一種智能遙控變軌式噴桿噴霧機的設計*

鄧文平 ，王斌斌 ，何 林 ，劉 華

（1.廣東弘科農業機械研究開發有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣東省現代農業裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

我國菠蘿栽培主要集中在臺灣、廣東、廣西、福建、海南等省份，菠蘿植株所需要的氮肥有15%～25%從葉面施肥中獲得，75%～85%從土壤施肥中獲得[1]。部分菠蘿種植地區季節性干旱使得在土壤中施肥時間不確定和肥料利用率不高[1]。而當菠蘿植株長高后，植株間葉面間隙小，施土壤肥作業復雜，噴施葉面肥能更好促進肥料吸收，有利于促進植株和果實生長[2-3]。針對大面積種植菠蘿噴藥或施葉面肥作業，如果采用無人機噴藥或施葉面肥作業，由于無人機飛行速度快，噴霧受氣流影響，藥物或葉面肥依附作物表面不夠完全[4]。傳統的田間手工噴霧方式勞動強度大，作業效率不高。若采用通用的輪式自走噴桿噴霧機作業，行走軌距受菠蘿植株壟距限制，容易導致壓苗等問題。目前菠蘿噴藥或施葉面肥等田間管理作業以人工為主，并結合機械設備輔助完成[5]。

菠蘿田間作業需要行走在壟與壟間的凹溝通道，而菠蘿植株葉片較硬甚至帶刺，菠蘿植株長高后相鄰壟間植株間隙很小，人行走在壟間通道作業勞動強度大，工作效率不高。因此，本研究針對大面積菠蘿種植人工噴藥或施葉面肥作業勞動強度大、效率低等問題，根據菠蘿種植的特點，設計了一種智能遙控變軌式噴桿噴霧機。應用智能遙控變軌式噴桿噴霧機在菠蘿田間噴藥或施葉面肥等作業，無需人員下地工作，通過遠程無線遙控噴桿噴霧機即可完成，可有效避免菠蘿帶刺葉片及噴霧對人的傷害，大大促進菠蘿種植機械化智能化發展。

1 機具總體結構

智能遙控變軌式噴桿噴霧機由噴桿噴霧系統、行走底盤系統、遙控系統組成，總體結構如圖1所示。行走底盤系統包括液壓驅動、底盤液壓升降及變軌、履帶輪系等部件。噴桿噴霧系統包括噴桿升降及展收、噴霧動力及管路等部件。遙控系統包括攝像頭、電控箱、傳感器、遙控器等部件。根據噴桿噴霧機應用環境，為避免噴霧對整機上監控攝像頭霧化影響，將噴桿噴霧機動力部分布置在機器前進方向前側，噴桿部分布置在機器前進方向后側。

圖1 智能遙控變軌式噴桿噴霧機總體結構

2 機具工作原理

噴桿噴霧機底盤采用履帶式液壓傳動型式，液壓原理如圖2所示。液壓系統由電啟動汽油發動機帶動變量泵組為馬達提供液壓動力，變量泵與馬達構成閉式系統，當變量泵流量控制擺臂處于零位則液壓制動[6]。串聯的變量泵組分別給左右馬達提供液壓動力。通過直流電機控制泵組上的擺臂調節左右馬達的輸出轉速，從而可以對底盤前進后退與轉向進行操控。

圖2 智能遙控變軌式噴桿噴霧機液壓原理

噴桿噴霧機噴霧系統原理如圖3所示，噴霧系統由電啟動汽油機通過電磁離合器及皮帶與水泵帶輪連接傳動，噴霧系統通過直流電機控制調壓閥調節系統壓力，通過壓力和流量傳感器反饋噴霧系統參數到遙控器。噴霧機噴桿分三段，在三路水路中采用電磁球閥分別控制管路的開啟和關閉。兩側的噴桿通過電動推桿實現展收。噴霧機噴霧高度可以通過液壓升降油缸調節。噴霧系統通過速度傳感器獲取整機速度數據，控制器根據速度信號發出指令驅動調壓閥控制電機，實現噴霧壓力自動調節，從而改變噴頭流量，以確保植株噴霧量均勻。

圖3 智能遙控變軌式噴桿噴霧機噴霧系統原理

遙控系統控制邏輯如圖4所示，遙控系統通過電子液位傳感器、水路壓力和流量傳感器、接近開關、速度傳感器、全景攝像頭等元件采集噴霧機數據和信號，傳輸到遙控器。噴霧機作業人員從遙控器顯示界面可以掌控機器作業狀態，并根據機器運行狀態發出操作指令。

圖4 智能遙控變軌式噴桿噴霧機遙控系統控制邏輯

3 技術參數

根據菠蘿種植環境及噴藥與施葉面肥作業調研，為適應菠蘿全程機械化智能化發展要求，研究設計智能遙控噴桿噴霧機，主要技術參數如表1所示。

表1 智能遙控變軌式噴桿噴霧機主要參數

4 關鍵部件設計

4.1 行走底盤系統

底盤上部平臺采用雙液壓缸實現升降行程200 mm，整機設計總重量900 kg，藥箱裝載量800 kg，發動機功率9 kW，水平路面行駛最大速度5 km/h，最大行駛坡度25%，上坡最大行駛速度2 km/h，最大轉向速度1.5 km/h，底盤離地高度800 mm～1 000 mm，軌距900 mm～1 600 mm。

4.1.1 動力性能

底盤動力傳動路線如圖5所示。發動機通過V帶帶動變量液壓泵組，為馬達提供液壓傳動力，馬達通過鏈條及驅動輪驅動履帶行走。

圖5 底盤動力傳動路線圖

底盤平路行走最大阻力：

式中，M總為整機滿載總重量1 700 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；μ為滾動摩擦系數，取0.11[7]。

底盤25%坡面行走最大阻力：

式中，M總為整機總重量1 700 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；α為坡度，取14°；μ為滾動摩擦系數，取0.11[7]。

不考慮風阻等，由式（1）、式（2）得行走最大阻力Ff1=1 833 N，Ff2=5 891 N。

最大轉向阻力：

式中，M總為整機總重量1 700 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；λ1為單側重載履帶承載系數，取0.7；μ0為轉向阻力系數，取0.8[7]。

由式（3）得最大轉向阻力Ff3=9 330 N

最大牽引功率：

式中，Ff2為上坡最大阻力；V1為上坡最大速度，取0.556 m/s；a為牽引加速度，取0.5 m/s2。

由式（4）得最大牽引功率P1=3.7 kW。

最大轉向功率：

式中，Ff3為轉向最大阻力；V2為轉向最大速度，取0.42 m/s。

由式（5）得最大轉向功率P2=3.92 kW。

功率富裕系數：

式中，P0為發動機功率，取9 kW；μ1為V帶機械傳動效率，取0.96；μ2為液壓傳動效率，取0.6；μ3為鏈傳動效率，取0.96；P2為最大轉向功率。

由式（6）得功率富裕系數η=1.27。

4.1.2 穩定性能

底盤前后傾翻分析如圖6所示，建平衡方程：

圖6 底盤傾翻分析簡圖一

式中，G為整機重量；θ1為傾翻臨界角度，°；H1為重心處平行坡面分力力臂，根據計算取1 012 mm；L1為重心處垂直坡面分力臂，根據計算取628 mm。

由式（7）得θ1=31.8°＞14°。

底盤左右傾翻分析如圖7所示，建平衡方程：

圖7 底盤傾翻分析簡圖二

式中，G為整機重量；θ2為傾翻臨界角度，°；H2為重心處平行坡面分力力臂，根據計算取917 mm；L2為重心處垂直坡面分力臂，根據計算取470 mm。

由式（8）得θ2=27°＞14°。

4.1.3 底盤變軌性能

底盤變軌采用液壓油缸變軌模式，液壓油缸選用HSG40×25×700。液壓油缸變軌行程700 mm。

變軌最大阻力：

式中，M總為整機總重量1 700 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；λ2為單側履帶承載系數，取0.5；μ4為靜摩擦阻力系數，取0.8。

由式（9）得Ff4=6 664 N。

液壓油缸壓力：

式中，D為油缸內徑，取40 mm；d為油缸桿徑，取25 mm。

由式（10）得P3=8.7 MPa，安全系數為1.8。

4.2 噴桿噴霧系統

噴霧機噴桿采用液壓油缸驅動平行四邊形機構實現升降，采用電動推桿實現展收。藥箱容積800 L。菠蘿施葉面肥10 g/L尿素+2 g/L磷酸二氫鉀混合溶液，一次一株約20 mL[8]。

4.2.1 藥箱容積

每畝地施葉面肥量：

式中，N為每畝地植株數，取4 000株。

由式（11）得V=80 L/畝。

藥箱容積800 L能滿足10畝地施肥能力。

4.2.2 噴頭流量

設計噴桿長度7.5 m、噴頭間距0.5m、16個110°扇形噴頭，噴頭噴霧高度0.5 m時噴幅8.9 m，噴桿噴幅示意圖如圖8所示，噴霧常用工作速度為1.5 km/h。

圖8 噴桿噴幅示意圖

單個噴頭常用流量：

式中，V為每畝地施葉面肥量，取80 L/畝；A為噴桿噴幅，取8.9 m；ν為速度，取25 m/min。

由式（12）得單個噴頭常用流量Q1=1.66 L/min。

4.2.3 水泵及動力匹配

水泵流量：

式中，Q1為單個噴頭常用流量，取1.66 L/min；η1為水泵總效率，取0.7。

由式（13）得Q2=38 L/min。

水泵選型：流量38 L/min，轉速800 r/min～1 000 r/min，壓力7 MPa，功率5 kW。因噴霧機常用工作壓力范圍為0.3 MPa～1.5 MPa，匹配汽油發動機功率4.2 kW，轉速為1 800 r/min。

電磁離合器扭矩：

式中，P4為水泵傳動發動機功率，取4.2 kW；n1為發動機帶輪轉速，取1 800 r/min。

由式（14）得M1=22.3 N·m。

電磁離合器選型DDL3-40，最大扭矩40 N·m，安全系數為1.8。

4.2.4 電磁球閥及電動調壓閥

噴桿噴霧分為左、中、右三路水路，分別用電磁球閥控制三路水路開啟和關閉。調壓閥采用直流電機控制機構控制壓力調節，調壓閥調節最大壓力為1.6 MPa，噴霧最大工作壓力設計為1.5 MPa。

4.3 遙控系統

4.3.1 遠程監控

360°全景技術在家居、汽車、糧食儲存加工等領域有了廣泛應用[9-10]。通過360°全景技術監控噴桿噴霧機狀態，作業人員可以在遙控器顯示界面觀察噴霧機前進、后退、噴桿升降及展收、噴桿噴霧等狀態。而噴桿升降、展收在極限位置可以通過接近開關限位，到位后遙控器顯示到位信號。遙控器遠程控制距離在200 m以上。

4.3.2 智能變量噴霧

噴霧機設計智能變量噴霧系統，噴桿噴霧機隨著速度的改變，自動調節噴霧壓力，使噴頭噴霧流量滿足每畝施肥量要求，確保每畝植株施肥量為設定值。目前噴霧可變量技術分為：基于地圖信息的可變量技術和基于實時傳感器的可變量技術[11-12]。

鑒于噴桿噴霧機作業速度慢，采用實時傳感器獲取速度信號。智能變量噴霧控制系統框圖如圖9所示。通過轉速傳感器從底盤行走驅動輪獲取速度信號，從水路中獲取壓力和流量信號，通過控制器驅動調壓閥控制電機調節水路系統壓力。

圖9 智能變量噴霧控制系統框圖

根據噴頭廠家噴嘴試驗數據作出噴嘴流量與壓力關系曲線圖，如圖10所示。

圖10 噴嘴流量與壓力關系曲線圖

工作壓力范圍2 bar～15 bar時，單個噴嘴流量與壓力曲線關系等效為二次函數：

式中，x為水路壓力，MPa。

速度與單個噴嘴噴霧流量關系：

式中，V′為設定噴霧流量，L；A為噴幅，取8.9 m；D′為驅動輪直徑，m；n′為速度傳感器轉速信號，r/min。

根據式（15）、式（16）、式（17），可以確定轉速與壓力的關系，從而使控制器根據轉速傳感器速度信號對調壓閥電機進行噴霧壓力調節，確保噴頭噴霧流量滿足每畝施肥量設定值要求。

4.3.3 傾斜報警系統

噴桿噴霧機底盤平臺上安裝傾角傳感器，在控制程序中設定報警傾角值，超過設定值后，平臺上報警器和遙控器上報警提示，超過傾翻極限值則噴霧機限制運行，除非解除限制強制運行。

5 結論

智能遙控變軌式噴桿噴霧機可以根據菠蘿種植壟距不同改變履帶行走軌距；噴桿噴霧機噴霧系統能夠根據噴霧機行駛速度實現變量噴霧；智能遙控變軌式噴桿噴霧機可以通過攝像頭將噴桿噴霧機作業實時監控信息反饋于遙控器顯示界面，作業人員可以通過遙控器遠程操控作業，大大降低勞動強度，促進菠蘿種植機械化智能化發展。