丘陵山區果園植保機械設計與試驗

黃 華, 黃玉芳, 楊光龍

(貴州農業職業學院, 貴陽 551400 )

我國是世界上最大的水果生產國和出口國[1],果樹病蟲害防治已成為決定果品產量和質量的關鍵因素之一[2],我國丘陵山區省份作為水果的主要產區,因地勢特性(坡度大、地塊小、埂和碎石較多)導致大型植保機械無法作業[3],而輕小型植保機械因研發難度大、推廣難、利潤低,導致國內丘陵山區植保技術落后,機械單一,農機農藝結合差[4]。因此,植保機械研發供給嚴重不足導致果園機械化率低成為制約水果產業提質增效的主要瓶頸[5]。

為改善果園植保作業條件,提升我國丘陵山區果園機械化水平成為業內共識[6]。近年來,針對丘陵山地的植保機械研制和應用取得了一定的成效,植保無人機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用于丘陵山地果品生產,但其存在攜藥量少和對操作者技術要求高等不足;懸掛式果園噴霧機[8]也是針對丘陵山區而設計,必須和拖拉機配套使用,然而燃油動力對環境有污染,丘陵山區地塊小作業調頭難,也有對施藥者造成人身傷害的風險。

本文以丘陵山區的典型代表貴州省為植保機械研制的調研基礎,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和設備現狀開展深入田野調查,針對丘陵山區果園現有植保機械存在的凹凸地面適應性不足、小地塊靈活性差、坡度大制動性不夠、燃油排放污染環境等問題,研制了一種基于機電一體化技術和智能控制的遙控式果園植保機械。該設備設計合理,操作簡單,續航能力可達10 h以上,藥箱容積200 L,作業爬坡0°～45°,行走速度0～4.2 km/h,遙控距離1 000 m以內,并獲得良好的田間試驗反饋。

1 植保機械研制

1.1 整體設計與工作原理

通過實地調研貴州省玉屏、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狀,找準丘陵山區果園植保機械存在的短板和不足,針對丘陵山區凹凸地面適應性不足、小地塊靈活性差、坡度大制動性不夠、燃油排放污染環境等問題[9],設計適宜于丘陵山區特性的植保機械,整機結構圖如圖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 整車結構設計示意圖

植保機械由行走系統、噴霧裝置、農藥箱以及無線控制設備等組成[10]。無線控制設備主要包含人機交互模塊、位姿解算模塊、電機驅動模塊和無線通訊模塊,其中無線通訊模塊發出的控制指令通過人機交互模塊對其控制信號進行位姿解算,控制信號經過信號通道驅動行走系統和噴霧系統,以完成行走和噴霧植保動作。

1.2 主要部件設計

1.2.1動力蓄電池

針對果園燃油植保機不僅污染環境,而且影響果品品質,零污染無排放的植保機械是未來植保機的發展方向,所研制的植保機采用2組磷酸鐵鋰電池,電池參數如表1所示,續航能力可達10 h,有效保障植保機械具有較長作業時間。

表1 磷酸鐵鋰電池參數

1.2.2無刷電機

行走系統車身[11]兩端配備2個功率為1 500 W的無刷電機驅動輪轂,以改變植保機作業位置,電機主要參數如表2所示。此外,采用變速器和電機組合裝置設計制動裝置,植保機在失控的情況下,可以利用變速器和電機的組合裝置進行自動制動,防止車輛在失控的情況下繼續行駛,起到保護操作人員、機器以及藥液的作用。

表2 電機參數

1.2.3無線遙控設備

農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械行走和噴藥作業的控制設備。所選用的控制設備主要性能參數如表3所示,數據可雙向傳輸,電容觸摸屏便于操作,10通道為多類型作業姿態提供可能,電壓低于4.2 V時可實現低壓報警[12]。

表3 無線遙控器設備參數

1.2.4渦輪螺桿減速器和車架行走系統

無人化和自動化是未來植保機械發展方向[13],為了契合丘陵山地高低不平和凹凸地勢,需要對植保機械的剎車穩定性、凹凸不平地勢的適應性進行結構設計。因此,植保機采用渦輪蝸桿減速器以實現機械制動,蝸桿傳動的摩擦特性和自鎖性能導出自鎖條件下可精準制動,在45°以內的坡度范圍內,保證植保機械穩定性,不會出現沖坡自行下滑現象。行走系統的左右車架分開,可根據地勢進行姿態的自動調整,有效適應凹凸地面,車架行走系統結構設計如圖2。

圖2 車架行走系統結構設計

1.2.5噴藥系統

噴藥系統采用風送式噴霧機[14],單缸汽油機動力通過皮帶輪傳遞給風機和增壓泵,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機,風機旋轉慣性力將藥液從噴頭甩出,噴藥系統設計如圖3。

圖3 噴藥系統設計

2 樣機試驗與結果

2.1 試驗方法與步驟

1) 試驗方法:模擬丘陵地區果園栽植環境,分別選取坡度為10°,20°,30°的三段試驗坡,坡道上設置高約0.25 m的障礙物,準備一臺植保機械作業模擬試驗,所研制的果園植保機械測試見圖4。

圖4 植保機械作業效果水準儀測量圖

2) 試驗步驟

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

②用轉速表調節植保機行走速度(0～4.2 km/h),通過調節壓力泵壓力值來控制植保機噴藥量(1 000 kPa),讓植保機沿著斜坡從低向高行走。

③觀察植保機的噴藥均勻性、霧化效果、噴灑高度、漏藥情況、底盤通過性表現,對各試驗效果進行評分。

④試驗中根據實際情況調整行走速度及高壓泵壓力值以達到最佳噴藥效果。

2.2 試驗結果

試驗采用正交試驗測試樣機性能,根據試驗要求和生產實際情況,遵循少選因素和水平的一般原則[15],經全面分析試驗選取A行走速度(m/min)和高壓泵壓力值(kPa)兩個因子,每個因子設三個水平。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 植保機工作因子水平

本試驗觀察指標有坡度、通過性、穩定性、剛性、續航能力等,如表5所示。植保作業效果評分如表6所示,各性能指標滿分均為10分,得分越高,則各性能表現越好。

表5 植保車作業觀測指標及權重

表6 植保作業效果評分

3 結 論

植保機械行走部分采用新能源純電動動力源,實現綠色零排放無污染,行走系統采用四輪驅動,工作時利用遙控器加接收器完成編程,無級調速控制電機驅動,可實現1 000 m以內搖動控制左右2個電動差速行走和轉向功能,最高時速可達4.2 km/h,因采用渦輪螺桿減速器,在0°～45°坡道上能實現自鎖,即上坡不后退,下坡不前沖,失控或斷電情況能立即停止,保證植保機安全作業。

田間試驗表明,果園植保機械行走平穩,控制精準,凹凸地塊適應性較高,具有差速原地調頭轉向特性,渦輪螺桿機械自動制動特點,病蟲害防治噴藥效果佳等優勢,適宜于丘陵山區果園病蟲害防治。