丘陵山區(qū)果園植保機(jī)械設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

黃 華, 黃玉芳, 楊光龍

(貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院, 貴陽 551400 )

我國是世界上最大的水果生產(chǎn)國和出口國[1],果樹病蟲害防治已成為決定果品產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一[2],我國丘陵山區(qū)省份作為水果的主要產(chǎn)區(qū),因地勢特性(坡度大、地塊小、埂和碎石較多)導(dǎo)致大型植保機(jī)械無法作業(yè)[3],而輕小型植保機(jī)械因研發(fā)難度大、推廣難、利潤低,導(dǎo)致國內(nèi)丘陵山區(qū)植保技術(shù)落后,機(jī)械單一,農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合差[4]。因此,植保機(jī)械研發(fā)供給嚴(yán)重不足導(dǎo)致果園機(jī)械化率低成為制約水果產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效的主要瓶頸[5]。

為改善果園植保作業(yè)條件,提升我國丘陵山區(qū)果園機(jī)械化水平成為業(yè)內(nèi)共識[6]。近年來,針對丘陵山地的植保機(jī)械研制和應(yīng)用取得了一定的成效,植保無人機(jī)是果園病蟲害防治減少的有效途徑之一,因其不受地形限制[7],噴藥效果好而廣泛應(yīng)用于丘陵山地果品生產(chǎn),但其存在攜藥量少和對操作者技術(shù)要求高等不足;懸掛式果園噴霧機(jī)[8]也是針對丘陵山區(qū)而設(shè)計(jì),必須和拖拉機(jī)配套使用,然而燃油動(dòng)力對環(huán)境有污染,丘陵山區(qū)地塊小作業(yè)調(diào)頭難,也有對施藥者造成人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

本文以丘陵山區(qū)的典型代表貴州省為植保機(jī)械研制的調(diào)研基礎(chǔ),對玉屏、劍河、修文等地黃桃、楊梅、獼猴桃等水果栽植基地的病蟲害防治技術(shù)和設(shè)備現(xiàn)狀開展深入田野調(diào)查,針對丘陵山區(qū)果園現(xiàn)有植保機(jī)械存在的凹凸地面適應(yīng)性不足、小地塊靈活性差、坡度大制動(dòng)性不夠、燃油排放污染環(huán)境等問題,研制了一種基于機(jī)電一體化技術(shù)和智能控制的遙控式果園植保機(jī)械。該設(shè)備設(shè)計(jì)合理,操作簡單,續(xù)航能力可達(dá)10 h以上,藥箱容積200 L,作業(yè)爬坡0°～45°,行走速度0～4.2 km/h,遙控距離1 000 m以內(nèi),并獲得良好的田間試驗(yàn)反饋。

1 植保機(jī)械研制

1.1 整體設(shè)計(jì)與工作原理

通過實(shí)地調(diào)研貴州省玉屏、劍河、修文等縣黃桃、楊梅、獼猴桃等水果栽植基地病蟲害防治現(xiàn)狀,找準(zhǔn)丘陵山區(qū)果園植保機(jī)械存在的短板和不足,針對丘陵山區(qū)凹凸地面適應(yīng)性不足、小地塊靈活性差、坡度大制動(dòng)性不夠、燃油排放污染環(huán)境等問題[9],設(shè)計(jì)適宜于丘陵山區(qū)特性的植保機(jī)械,整機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,底盤離地約0.273 m,外形尺寸長寬高分別為:1.579 m×1.474 m×1.253 m。

圖1 整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

植保機(jī)械由行走系統(tǒng)、噴霧裝置、農(nóng)藥箱以及無線控制設(shè)備等組成[10]。無線控制設(shè)備主要包含人機(jī)交互模塊、位姿解算模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和無線通訊模塊,其中無線通訊模塊發(fā)出的控制指令通過人機(jī)交互模塊對其控制信號進(jìn)行位姿解算,控制信號經(jīng)過信號通道驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng),以完成行走和噴霧植保動(dòng)作。

1.2 主要部件設(shè)計(jì)

1.2.1動(dòng)力蓄電池

針對果園燃油植保機(jī)不僅污染環(huán)境,而且影響果品品質(zhì),零污染無排放的植保機(jī)械是未來植保機(jī)的發(fā)展方向,所研制的植保機(jī)采用2組磷酸鐵鋰電池,電池參數(shù)如表1所示,續(xù)航能力可達(dá)10 h,有效保障植保機(jī)械具有較長作業(yè)時(shí)間。

表1 磷酸鐵鋰電池參數(shù)

1.2.2無刷電機(jī)

行走系統(tǒng)車身[11]兩端配備2個(gè)功率為1 500 W的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轂,以改變植保機(jī)作業(yè)位置,電機(jī)主要參數(shù)如表2所示。此外,采用變速器和電機(jī)組合裝置設(shè)計(jì)制動(dòng)裝置,植保機(jī)在失控的情況下,可以利用變速器和電機(jī)的組合裝置進(jìn)行自動(dòng)制動(dòng),防止車輛在失控的情況下繼續(xù)行駛,起到保護(hù)操作人員、機(jī)器以及藥液的作用。

表2 電機(jī)參數(shù)

1.2.3無線遙控設(shè)備

農(nóng)藥形成的噴霧對施藥者有不同程度的傷害,因此選擇無線遙控器作為植保機(jī)械行走和噴藥作業(yè)的控制設(shè)備。所選用的控制設(shè)備主要性能參數(shù)如表3所示,數(shù)據(jù)可雙向傳輸,電容觸摸屏便于操作,10通道為多類型作業(yè)姿態(tài)提供可能,電壓低于4.2 V時(shí)可實(shí)現(xiàn)低壓報(bào)警[12]。

表3 無線遙控器設(shè)備參數(shù)

1.2.4渦輪螺桿減速器和車架行走系統(tǒng)

無人化和自動(dòng)化是未來植保機(jī)械發(fā)展方向[13],為了契合丘陵山地高低不平和凹凸地勢,需要對植保機(jī)械的剎車穩(wěn)定性、凹凸不平地勢的適應(yīng)性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此,植保機(jī)采用渦輪蝸桿減速器以實(shí)現(xiàn)機(jī)械制動(dòng),蝸桿傳動(dòng)的摩擦特性和自鎖性能導(dǎo)出自鎖條件下可精準(zhǔn)制動(dòng),在45°以內(nèi)的坡度范圍內(nèi),保證植保機(jī)械穩(wěn)定性,不會(huì)出現(xiàn)沖坡自行下滑現(xiàn)象。行走系統(tǒng)的左右車架分開,可根據(jù)地勢進(jìn)行姿態(tài)的自動(dòng)調(diào)整,有效適應(yīng)凹凸地面,車架行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 車架行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.5噴藥系統(tǒng)

噴藥系統(tǒng)采用風(fēng)送式噴霧機(jī)[14],單缸汽油機(jī)動(dòng)力通過皮帶輪傳遞給風(fēng)機(jī)和增壓泵,藥箱里的藥液從輸出管道先受到壓力泵的增壓后再流到風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)慣性力將藥液從噴頭甩出,噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 樣機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方法與步驟

1) 試驗(yàn)方法:模擬丘陵地區(qū)果園栽植環(huán)境,分別選取坡度為10°,20°,30°的三段試驗(yàn)坡,坡道上設(shè)置高約0.25 m的障礙物,準(zhǔn)備一臺植保機(jī)械作業(yè)模擬試驗(yàn),所研制的果園植保機(jī)械測試見圖4。

圖4 植保機(jī)械作業(yè)效果水準(zhǔn)儀測量圖

2) 試驗(yàn)步驟

①用水準(zhǔn)儀、卷尺測量坡道坡度,將植保機(jī)分別置于接近于10°,20°,30°的坡道上,開啟電源開關(guān)。

②用轉(zhuǎn)速表調(diào)節(jié)植保機(jī)行走速度(0～4.2 km/h),通過調(diào)節(jié)壓力泵壓力值來控制植保機(jī)噴藥量(1 000 kPa),讓植保機(jī)沿著斜坡從低向高行走。

③觀察植保機(jī)的噴藥均勻性、霧化效果、噴灑高度、漏藥情況、底盤通過性表現(xiàn),對各試驗(yàn)效果進(jìn)行評分。

④試驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整行走速度及高壓泵壓力值以達(dá)到最佳噴藥效果。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)測試樣機(jī)性能,根據(jù)試驗(yàn)要求和生產(chǎn)實(shí)際情況,遵循少選因素和水平的一般原則[15],經(jīng)全面分析試驗(yàn)選取A行走速度(m/min)和高壓泵壓力值(kPa)兩個(gè)因子,每個(gè)因子設(shè)三個(gè)水平。正交表第三、四列極差較大者所在列為A、B因子的交互作用列,剩余列作空列誤差,因子水平表見表4所示。

表4 植保機(jī)工作因子水平

本試驗(yàn)觀察指標(biāo)有坡度、通過性、穩(wěn)定性、剛性、續(xù)航能力等,如表5所示。植保作業(yè)效果評分如表6所示,各性能指標(biāo)滿分均為10分,得分越高,則各性能表現(xiàn)越好。

表5 植保車作業(yè)觀測指標(biāo)及權(quán)重

表6 植保作業(yè)效果評分

3 結(jié) 論

植保機(jī)械行走部分采用新能源純電動(dòng)動(dòng)力源,實(shí)現(xiàn)綠色零排放無污染,行走系統(tǒng)采用四輪驅(qū)動(dòng),工作時(shí)利用遙控器加接收器完成編程,無級調(diào)速控制電機(jī)驅(qū)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)1 000 m以內(nèi)搖動(dòng)控制左右2個(gè)電動(dòng)差速行走和轉(zhuǎn)向功能,最高時(shí)速可達(dá)4.2 km/h,因采用渦輪螺桿減速器,在0°～45°坡道上能實(shí)現(xiàn)自鎖,即上坡不后退,下坡不前沖,失控或斷電情況能立即停止,保證植保機(jī)安全作業(yè)。

田間試驗(yàn)表明,果園植保機(jī)械行走平穩(wěn),控制精準(zhǔn),凹凸地塊適應(yīng)性較高,具有差速原地調(diào)頭轉(zhuǎn)向特性,渦輪螺桿機(jī)械自動(dòng)制動(dòng)特點(diǎn),病蟲害防治噴藥效果佳等優(yōu)勢,適宜于丘陵山區(qū)果園病蟲害防治。