小型自動(dòng)噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機(jī)的設(shè)計(jì)

丁在興　閆家政　胡哲銘　王晨　董佳斌　侯衛(wèi)萍

摘要 ? ?針對(duì)目前國內(nèi)噴藥機(jī)械主要還是以手動(dòng)機(jī)械為主的現(xiàn)狀，在保證作業(yè)安全的前提下，對(duì)小型機(jī)械進(jìn)行改進(jìn)，采用一種噴霧型噴頭，通過可編程控制器（PLC）和紅外測(cè)距傳感器控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴藥。通過三維建模和動(dòng)態(tài)分析對(duì)機(jī)械進(jìn)行受力分析，通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的方法不斷進(jìn)行改進(jìn)，從而得到結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)地形能力強(qiáng)、工作效率高的小型自動(dòng)噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機(jī)械。

關(guān)鍵詞 ? ?小型自動(dòng)噴霧機(jī);可編程控制器;噴頭結(jié)構(gòu);模型構(gòu)建;林區(qū)苗圃

中圖分類號(hào) ? ?S224.3 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）19-0165-02

Design ?of ?Small ?Automatic ?Spray ?Type ?Spraying ?Machine ?for ?Nursery ?in ?Forest ?Area

DING Zaixing 1 ? ?YAN Jiazheng 1 ? ?HU Zheming 1 ? ?WANG Chen 2 ? ?DONG Jiabin 1 ? ?HOU Weiping 1 *

（1 College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin Heilongjiang 150040; 2 College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin Heilongjiang 150040）

Abstract ? ?In view of the current situation of domestic spraying machinery was mainly manual machinery， under the premise of ensuring the safety of operation， the small machinery was improved. A spray nozzle was adopted， which is controlled by PLC and infrared distance sensor to realize automatic spraying. Through three-dimensional modeling and dynamic analysis， mechanical analysis was carried out， and continuous improvement was made by means of experimental detection， so that small automatic spraying forest nursery spraying machine with simple structure， strong adaptability to topography and high working efficiency was obtained.

Keywords ? ?small automatic spray machine; PLC; nozzle structure; model construction; nursery in forest area

在林區(qū)苗圃育苗的過程中，噴藥治蟲必不可少，但是我國所使用的噴藥機(jī)械中手動(dòng)機(jī)械占比很大[1]，并且存在噴藥效率低、農(nóng)藥利用率低等問題。因此，研究設(shè)計(jì)小型自動(dòng)噴霧型噴藥機(jī)可以提高噴藥效率、降低噴藥成本、提高農(nóng)藥利用率等，對(duì)林區(qū)苗圃育苗自動(dòng)化具有重要的實(shí)際意義。

目前，我國噴藥機(jī)械種類少，基本以背負(fù)式手動(dòng)噴藥機(jī)械為主，而且專用施藥機(jī)械匱乏，大多都是用同一機(jī)具進(jìn)行不同植物的病蟲草害防治。噴藥機(jī)械的關(guān)鍵性部位是噴頭，我國在這方面的技術(shù)含量低，大部分為徑向進(jìn)液式圓錐霧噴頭，這種噴頭霧化效果不高，不能均勻噴灑農(nóng)藥，使用時(shí)屢屢發(fā)生藥害和環(huán)保事故。

小型自動(dòng)林區(qū)苗圃噴藥機(jī)專門用于苗圃育苗，其具有小型機(jī)械的靈活性，通過設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)達(dá)到在苗圃內(nèi)自動(dòng)噴藥的目的;同時(shí)，利用文丘里效應(yīng)對(duì)噴頭進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，以提高藥液的利用率。

1 ? ?小型自動(dòng)噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 ? ?系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的小型自動(dòng)噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機(jī)由噴藥模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、電源模塊和控制系統(tǒng)等構(gòu)成，其中電源模塊采用蓄電池供電，控制系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、紅外測(cè)距傳感器和遠(yuǎn)程控制模塊等組成，運(yùn)動(dòng)模塊由2個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力，噴藥模塊由液泵、藥箱、噴頭、機(jī)械臂、液壓桿、旋轉(zhuǎn)臺(tái)和軟管等構(gòu)成。通過控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制調(diào)整，實(shí)現(xiàn)控制行走、自動(dòng)噴藥的功能。

1.2 ? ?工作原理

本文設(shè)計(jì)的小型自動(dòng)噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機(jī)通過紅外測(cè)距傳感器來判定噴藥機(jī)與樹木枝葉間的距離，并傳遞信號(hào)給控制系統(tǒng)。根據(jù)傳遞的信號(hào)，控制系統(tǒng)對(duì)液泵以及控制閥門下達(dá)命令。當(dāng)達(dá)到適當(dāng)?shù)膰娝幘嚯x，則開啟閥門;未到適當(dāng)距離，則關(guān)閉閥門。通過控制液泵，根據(jù)不同的距離對(duì)藥液施以不同的壓力，以達(dá)到藥液的最佳噴射初速度。當(dāng)藥液受壓力作用流入噴管后，霧化片將藥液轉(zhuǎn)化為霧狀，以在噴藥時(shí)增加藥液的覆蓋率。當(dāng)噴藥達(dá)到額定限量時(shí)，控制系統(tǒng)關(guān)閉閥門，殘余在噴管中的藥液沿膠管回到藥液箱。至此，一次噴藥過程結(jié)束，如圖1所示。

1.3 ? ?控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）控制[2]，其通信端口與遠(yuǎn)程控制模塊相連，通過其接收信號(hào)，控制小車的移動(dòng)。通過接收紅外測(cè)距傳感器和電子眼信號(hào)，進(jìn)而控制噴藥。本文對(duì)可編程控制器采用模塊化編程方法，對(duì)小型自動(dòng)噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機(jī)設(shè)立3個(gè)模塊：接收遠(yuǎn)程控制模塊信號(hào)，控制運(yùn)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)向電機(jī)和直行電機(jī)正反轉(zhuǎn)，并通過內(nèi)置調(diào)速器調(diào)速;根據(jù)紅外測(cè)距傳感器感測(cè)車體與苗圃植株的距離，并與預(yù)先設(shè)定值比較，當(dāng)達(dá)到適當(dāng)距離時(shí)啟動(dòng)液泵，進(jìn)而控制藥液噴射;在藥箱底部放置壓力傳感器，感測(cè)藥液壓力，通過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)傳給可編程控制器，并與預(yù)先設(shè)定壓力值比較，當(dāng)壓力值低于預(yù)先設(shè)定的壓力值時(shí)，可編程控制器關(guān)閉液泵，不再噴藥。

2 ? ?噴藥模塊設(shè)計(jì)

2.1 ? ?噴藥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

此小型自動(dòng)噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機(jī)采用一種氣液兩相霧化噴頭，在噴藥機(jī)上安裝紅外測(cè)距傳感器，使小車和霧化噴頭與植株保持一定的距離，同時(shí)減少農(nóng)藥的浪費(fèi)以及其對(duì)環(huán)境的污染。

氣液兩相流霧化噴頭是基于文丘里效應(yīng)（圖2）進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通過增加氣液兩相的相對(duì)速度差來增大氣壓動(dòng)力，使藥滴在氣壓的作用下破碎得更細(xì)，提升霧滴的彌散性，可適應(yīng)多種植株[3]。噴頭與滑道滑動(dòng)配合，滑道與機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)配合，通過螺栓固定，機(jī)械臂由液壓桿控制。噴頭通過軟管與液泵相連。液壓桿安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，使噴頭可以在水平面內(nèi)多角度旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，可適應(yīng)多個(gè)方位（圖3），從而滿足不同植株噴藥的需要。根據(jù)噴藥機(jī)與植株距離的遠(yuǎn)近，以及枝葉的密集程度，通過控制液泵工作功率，可改變藥液的噴射量和噴射速度，使藥液得到充分利用，并盡量減少藥液對(duì)環(huán)境和人體造成的傷害。

2.2 ? ?管道的設(shè)計(jì)

材料選取上，選取易得、價(jià)廉、無毒、無公害的可降解、可回收或不被農(nóng)藥中化學(xué)物質(zhì)腐蝕的材料。此外，由于噴藥機(jī)載重較小，管道材料應(yīng)較為輕便。

管道設(shè)計(jì)上，管道應(yīng)分為2路，一路為多余藥液流回藥箱;另一路經(jīng)控制閥到噴頭，經(jīng)2次霧化后形成霧滴噴向林木。根據(jù)林木高度的不同，管道應(yīng)具有一定的伸縮彈性。

3 ? ?建模分析

3.1 ? ?三維模型建立

小型自動(dòng)噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機(jī)主要用于對(duì)林區(qū)苗圃的蟲害防治。由于喬木幼苗期的高度主要集中在5～20 cm，故在實(shí)際噴藥作業(yè)時(shí)藥液管道高度應(yīng)達(dá)到20 cm，噴灑最大半徑為150 mm。旋轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)范圍為0°～360°，噴頭回轉(zhuǎn)范圍為0°～360°且垂直方向旋轉(zhuǎn)范圍為0°～180°。噴頭的起升方式為液壓桿舉升，并滿足承受機(jī)械自重載荷和噴藥的要求。

根據(jù)小型自動(dòng)噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機(jī)的實(shí)際要求按照1∶1的比例通過pro/e軟件進(jìn)行模型的建立，噴藥機(jī)整體為金屬框架結(jié)構(gòu)，在安裝動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置和供藥系統(tǒng)時(shí)均有相應(yīng)的安裝控件。為避免部分特征和小結(jié)構(gòu)特征影響網(wǎng)格的質(zhì)量，故在實(shí)體建模時(shí)對(duì)模型進(jìn)行簡化，從而減少分析精度降低等問題。pro/e軟件具有良好的模型建立和仿真受力分析的功能，在pro/e中建立滿足設(shè)計(jì)要求的噴藥機(jī)模型，從而便于對(duì)噴藥機(jī)的實(shí)際工作情況和受力情況等進(jìn)行分析，如圖4所示。

3.2 ? ?車架受力分析

該噴藥機(jī)工作部分用于噴灑農(nóng)藥，對(duì)蟲害進(jìn)行防治。工作部分的車架需要支承各個(gè)模塊，并承受外部載荷作用。根據(jù)使用要求，選用材料為合金鋼。根據(jù)受力分析可知，噴藥機(jī)模型中噴灑農(nóng)藥過程中所受外載荷最大為200 N，所以在受力分析時(shí)對(duì)車架支撐部分處施加固定約束和外載荷，模擬車架實(shí)際工作過程中的工作情況。由圖5可知，其變形量最大為0.33 mm，此車架滿足使用要求。

4 ? ?結(jié)語

小型自動(dòng)噴霧型林區(qū)苗圃噴藥機(jī)可適應(yīng)不同環(huán)境、不同地形，克服了目前以背負(fù)式藥箱人工手動(dòng)操作為主的噴藥缺陷[4-5]，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)的自動(dòng)化、機(jī)械化，提高了工作效率;同時(shí)，對(duì)噴頭進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，減少了藥液在空氣中的漂移，提高了農(nóng)藥利用率，有效解決了人工噴灑過程中效率低、工作強(qiáng)度大的問題。

5 ? ?參考文獻(xiàn)

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作者簡介 ? 東北林業(yè)大學(xué)2019年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910225010）。

通信作者

收稿日期 ? 2020-06-10