基于超聲波技術的風送式智能煙草植保機設計與試驗

馬留威,王龍飛,李連豪,冉云亮,朱晨輝,范沿沿,張 振

(1.河南農業大學 機電工程學院,鄭州 450002;2.河南省煙草公司許昌市公司,河南 許昌 461000)

0 引言

煙草是我國主要的經濟作物之一[1-2],植保作業是煙草種植生產過程中的重中之重,是影響煙草產量和質量的重要因素[3]。早期,學者對煙草和其他高稈作物的植保作業機進行了研究[4]。張鐵和董祥等人設計了一種輕便型高地隙噴桿噴霧機,搭配風幕輔助噴霧系統,提高了霧滴在作物中下層及葉面背面的附著率,但地面流失率有所增加[5]。張疼等人設計了一種三位一體多功能噴霧機,集噴桿式、隧道式、仿形式于一體,適用于大田作物不同生長期[6]。孫文峰和何躍等人設計了一種寬幅植保作業機可液壓折疊的噴桿,提升了大田作物在中后期其中下層及頁面背部的霧滴沉積效果[7]。

上述研究在實際作業過程中均存在著智能化程度低、霧化霧滴大、穿透性差、藥液在噴施過程中的浪費和不均勻(藥液在煙葉上表面和下表面分布不均及藥液在上層煙葉與中下層煙葉分布不均)等問題,一定程度上增加了煙草作業成本,造成了環境的破壞。

針對上述問題,采用超聲波霧化、智能控制和風送技術[8-11],利用超聲波霧化產生的霧滴小、能提高藥液在煙葉表面上的附著性、風機旋轉產生的氣流在增加霧滴動能的同時還能提高其穿透性以及當氣流到達煙葉表面時其擾動作用還能使霧滴在煙葉正反面均勻附著等優點,設計開發了一款基于超聲波技術的風送式智能煙草植保機。

1 整體設計及工作原理

1.1 整機組成

整機主要由自走式電動行駛底盤、超聲波霧化系統、風送噴霧系統和控制系統等組成,如圖1所示。主要工作參數如表1所示。

表1 主要工作參數Table 1 Main working parameters

1.藥箱 2.電源箱 3.自走式行駛底盤 4.超聲波霧化發生器 5.搖擺器 6.噴桶 7.電控箱圖1 基于超聲波技術的風送式智能煙草植保機Fig.1 Air driven intelligent tobacco plant protection machine based on ultrasonic technology

1.2 工作原理

植保機的行走系統、風送噴霧系統均采用獨立的動力源,由各自的電源輸送給電機提供動力。工作過程:首先,通過遙控手柄或者在自動模式下按照預先輸入的路徑信息將基于超聲波技術的風送式智能煙草植保機移動至作業位置;在作業機勻速行駛狀態下,打開風送噴霧系統開關,超聲波霧化發生器霧化產生細小的霧滴經霧化風扇提供的動能通過管道進入噴桶和噴嘴產生的霧滴混合,軸流風機產生的氣流為混合后的霧滴提供動能,增加其沖程且能對霧滴二次霧化;二次霧化后的霧滴隨氣流被輸送到煙葉表面,由于霧滴小和氣流的擾動作用,霧滴將煙葉上下表面包裹,達到了對煙葉正反面均勻施藥的目的。

2 關鍵部件設計

2.1 超聲波霧化發生器

超聲波霧化作為一種新的霧化方式,主要原理是利用高頻振動產生激波,將水和液體藥液混合物分子結構打散產生極小霧滴,進而形成霧滴集群。經超聲波霧化產生的霧滴具有粒徑小、分布均勻等特點,但其具有的動能較小、沖程較短[12]。

2.1.1整體結構

超聲波霧化發生器設置在植保機的左右兩側,設置為上下兩個串聯的水和藥液混合箱,上部設置有超聲波霧化器、霧化風扇、導流板等霧化發生器所需的主要部件,下部主要是為了接收上部達到超聲波霧化最優液面后通過溢流管溢流而出的水和藥液混合物,再由水泵經回流管重新回到上部箱,以達到循環利用的效果。同時,超聲波霧化發生器產生的霧滴由霧化風扇提供動力,經出霧口過管道到達噴桶內部和噴頭產生的藥液混合,具體結構如圖2所示。

1.出霧口 2.導流板 3.溢流管 4.超聲波霧化器 5.下部藥液混合箱 6.回流管7.上部藥液混合箱 8.出霧口圖2 超聲波霧化發生器Fig.2 Ultrasonic atomizer

2.1.2超聲頻率確定及霧化器選型

超聲波霧化性能試驗主要包括霧滴粒徑、霧化量等參數。其中,超聲波霧化器霧化產生霧滴的粒徑與所霧化液體的多種性質有關,如液體的表面張力系數、密度等,也和超聲頻率有關[13-14]。超聲波霧化器霧化產生霧滴的粒徑計算公式為

(1)

其中,D為霧滴粒徑(μm);T為表面張力系數(N/m);ρ為液體密度(kg/m3);F為超聲頻率(kHz)。以常溫下(20℃)水和藥液混合物為例,即取表面張力系數T=7.28×10-2N/m、密度ρ=1×103kg/m3,可得霧滴的粒徑D與對應超聲頻率F的關系如表2所示。

表2 超聲頻率F與對應霧滴粒徑DTable 2 Ultrasonic frequency F and corresponding droplet size D

本設計所需的霧滴粒徑D小于20 μm,以常溫下(20℃)水和藥液混合物為例,帶入式(1)可得超聲頻率F應大于94.8kHz。結合市場上現有成熟技術,該超聲波霧化發生器的霧化器選用YCJH型霧化器,其工作電壓為36V或者48V,頻率為1.7MHz。

2.1.3最優液面確定

為確定超聲波霧化液面是否達到最優條件對霧化量的影響,對超聲波霧化最優液面的確定做了相應的試驗。

前期試驗表明:水和藥液混合物的液面在低于60mm和高于70mm情況下,霧化效果明顯差于液面位在60～70mm之間,且同一液面狀態下不戴聚能罩比戴聚能罩霧化效果好。所以,該試驗只在60～70mm之間、全部不戴聚能罩的條件下選取3組液面值測量霧化量,其霧化液體所處液面與對應霧化量的關系如圖3所示。

圖3 單板、48V、無聚能罩、20min霧化數據圖Fig.3 Atomization data chart of single board, 48V, without shaped charge cover and 20min

通過試驗數據和由試驗數據做出的大致霧化數據圖可知:液面介于66～70mm之間霧化效果良好,定為最佳液面,液面在此區間單板的超聲波霧化量可達到4.44～4.86kg/h。

2.2 風送系統

風送系統主要由軸流風機和風送機構組成:軸流風機為霧化后的藥液提供動能,增加其沖程;風送機構內設導葉,將風機產生的氣流整合,在風筒中將超聲波霧化和液力噴頭霧化產生的藥液混合及二次霧化后,霧滴隨氣流到達煙葉表面。

2.2.1風機參數的確定

1)單風機風量的計算。根據風量置換原則,風量計算公式為[15-16]

Q≥KLHV

(2)

其中,Q為風量(m3/s);K為風量損失系數;L為噴霧寬度(m);H為噴霧高度(m);V為植保機行進速度(m/s)。

通過測量,可得L=1.2m、H=1m、V=1m/s。查閱資料,K可取1.1～1.5,這里取K=1.1。代入(2)式,可得Q≥1.32m3/s。

2)單風機風壓的計算。由伯努利方程得

(3)

其中,Wp為風機靜壓(Pa);ρ為空氣密度(kg/m3);V為風速(m/s);γ為單位體積空氣重力(N/m3);g為重力加速度(m/s2)。

將標準條件下g=9.8m/s2、γ=12.25 N/m3,代入式(3)中可得

WP=0.625V2

(4)

將V=20m/s代入式(4),得到Wp=250Pa;再乘以風壓系數K=1.4,得Wp=350 Pa。

2.2.2噴桶及搖擺器

該植保機風送噴霧系統將超聲波霧化產生的霧滴和噴頭產生的藥液在噴桶內的噴頭處混合,霧滴包裹著水和藥液混合物,然后一起輸送到煙葉上,因此設計了一個能達到工作需求的噴桶;同時,為了保證噴藥范圍,在噴桶下面設置1個搖擺器。噴桶及搖擺器的具體結構如圖4所示。

1.傳動齒輪 2.搖擺器開關 3.搖擺器 4.轉動齒輪 5.霧滴輸入口 6.藥液輸入口 7.噴桶圖4 噴桶及搖擺器Fig.4 Bucket and shaker

超聲波霧化產生的霧滴經霧滴輸入口進入噴桶,藥液從藥箱經過過濾器及噴藥泵經過藥液輸入口到達噴桶內的噴頭處,兩者在噴桶內的噴頭處充分混合;霧滴對藥液進行有效包裹,由軸流風機產生的氣流帶動霧滴和藥液一起到達煙葉表面。

搖擺器的設計主要是為了調整噴藥范圍,主要由搖擺電機、轉動齒輪、傳動齒輪以及鏈條構成。電機輸出端和轉動齒輪同軸,轉動齒輪與傳動齒輪之間采用鏈條嚙合,噴桶位于轉動齒輪之上,搖擺電機提供動力,帶動噴桶水平轉動。通過對搖擺器擺動最大角度時極限位置的調整,能夠有效調整水平噴射范圍。同時,搖擺器位于機架上,可通過電動推桿調整噴桶高度,以此達到噴藥水平范圍和噴藥高度范圍同時可調的目的。

2.3 控制系統

2.3.1系統硬件框架

風送式煙草植保機可以采用手動和自動兩種控制模式[17]。在自動模式下,輸入預定路徑的KML數據,控制器通過讀取IMU姿態信息和GPS衛星定位信息調整轉向,控制驅動電機按照預定路徑自主行走。控制器使用了脈沖觸發開關控制開閉風送噴霧系統,系統硬件框圖如圖5所示。

圖5 系統硬件框Fig.5 System hardware frame

2.3.2硬件選擇

1)通訊與控制方式。上位機控制軟件采用QGroundControl,作業車與地面站之間的通信采用3DR公司的SiK無線通訊模塊。使用遙控器控制植保機時,手動控制植保機的前進、后退、轉向、制動和風送噴霧系統開關;接收機接受遙控的發射信號并傳遞給主控制器,控制器根據信號值來調整作業車的工作狀態。

本文根據植保機作業需要采用的遙控器工作頻率為2.4GHz,采用脈沖寬度調制(PWM)發送信號。脈沖寬度決定了通道的輸出值,PWM信號的寬度在1000～2000 μs之間變化,中值為1500μs。所選用的遙控器如圖6所示。

圖6 遙控器Fig.6 Remote control

2)單片機型號選擇。根據實際應用情況和各單片機優缺點后,決定采用ATMEGA2560-16AU型單片機作為該植保機控制系統的核心,其系統工作穩定、運算速度快、功耗低。工作參數如表4所示。

表4 控制芯片工作參數Table 4 Working parameters of control chip

2.3.3電機驅動模塊電路設計

為了更好地連接控制系統和驅動電機,設計了一款適用于本植保機的驅動模塊。其電路原理圖如圖7所示,轉向電機控制電路圖如圖8所示。

圖7 電機驅動模塊原理Fig.7 Schematic diagram of motor drive module

圖8 轉向電機控制電路圖Fig.8 Control circuit diagram of steering motor

依據電路原理圖進行印刷電路板(PCB)的設計。先檢查硬件電路設計各元器件封裝是否正確,再繪制元件庫里沒有的電子元件封裝;將所有元件封裝完成后,設計印刷電路板的物理層,根據印刷電路板形狀對元器件進行布局和布線;最后,進行覆銅,完成印刷電路板的制作,如圖9所示。PCB電路布局完成后阻焊、噴錫等工序交由某公司進行樣板制作。

圖9 電路布局Fig.9 Circuit layout

2.3.4控制程序設計

采用C++語言進行軟件設計,利用Visual Studio Community 2017開發平臺對項目進行修改和編譯。開發環境界面如圖10所示。

主程序是整個控制系統的核心,主要作用是完成控制系統中各個模塊的初始化,對作業車的工作狀態進行實時監控,連接各個子程序,根據作業狀態實時控制各模塊進行響應調節,實現整個控制系統的功能。

3 性能試驗

2021年9月28日-10月13日,在河南省焦作市武陟縣容大科技有限公司對基于超聲波技術的風送式智能煙草植保機進行噴霧量、均勻性及噴幅的測試[18]。

3.1 噴霧量及均勻性測定

在無風的平地上利用水和藥液混合物進行噴量試驗,確定藥箱和超聲波霧化發生器的水和藥液混合物液面初始位置,分別在壓力為0.3、0.5、1.0MPa的情況下開始靜止噴霧試驗,10min后測量液面位置,得出噴量數值,并對均勻度進行檢測,重復3次試驗,取平均值并記錄。不同壓力下的噴量和均勻度試驗數據如表5所示。

由表5可知:不同壓力下噴頭的試驗噴量與理論噴量之間誤差較小,即該噴霧系統的壓損較小;同時,均勻度均能達到95%以上,可以滿足工作需求。

3.2 噴幅測定

在無風的試驗場地、噴霧機正常速度行駛狀態下,使風筒垂直于行走方向打開風送噴霧系統,在風機不同擋位下測量噴灑到地面上的藥液實際幅寬,測量3次取平均值并記錄。試驗結果如表6所示。

表6 不同擋位下的噴幅試驗數據Table 6 Spray amplitude test data under different gears

由表6可知:風送式煙草植保機噴霧系統可以通過對風機風速的調節調整其噴施幅度,達到了完成煙草不同生長周期的植保作業的要求。

4 結論

1)對基于超聲波技術的風送式智能煙草植保機噴霧系統進行了設計,并配合自走式電動行駛底盤能調整高度、行距和噴射角度完成了煙草不同生長周期的植保作業。

2)對影響噴霧性能的關鍵部件和參數進行了設計和討論,并對超聲波霧化發生裝置的最優液面及對應霧化量進行了試驗,確定了參數范圍。

3)對該植保機的風送噴霧系統的風機參數進行了計算,確定了參數范圍。

4)對該風送式煙草植保機進行了試驗檢測,其噴量、均勻性、噴幅均能達到工作需求。