3WP-200A型智能植保機器人噴槍設計與試驗*

張義勝，侯心愛，宮玉敏，孫建新，蔣鑫

(淄博市農業機械研究所，山東淄博，255086)

0 引言

水果是我國主要特色經濟作物，田間管理過程中存在作業環節多、用工量大、生產成本高等突出問題[1-2]。據統計目前果園每年噴施農藥8～15次，其工作量約占管理工作總量的30%[3-5]，因此果園植保機械尤為重要。目前，我國很多地方還在使用背負式的手動噴霧設備，不僅藥量大、用藥不均勻，而且還會嚴重污染環境[6-10]。噴槍噴灑是植保作業的主要方式之一。噴槍的性能，尤其是霧化性能，很大程度上決定了藥液的噴灑質量[11]。射程是噴槍的重要性能指標，決定植保機的作業效率，是噴槍設計的一個重要參數[12]。噴槍射程設計計算，目前還沒有一個用理論方法推導的分析計算式。噴頭射程計算，國內外使用的都還是一些用數理統計方法推得的經驗公式[13]。國內外許多學者對噴頭射程的計算方法進行了大量研究并取得了一定成果：馮傳達[13]、Edling[14]、干浙民等[15]在總結大量試驗研究基礎上，提出了多種無風條件下的噴頭射程計算的經驗公式。根據市場需求，本文設計了一種雙擺動噴槍噴灑裝置。由于噴頭和噴槍結構原理相似，噴槍的射程采用了噴頭射程計算經驗公式，并對噴槍的射程進行了試驗。

1 整機參數及噴灑裝置結構

針對丘陵山區果園農藥噴灑作業，設計一種3WP-200A型智能植保機器人。采用后置式雙擺動噴槍噴灑結構。

1.1 整機參數

3WP-200A型智能植保機器人整機參數見表1。

表1 整機參數Tab. 1 Machine parameters

1.2 噴灑裝置結構

雙擺動噴槍噴灑裝置結構如圖1所示，由擺動電機、減速機、擺動機構、左噴槍、噴槍固定板、右噴槍組成。噴灑裝置通過噴槍固定板，用螺釘安裝在植保機器人的后部，兩個噴槍左右對稱布置。擺動電機固定在噴槍固定板上，在擺動電機的輸出端安裝四連桿擺動機構，從而帶動噴槍左右擺動。

圖1 噴灑裝置結構示意圖

1.3 噴灑裝置工作原理

噴灑裝置安裝在植保機器人的后部，采用雙擺動噴槍噴灑方式。在植保機行走過程中，左右對稱布置的兩個噴槍，在擺動機構總成的帶動下，一邊左右擺動，一邊向兩側果樹噴灑農藥。噴槍最大擺動范圍為90°，即從水平位置擺動到垂直位置。藥泵的兩個出口分別連接到兩個噴槍的進口。霧化后的藥液經過噴槍出口噴出，噴向兩側的果樹。根據植保機行走的速度，調整擺動電機輸入電壓，得到不同的擺動電機輸出轉速，從而得到不同的噴槍擺動頻率，以保證藥液噴灑均勻性和農藥噴灑量需求。調整藥泵壓力的高低、更換噴槍出口直徑，可以改變農藥噴灑量的大小和射程。

2 噴槍設計

2.1 噴槍基本參數

噴槍基本參數見表2。

表2 噴槍基本參數Tab. 2 Basic parameters of airbrush

2.2 噴槍結構

噴槍由調節桿、調節螺母、固定螺母、壓蓋、密封墊圈、藥液進口、槍體、出口連接段、閥瓣、節流板、壓蓋等組成，如圖2所示。

圖2 噴槍結構

調節桿下部與調節螺母聯結；調節桿中部外圓加工外螺紋，外螺紋與槍體內螺紋配合；調節桿頂部與閥瓣聯結；轉動調節螺母，帶動調節桿轉動；調節桿中部外螺紋轉動，從而帶動調節桿軸向移動。節流板中心加工一個小孔，用于藥液通過。固定螺母用于固定調節桿軸向位置。壓蓋用于壓緊密封墊圈，防止藥液泄漏。閥瓣外圓與出口連接段內孔間隙配合，在調節桿的帶動下，上下移動。閥瓣外圓上加工了兩條螺旋槽，藥液通過槍體內孔和螺旋槽后，得到一次霧化，經節流板上的孔流出后，再次得到霧化，噴向果樹。閥瓣頂部有一個尖頭，轉動調節桿，調節閥瓣尖部與節流板孔的間隙，可以調節藥液出口的面積，從而調節藥液的噴灑壓力、噴灑高度和霧化程度。調節桿的位置調整完畢，用固定螺母鎖緊固定。在轉動調節桿時，不可將節流板孔堵死，否則的話，藥泵一經開動，管路系統壓力升高，容易造成藥泵、噴槍、管路等部件的損壞。

2.3 噴槍設計

噴槍主體材料由不銹鋼制作，密封墊圈材料由耐腐蝕橡膠制作。

2.3.1 進口直徑

噴槍進口管直徑選擇與泵出口管直徑一致，為6 mm。噴槍進口為內螺紋結構，與泵出口管的外螺紋聯結。

2.3.2 出口直徑

噴槍出口直徑(節流板內徑)的計算可參考高壓水射流清洗機噴槍噴嘴孔徑計算公式[16]。

(1)

式中：d——噴槍出口直徑，mm；

Q——藥液流量，L/min；

μ——噴槍流量系數，0.4～0.6；

P0——藥液進口壓力，MPa。

噴槍流量系數是經驗常數，由于噴槍過流部分能量損失較大，流量系數是比較低的，μ=0.4～0.6[17]，這里取0.4；藥液流量指的是霧化狀態的藥液流量，取額定流量0.8 L/min；藥液進口壓力，取工作壓力0.4 MPa。

由式(1)計算得，噴槍出口直徑d=1.23 mm，取d=1.2 mm。

2.3.3 閥瓣直徑

根據結構需要，閥瓣外圓直徑設計為16 mm，在閥瓣外圓上加工兩條螺旋槽，其作用是使藥液得到霧化，螺旋槽截面形狀為半圓，圓半徑為1 mm。兩條螺旋槽的截面合在一起，為直徑2 mm的圓，其面積略大于噴槍出口面積。

2.3.4 結構長度

根據結構設計需要，參考同類型噴槍的結構長度，確定噴槍的結構長度為190 mm。

2.3.5 槍體直徑

槍體的材料選用304無縫鋼管，根據結構需要，槍體的外徑設計為15 mm。承受內壓管子理論壁厚公式，鋼管的理論壁厚

(2)

式中：Ps——鋼管設計壓力，MPa；

D——鋼管外徑，15 mm；

φ——焊縫系數，0.4～0.6；

σ——鋼管材料的許用應力，300 MPa。

焊縫系數φ是為了考慮確定許用應力安全系數時未能考慮到的因素。焊縫系數與管子的結構、焊接工藝、焊縫的檢驗方法有關[18]。本次設計槍體的材料為304無縫鋼管，φ=1。鋼管的設計壓力Ps這里按照5 MPa 計算，目的是擴大噴槍的壓力應用范圍。由式(2)計算得，鋼管理論壁厚s為0.124 mm，根據結構設計的需要，最終確定鋼管的壁厚為2 mm。

3 噴槍射程計算

3.1 進出口藥液流速

本文中，藥液的密度按照水的密度計算。藥液流速計算公式為

(3)

式中：v——藥液流速，m/s；

A——藥液流經面積，m2。

藥液流經面積

(4)

噴槍出口直徑為1.2 mm，由式(4)計算得，噴槍出口藥液流通面積A1=1.130 97×10-6m2。由式(3)計算得，噴槍出口藥液流速v1=11.787、13.263、14.74 m/s。

噴槍進口直徑為6mm，由式(4)計算得，噴槍進口藥液流通面積A0=2.827×10-5m2。由式(3)計算得，噴槍進口的藥液流速v0=0.472、0.531、0.59 m/s。

3.2 藥液出口壓力

根據伯努力方程，噴槍進出口截面的流體，符合下列關系

P=P0+5×10-7ρ(v02-v12)-P1

(5)

式中：P——藥液出口壓力，MPa；

ρ——藥液的密度，1 000 kg/m3；

P1——藥液壓力損失，MPa。

流通管路、噴槍進出口高度差及噴槍過流部分產生壓力損失，經試驗，壓力損失值在0.2 MPa左右，這里取P1為0.2 MPa。在工作壓力為0.4、0.45、0.5 MPa時，由式(5)計算得，噴槍藥液出口壓力分別為0.131、0.163、0.192 MPa。

3.3 射程計算

如圖3所示，應用物理學及理論力學的基本概念，可以得出噴槍定向噴灑時，藥液流在垂直平面內的運動的方程式[13]。

(6)

(7)

vy=v1sinα-(g+ay)t

(8)

式中：X——藥液飛行的水平距離，m；

Y——藥液飛行的垂直高度，m；

α——噴槍的噴射角，(°)；

t——藥液飛行的時間，s；

ax、ay——空氣阻力產生的藥液水平、垂直方向上加速度，m/s2；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

vy——藥液垂直方向上分速度，m/s。

當藥液飛行至最高點時，vy=0，由式(8)得

式中：t1——藥液飛行到最高點需要時間，s。

藥液飛行的最大高度

藥液在最高點時，飛行的水平距離

藥液從最高點降落至地面需要時間

式中：h——噴槍出口至地面距離，m。

藥液空中飛行的總時間

tz=t1+t2

藥液飛行的最大水平距離

如圖3所示，噴槍藥液出口壓力P分解為水平方向的壓力Px和垂直方向的壓力Py，計算公式為

Px=Pcosα

Py=Psinα

根據經驗公式，空氣阻力產生的藥液流在水平、垂直方向上的加速度[13]

(9)

(10)

藥液流在上升和下降過程中，二者因空氣阻力產生的藥液流在垂直方向上的加速度值是不同的，為了方便計算，這里近似地把二者數值看作是相同的。同時，這里采用的是經驗公式，其計算誤差，在實際應用中是允許的。由于噴槍是擺動的，如圖3所示，公式中的X、Y、X1、Y1、Xz的數值坐標均以噴槍出口位置為原點。

圖3 左噴槍藥液計算噴射軌跡

根據式(3)～式(10)，表3列出了噴槍噴射角為0°～90°，藥液出口壓力為0.131、0.163、0.192 MPa時，定向噴灑水平距離和高度的計算結果。根據計算結果，圖3繪出了在噴槍不同的噴射角時，藥液定向噴灑的曲線軌跡。由于左右噴槍是對稱的，圖3只繪出了左噴槍藥液定向噴灑的曲線軌跡。由于噴槍是擺動的，噴灑的軌跡是動態的，藥液的實際落點是噴灑軌跡與樹冠的交點。圖3中，X、Y的坐標原點O設置在左右噴槍的中心線與地面的交點。由圖3可以看出，工作壓力為0.4～0.5 MPa時，藥液噴灑果樹適應行距為7～9 m，噴灑果樹高度為6.66～9 m。

4 噴槍射程試驗及分析

4.1 試驗內容

在工作壓力為0.4、0.45、0.5 MPa，噴射角為0°～90°時，測試噴槍定向噴灑水平距離Xz和高度h+Y1。

4.2 試驗介質和方法

試驗介質，清水；試驗條件，無風天氣；試驗方法按照規范GB/T 24677.2—2009[19]、T/CAMA 22—2019[20]進行。調節閥瓣尖部與節流板孔的間隙，使噴射出的藥液達到霧化狀態。每個角度測試3次，取其平均值。

表3 噴槍射程計算結果Tab. 3 Calculation results of spray gun range

4.3 試驗結果與分析

試驗結果見表4。從表4可以看出，工作壓力為0.4、0.45、0.5 MPa時，噴槍定向噴灑最大高度分別為5.834、6.099、8.061 m，低于理論計算值，與計算值的平均誤差分別為13.59%、14.56%、13.56%。噴槍定向噴灑最大水平距離分別為9.922、11.669、13.236 m，低于理論計算值，與計算值平均誤差分別為7.56%、14.27%、14.48%。結合計算和試驗結果，考慮到風力、平均噴灌強度、水滴打擊強度等因素的影響，藥液實際噴灑高度大于6 m，噴灑果樹最大行距為7～9 m。

5 結論

1) 根據噴槍參數要求設計了噴槍，確定了噴槍的進口直徑為6 mm，出口直徑為1.2 mm，結構長度為190 mm。該研究可為噴槍結構設計與優化提供參考。

2) 在不考慮風力，只考慮空氣阻力的條件下，采用經驗公式計算噴槍射程，并進行射程試驗。綜合考慮到風力、平均噴灌強度、水滴打擊強度等因素的影響，噴槍工作壓力為0.4～0.5 MPa時，噴灑果樹最大行距為7～9 m，藥液實際噴灑高度大于6 m，滿足設計參數的要求。

3) 根據植保機行走速度快慢，調整噴槍擺動頻率，以保證藥液噴灑均勻性和噴灑量需求。試驗表明，雙擺動噴槍噴灑裝置藥液霧化效果好，噴灑均勻，環境污染低，市場前景廣闊。

表4 噴槍射程試驗結果Tab. 4 Results of spray gun range test