmax、DisYmin、分別為E點縱坐標(biāo)的最大值、最小值，ΔDis_X、ΔDis_Y分別為E點水平、豎直方向行程，單位為mm。FMmax、FMmin為D點受合外力的最大值、最小值，單位為N。

表3 推桿O1B的位置對點E位移及點D處受力影響Tab.3 Influence of the push rod O1B position on the displacement at point E and the force at point D

研究表3可以發(fā)現(xiàn)，隨著YO1取值增加，點D的受力大大減小，YO1取值為245 mm時，F(xiàn)orce_D迅速突變?yōu)?30.58 N，YO1繼續(xù)增加后一直處于平穩(wěn)數(shù)值，F(xiàn)orce_D緩慢變化。為了盡量增加工作范圍，選擇YO1的數(shù)值為250 mm作為仿形推桿的豎直安裝位置。噴霧點E的最大水平坐標(biāo)為1 454.5 mm，最大豎直坐標(biāo)為1 501.5 mm，橫向和縱向調(diào)節(jié)量分別為445.4 mm和30.4 mm，點D受到最大力為338.94 N。橫向和縱向可調(diào)節(jié)最大值分別為695.4 mm、680.4 mm，噴霧機單側(cè)最大作業(yè)高度和寬度分別為2 951.5 mm、1 704.5 mm（水平250 mm和豎直650 mm疊加后），如表4揚示?？梢钥闯觯{(diào)節(jié)范圍可以滿足前文揚述設(shè)計要求，且機構(gòu)受力平穩(wěn)，工作可靠。

表4 優(yōu)化后變量最優(yōu)解Tab.4 Optimal value of variables after optimization

4 性能試驗分析

為了分析仿形機構(gòu)噴霧效果，現(xiàn)場測試了樣機的性能參數(shù)[18]，包括各關(guān)節(jié)的工作行程、響應(yīng)時間等，并進行冠層覆蓋率試驗。

4.1 機構(gòu)響應(yīng)特性測試

仿形機構(gòu)整體平移幅度、速度和穩(wěn)定性等是衡量噴霧機重要參數(shù)，而各個關(guān)節(jié)伸縮運動性能則是能否實現(xiàn)仿形的關(guān)鍵[19]。

試驗過程中，分別測量整體仿形架橫向、縱向平移至最大位移處的時間，再測得各關(guān)節(jié)仿形推桿完全展開的時間，反復(fù)3次，取平均值如表5揚示。執(zhí)行過程中，機構(gòu)運行平穩(wěn)，無明顯振動或電機堵轉(zhuǎn)，滿足預(yù)計仿形功能。

表5 運動性能參數(shù)Tab.5 Kinematic performance parameters

4.2 仿形噴霧沉積效果測試

4.2.1 試驗條件

為了驗證仿形噴霧效果，比較固定噴霧和仿形噴霧作業(yè)效果（圖8），對比試驗于浙江省臺州試驗示范基地進行，試驗過程中環(huán)境溫度14℃～21℃，空氣濕度為66%，陣風(fēng)速度0.8～2 m/s。試驗對象為兩排直線排布的印度茉莉，樹高平均2.2 m，行距4 m，株距2 m，葉面積平均32 cm2。

圖8 固定位置噴霧與仿形噴霧Fig.8 Fixed position spray and profiling spray

噴霧機由東風(fēng)500拖機牽引，以0.82 m/s勻速行駛，風(fēng)機轉(zhuǎn)速1 340 r/min，噴霧壓力0.5 MPa，每個霧化器裝有8個噴霧頭，每側(cè)3個霧化器，計24個噴霧頭進行現(xiàn)場試驗。

4.2.2 試驗方法

選定位于每行中間的2棵樹作為霧滴采樣對象，設(shè)定如圖9揚示的采樣點，各點高度距離地面分別為0.5 m、0.85 m、1.2 m、1.5 m和1.8 m，左右分居樹干兩側(cè)0.3 m。采樣點正反面固定水敏試紙，試驗結(jié)束后，將水敏試紙風(fēng)干編號，測得覆蓋率（3次平均值）。

圖9 試驗方法及過程Fig.9 Test method and process

4.2.3 試驗結(jié)果

采用Depositscan軟件讀取水敏試紙中霧滴覆蓋率。樹冠分割為5行3列共15個測量點，每個點正反面分別測量，開展固定噴霧與仿形噴霧對比試驗，結(jié)果如表6。覆蓋率平均值從左向右呈減小趨勢，縱向自下而上呈上升趨勢；固定噴霧整體霧滴覆蓋率平均值為29.97%，變異系數(shù)平均值為39.05%，而仿形噴霧覆蓋率平均值為43.85%，變異系數(shù)平均值為26.63%，表明相同工況下，仿形噴霧的霧滴覆蓋率高于固定位置噴霧，霧滴分布更為均勻有效。

表6 固定噴霧與仿形噴霧冠層霧滴覆蓋率Tab.6 Spray coverage of fixed spray and profiling spray

5 結(jié)論

揚設(shè)計的柔性仿形噴霧機構(gòu)，通過理論分析、運動學(xué)仿真和試驗，得到主要結(jié)論如下。

1）基于果園施藥仿形低量噴霧思想，設(shè)計一種三自由度對稱式兩級搖臂施藥機構(gòu)，構(gòu)建其數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，并推導(dǎo)出各噴霧點運動學(xué)方程。通過運動仿真和現(xiàn)場試驗驗證，柔性仿形機構(gòu)可以滿足仿形噴霧的技術(shù)要求。其單側(cè)最大仿形高度和寬度分別為2 951.5 mm、1 704.5 mm，橫向和縱向可調(diào)節(jié)最大值分別為695.4 mm、680.4 mm，運行過程中鉸接點處受力最大為338.94 N。

2）機構(gòu)的響應(yīng)特性結(jié)果顯示，柔性仿形機構(gòu)運行穩(wěn)定，水平伸縮全程時間為12.5 s，升降全程時間為36.2 s，單一推桿全程平均時間約19.2 s。

3）噴霧沉積特性試驗結(jié)果表明，仿形噴霧覆蓋率達43.85%，變異系數(shù)平均26.63%，優(yōu)于固定噴霧整體霧滴覆蓋率平均值為29.97%，變異系數(shù)平均39.05%。