溫室果蔬高效風送施藥車設計

徐瑞峰，張　曼，馮青春，王　秀，趙春江

(1.西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌　712100；2.北京農業智能裝備工程技術研究中心，北京　100097；3.農業部農業信息技術重點實驗室，北京　100081；4.農業智能裝備技術北京市重點實驗室，北京　100097)

0　引言

隨著溫室面積的逐年增加，溫室自動化施藥設備及施藥技術在國內外得到廣泛研制[1]。日本、德國、美國等發達國家研制的一些溫室自動噴藥機器人實現了無人施藥，降低了溫室作業人員的勞動強度，避免了化學藥物對勞動人員的傷害；但作業效率、噴霧均勻性仍有待提高，且輸電裝置，占用空間大，造價較高[2-4]。

國內的一些溫室自動化施藥設備還處于研究階段，性能不穩定，仍需改進推廣[5-8]。國內外的施藥設備主要采用的是噴桿噴霧技術，施藥方式以“大霧量、雨淋式”的噴霧為主，藥液浪費嚴重，污染環境；同時，作物冠層高度較大時，中、下部作物藥液沉積率低[9]。與傳統施藥技術相比，風助施藥能夠使霧滴細化均勻、飄散距離遠、在冠層中穿透力強，從而達到更好的施藥效果[10]。為此，本文結合風送施藥技術和PLC控制技術研發了一套針對溫室黃瓜、番茄類蔬菜施藥的溫室果蔬高效風送施藥車。

1　整機結構與工作原理

1.1　整機結構

溫室果蔬高效風送施藥車主要由軌道式移動平臺、電能輸送裝置、升降噴霧裝置和控制系統組成，如圖1所示。

1.光電傳感器　2.T形絲杠　3.龍門架　4.拖鏈　5.風機　6.噴頭 7.升降平臺　8.控制箱　9.電纜線　10.V形導軌　11.繞線輪 12.電極環　13.軌道車　14.擋板　15.電磁閥　16.球閥　17.藥箱

軌道式移動平臺由軌道車、軌道和擋板組成，軌道車前后兩側設置有紅外光電傳感器，用于檢測軌道兩端終點處設置的固定擋板，用于將軌道車按軌道范圍行駛，外側軌道上安裝有可隨作物行寬調節間距的擋板。電能輸送裝置由繞線輪、排線機構和電極環組成，排線機構利用往復絲杠螺母組隨繞線輪旋轉左右移動使電纜線整齊纏繞在繞線輪上。升降噴霧裝置由龍門架、升降平臺、拖鏈、風機和噴頭等組成，絲杠豎直安裝在龍門架中間位置，由龍門架底部的直流電機帶動旋轉；出口處固定有噴頭的風機安裝在升降平臺上，升降平臺與絲杠螺母緊固并隨絲杠的旋轉沿豎直方向上下移動；拖鏈的兩端固定在升降平臺和龍門架底端，噴頭藥管和風機輸電線置于拖鏈內。控制系統硬件由型號為CPU 224XP CN 的西門子PLC、電機驅動器、繼電器、電源，以及控制器外圍各光電傳感器、限位開關及控制箱上的電源接通按鈕、噴頭升降手動控制按鈕和自動工作啟動按鈕組成，控制著電機、風機及水泵的啟停和主路電磁閥的通斷。

1.2　工作過程

施藥作業時，將繞線輪上的電纜線與溫室的電源插座連接，電源接通后將風機降到龍門架的下方傳感器處，按下控制箱上的自動工作啟動按鈕，施藥車沿軌道行進，行進過程中繞線輪轉動，電纜線伸長。當噴頭與作物行對齊時軌道車停止，水泵、主路電磁閥、風機和驅動絲杠的電機啟動，從噴頭中心射出的液柱被噴頭側壁吹出的高速旋轉氣流吹散形成細小的霧滴，并受風力作用到達作物冠層，因溫室作物每行長度約為6m，霧滴能夠覆著到整行作物上。噴霧過程中，升降平臺沿絲杠上升，上升高度達2m，行程170cm。因此，噴頭可對黃瓜、番茄類作物沿作物冠層高度方向從底部到頂端依次施藥。當龍門架上方的紅外光電限位傳感器檢測到風機時，水泵、主路電磁閥、風機和驅動絲杠的電機停止，軌道車繼續行進，當噴頭到達下一行作物時，軌道車停止，噴頭從上向下對行施藥，重復上述操作，沿各行噴霧。當施藥車對所有的作物行施藥完成后，施藥車繼續行進，當車前端的紅外光電傳感器檢測到軌道末端的擋板時施藥車停止，隨后施藥車沿軌道后退，同時繞線輪反轉，將行進過程中伸出的電纜經排線機構整齊纏繞在繞線輪上。施藥車后退過程中不再進行施藥作業，當車后端的傳感器檢測到軌道前端的擋板時，施藥車停止，至此，施藥車完成所有的工作過程。

2　關鍵部件設計

2.1　軌道式移動搭載平臺

常見的移動搭載平臺分3種：輪胎式、履帶式和軌道式[11]。該移動平臺采用軌道式可使施藥車沿軌道定向移動，平臺搭建簡便，對溫室內地面要求不高，車子運行平穩，機械振動小，如圖2所示。由試驗測得，當施藥車以超過0.4m/s的速度行進突然停車時，升降裝置有輕微晃動。為保證平穩啟動和停車，選定行進速度為0.1～0.3m/s。為便于施藥車行進過程中便于調速和換向選用直流電機[12]，軌道車正常運行時所需功率為450W。由于軌道輪直徑為0.24m，當以最大速度0.3m/s行進時，車輪轉速約為30r/min，因此最終選用重慶茂田機械有限公司生產的有刷直流減速電機，型號為MT23，電機額定功率為500～1 200W，電壓24V，減速比為19:1，并選用型號為DC 48RT50BL-XW的直流電機控制器調節噴霧車的行進速度。為使移動平臺上搭載的電能傳送裝置、藥箱和噴霧升降裝置布局緊湊，通過三維建模將移動平臺尺寸確定為長×寬×高為1 300mm×500mm×300mm。

1.前方停車傳感器　2.車架　3.后橋　4.軌道輪　5.軌道　6.前方擋板 7.后方停車傳感器　8.電線接口　9.側方停車傳感器　10.側方擋板

2.2　電能傳送裝置

為了滿足大功率風機AC220V供電及施藥車行進過程中持續供電需求，設計了一套電能傳送裝置，通過繞線輪上的電纜線傳輸到施藥車上的用電設備，如圖3所示。施藥車前進和后退過程中繞線輪正轉和反轉，實現卷線和放線功能。為便于調控繞線輪的速度，選用型號為86HS35的兩相步進電機和型號為HST2842A的兩相步進電機細分驅動器。為解決電纜線錯亂纏繞的問題，在繞線輪前端設計了一個排線機構，使電纜線整齊排列在繞線輪上。

排線機構采用八字往復絲杠螺母組實現電纜線的位置隨絲杠螺母左右往復移動[13]。該裝置的動力源是步進電機，步進電機通過鏈傳動使繞線輪轉動，繞線輪通過鏈傳動使往復絲杠轉動，絲杠螺母隨絲杠轉動自動左右往復移動。電纜線直徑為8mm，往復絲杠導程為10mm，為使電纜線排列整齊，繞線輪與往復絲杠傳動應滿足如下關系，即

(1)

式中N1—往復絲杠轉速(r/min)；

D—電纜線直徑(mm)；

N2—繞線輪轉速(r/min)；

S—往復絲杠導程(mm)。

1.繞線輪　2.導向光軸　3.上限位開關　4.下限位開關　5.滑輪 6.絲杠螺母　7.電纜線　8.支架　9.八字往復絲杠　10.傳動鏈條 11.軸承座　12.電極環　13.三孔插座　14.步進電機

施藥車前進過程中，步進電機處于斷電狀態，無自鎖，電纜線的張緊力帶動繞線輪轉動，解決了放線問題。當施藥車后退時，步進電機通電轉動，帶動繞線輪轉動。繞線輪轉動過程中電纜線纏繞層數增多，纏繞直徑變大，致使電纜放線端線速度增大，為使電纜線隨車后退回收，必須滿足各層電纜線在繞線輪上的切向速度與施藥車的移動速度相同。實際上，由于電纜線纏繞過程中會發生扭轉，導致繞線輪上每層電纜線的圈數不一致，因此難以實現各層電纜線的切向速度與施藥車的速度相同。

為解決這一問題，在排線機構前方設計了一種矩形框，矩形框可繞排線機構的導向光軸轉動，其上、下各有一個限位開關。當繞線輪轉速過快，穿過矩形框的電纜線張緊，提升矩形框觸碰上限位開關，此時，通過控制器降低繞線輪轉動速度；當繞線輪轉速過慢，電纜線下垂，矩形框下端觸碰下限位開關，此時，通過控制器加快繞線輪轉速。繞線輪以電纜線理論纏繞直徑最大時的轉速為矩形框觸碰上限位開關后的轉速Nmin，以電纜線理論纏繞直徑最小時的轉速為矩形框觸碰下限位開關后的轉速Nmax。

實際要通過輸入到步進電機驅動器的脈沖頻率改變繞線輪的轉速。繞線輪轉速和脈沖頻率的計算公式為

(2)

(3)

式中V—施藥車移動速度(m/s)；

R—電纜線纏繞直徑(m)；

N—繞線輪轉速(r/s)；

f—脈沖頻率(Hz)；

C—步進電機驅動器細分數；

I—傳動比；

θ—步進電機的步進角(°)。

步進電機上的鏈輪與繞線輪上鏈輪傳動比為I=0.33，驅動器細分數為C=4，步進電機步進角為θ=1.8°。在允許的施藥車移動速度范圍內，以最小移動速度Vmin=0.1m/s，電纜線最大繞線半徑0.16m，計算出Nmin=0.1r/s，fmin=242。以最大移動速度Vmax=0.3m/s，電纜線最小繞線半徑Rmin=0.08m，計算出Nmax=0.6r/s，fmax=1 454。

2.3　施藥裝置

2.3.1噴霧升降裝置

黃瓜、番茄類作物植株高度約2m，給這類作物施藥需要沿作物冠層從低到高或從高到低連續進行，因此設計了一套噴霧升降裝置，如圖4所示。利用長度為1.7m、導程為25mm的T型絲杠螺母組作為升降導向機構，噴頭固定在風機出風口上，風機固定于升降平臺上，升降平臺安裝在絲杠螺母上。升降平臺一側安裝有兩個導向輪，龍門支架的側方矩形管位于導向輪之間，使平臺能夠隨絲杠的旋轉上下移動。升降平臺另一側安裝有拖鏈，用于封裝管路和電線。驅動絲杠旋轉的電機選用扭矩為5N/m，功率為50W的渦輪蝸桿直流減速電機，輸出軸轉速為120r/min。電機的正轉和反轉控制升降平臺的上升和下降，上下光電開關起到限位作用，經計算每完成一行噴霧作業需要34s，比人工作業效率高1倍。

1.上方行程限位傳感器　2.龍門架　3.拖鏈 4.風機　5.噴頭　6.升降平臺　7.絲杠螺母　8.T型絲杠 9.下方行程限位傳感器　10.直流減速電機

2.3.2噴頭的結構設計

傳統風送噴霧方式通常是將扇形噴頭或者液力式噴頭安放在風機出風口，利用風機吹出的高速氣流將噴頭霧化的霧滴吹送到靶標[10]。噴頭已經將藥液霧化成細小霧滴，經過高速氣流的二次霧化作用使霧滴變得極其細小：一方面造成霧滴飄移性過大；另一方面霧滴過于細小難以到達距離較遠處的靶標[14]。

為解決傳統風送噴霧方式的弊端，設計了一種風力霧化噴頭，如圖5所示。圖5中，藥液管道內的箭頭代表液流方向，噴頭殼體與藥液管道之間的箭頭代表氣流方向。出液口錐體結構避免了平板結構對氣流的阻擋作用，錐體內的液體流道直徑為2.5mm，形成細小液柱。噴頭出口處的霧滴形成原理如圖6所示。噴頭出口處有6片導流板，相鄰2片導流板夾角為120°，每兩個相對的導流板末端與出液口中心在一條直線上。噴頭殼體內的氣流經過導流板改變方向后在噴霧出口處形成渦流，高速旋轉的氣流將中心液柱打散，在圓形噴霧出口范圍內的導流板壁上形成液膜，液膜經過噴霧出口后撕裂形成液絲，液絲又經過噴霧出口吹出的高速旋轉氣流吹散形成細霧滴，并送至遠處的靶標。

1.藥液管道　2.連接法蘭　3.噴頭殼體　4.出液口錐體　5.導流板 圖5　風力霧化噴頭結構示意圖

1.出液口　2.導流片3.噴霧出口

2.3.3風機風量的計算

目前，風送噴霧風量的計算普遍采用置換原則[15]，如圖7所示。溫室風送噴霧過程中風機出風口風速和噴頭上升速度不變，根據置換原則，風機的風量為圖中虛線所示三角形立方體的體積，即

(2)

式中Q—風量(m3/s)；

V—噴頭上升速度(m/s)；

H—行寬(m)；

L—行長(m)；

K—衰減系數。

噴頭上升速度為0.05m/s，行寬0.8m，行長6m，由于作物的阻擋，衰減系數取值1.5，由此得出風量Q=0.18m3/s。選取的風機風量必須大于0.18m3/s，最終選擇風量為0.45m3/s、功率為1 200W的吸塵器風機作為噴霧風機[16]。

圖7　升降噴霧裝置置換原則計算簡圖

2.3.4藥液輸送系統

藥液輸送系統由藥箱、水泵、主路電磁閥、回路球閥、主路球閥和輸液管路組成，如圖8所示。水泵選用12V無刷直流葉輪泵，流量為10L/min。回路球閥和主路球閥用于調節主路流量，回流管起到泄壓和攪拌藥箱藥液的作用。水泵和主路電磁閥開啟后，藥液經水泵進液管進入有水泵分兩路流出：一路經主路球閥和主路管到達噴頭，另一路經回路球閥和回流管進入藥箱。

1.水泵　2.回路球閥　3.主路球閥　4.噴頭 5.主路電磁閥　6.回流管　7.水泵進液管　8.藥箱

2.4　控制系統

控制系統硬件結構如圖9所，由型號為CPU 224XP CN的西門子PLC主控器及其信號輸入端單元、信號輸出端單元組成。工作時，電源接通、手動控制噴頭升降和施藥車自動運行；采用按鍵接通或斷開后高低電平作為信號輸入，利用E3F-DS30C4型紅外光電傳感器的感應后發出的脈沖作為停車和噴頭行程限位的信號輸入，利用限位開關高低電平作為繞線輪速度控制信號。當側方停車傳感器探測到隨作物行設置的位置擋板時，產生脈沖信號，控制器通過監測該脈沖信號控制移動平臺停止，通過控制各繼電器開啟，依次啟動風機、主路電磁閥、水泵和絲杠正反轉電機；噴頭上升同時進行噴霧，噴頭行程上限位傳感器探測到升降平臺時產生脈沖信號，控制器通過監測該脈沖信號控制各路繼電器依次斷開；絲杠正反轉電機、水泵、主路電磁閥和風機停止工作，移動平臺電機轉動，當側方停車傳感器再次探測到擋板時，除噴頭移動方向轉換下降外，其它動作流程同上。當施藥車的前方停車傳感器探測到軌道末端擋板時產生脈沖信號并發送給控制器，控制器通過控制直流電機驅動器使驅動移動平臺的電機停止；控制器計時2s后，驅動移動平臺的電機反轉，施藥車后退，控制器同時通過控制步進電機驅動器使步進電機反向轉動，繞線輪回收電纜，電纜線張緊或松弛使繞線輪前方的上、下限位開關閉合，產生的高低電平信號發送給控制器，控制器通過監測該信號驅動步進電機以快、慢速交替轉動。施藥車后退過程中，控制器通過控制繼電器使絲杠正反轉電機、水泵、風機及主路電磁閥停止工作。當施藥車的后方停車傳感器探測到軌道的前端擋板時，驅動移動平臺的電機停轉，繞線輪的步進電機也停轉，至此，施藥車完成工作。系統每次啟動時，搭載風機和噴頭的升降平臺初始化至龍門架底部或上部位置。施藥車工作過程中，為避免意外因素致使噴霧車緊急停止導致升降平臺處于上下行程限位傳感器之間，設置了手動升降按鈕，按鈕按下、松開，產生上升沿和下降沿脈沖，控制器監測到脈沖信號通過控制繼電器使絲杠電機正轉或反轉，即升降平臺上升或下降，最終使升降平臺到達初始位置。

圖9　控制系統硬件結構示意圖

3　結論

1)針對溫室人工施藥勞動強度大、工作效率低、易損傷作物且化學藥劑易引起作業人員中毒的問題，設計了一套溫室果蔬高效風送施藥車，實現了軌道式移動平臺定點啟停、電纜收放，以及噴頭定點升降噴霧的功能。

2)構建電能傳動裝置電纜繞線輪轉速控制的數學表達式，設計了一套跟隨軌道移動平臺速度變化的電纜自動收放線裝置。

3)針對傳統風送噴霧方式弊端，設計了一種風力霧化噴頭，并分析了藥液在噴頭出口處形成霧滴的原理。