微型自走式电动果园弥雾机的研制与试验

荣喃喃，王冉冉，郭鹏军，李玉道

(山东农业大学 a.机械与电子工程学院；b.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安　271018)



微型自走式电动果园弥雾机的研制与试验

荣喃喃a，王冉冉a，郭鹏军a，李玉道b

(山东农业大学 a.机械与电子工程学院；b.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安271018)

摘要：针对当前果园低矮密植模式，传统的大型机具无法适应封闭式作业环境的现状，设计研制了一款微型自走式电动果园弥雾机。该机具基于先进的电动汽车后桥驱动系统，搭载风送式二次弥雾系统，利用远程遥控技术，无需果农进入园地，即可完成药物喷洒作业。样机试验证明：整机传动效率达85%，稳定性为91%，达到了预期设计目的。

关键词：果园；弥雾机；电动力；遥控

0引言

近年来，随着国家大力推动农业产业新政策的实施，林果业已经成为很多气候优势地区的支柱产业。低矮密植模式是目前国内较为普遍的种植模式，合理密植可显著提高果园的经济效益；但因冠厚接近行距,两行果树枝叶几乎交接，造成果园密闭，传统机具难以进入园内[1-3]；加之果园规模快速扩大，果农理论技术比较欠缺，管理散乱，造成了果园植保作业劳动强度大、效率低下。近年来，国内有些单位研制了多款风送式弥雾机，在一定程度上提高了工作效率和防治效果；但多数机具体型普遍较大,在低矮密植型果园中通过性能较差。机具动力来源多为柴油或汽油，作业危险系数较高，维护成本较高。果农需跟随机具施药，不可避免地吸入农药，造成人身伤害。

基于当前弥雾植保机械的发展现状和亟待解决的果园植保问题，设计了适宜国内果园特点的弥雾机尤为重要。适用于密植果园的微型电动遥控弥雾机可以高效率、高质量地完成药液喷施作业，降低果农的作业强度，提高农药利用率和经济效益[4-6]。

1整机结构和工作原理

本设计的目的是研制一款微型自走式电动果园弥雾机，适用于我国低矮密植的果园种植模式；整机由电动力驱动，远程遥控作业，实现低碳环保的新型果园植保作业方式。微型自走式电动果园弥雾机整机结构如图1所示。

1.高压水泵　2.中压风机　3.高压喷头　4.药箱　5.铅酸蓄电池

sprayer in orchard

整机工作原理：基于弥雾系统和行走系统，利用手持式遥控器来远程控制整个行走和弥雾过程。弥雾部分为风送式弥雾系统，特点为利用进口喷头和高压电动水泵喷出直径较小、射程较远的雾滴，借助中压直流风机强而柔的气流，迅速地扩散雾化药剂，使内外层枝叶正反着药，提高了果树受药率，且加强了药液的附着渗透性。控制部分主要包括整机驱动控制系统、遥控信号的收发和处理系统及电源系统。其特点为采用电动汽车驱动系统，搭载红外远程遥控系统，实现了清洁能源在植保领域的突破，降低了植保作业的污染和危险系数，保障了果农的人身安全。

协同工作控制过程如图2所示。首先，果农发射信号；然后，机具的信号接收端即接收命令、分析信号，并把命令信号传向工作部件，由工作部件执行此命令。整车行走和弥雾控制互不干扰，在害虫较轻的区域可提高行走速度，缩短整个区域的弥雾时间，实现变量弥雾。同时，在弥雾过程中可控制转向电机，随时调整方向，以防行走路线偏斜。

图2　微型自走式电动果园弥雾机控制系统框图

2结构方案的确定

2.1　行走系统

行走系统包括电车底盘、转向系统及远程遥控系统。其中，电车底盘如图3所示。

图3　电车底盘

电车底盘外形尺寸(长×宽×高)为1 500mm×1 000mm×800mm。驱动采用电动汽车底盘专用驱动和传动装置，即差速电机后桥驱动系统。此驱动系统实现两侧以不同的转速和不等距转动，增加转弯的稳定性，减小轮胎的受损率[7]。驱动电机采用Y2-132S-4三相异步交流电机，工作电压为60V,功率为3kW，额定转速为1 440r/min。考虑到果园地面的不平整性和所需抓地力，行走轮胎型号选用145-12，其设计为流线型对称花纹，抓地力强，防止非正常磨损[8]。

转向系统由电机带动一级齿轮，再通过皮带带动二级齿轮，进而实现左右转向。根据果园地面的实测软硬度和雨天后的工作环境，转向电机选用扭矩为80kg·cm。电机型号为GW70105左-52，电压24V，电流6.5A，转速52r/min，负载转速46r/min，左向前螺纹轴。传动转速比1:2，小轮内径12mm，大轮内径14mm，120齿。

遥控主板和发射器如图4所示。设计采用8路互不干扰的射频发射接收装置，远程控制距离2 km，信号包括前进、后退、刹车、左转、右转、风机启动、水泵启动和一路预留信号[9]。

图4　遥控主板和发射器

2.2　弥雾系统

弥雾系统如图5所示。其主要原理为利用风机风筒作为风道，设计气流导流板，改变出风方向，使风向和药液喷射的方向一致，实现二次弥雾。

本设计采用进口喷头，其喷雾面为270°扇面形，5个喷头依次分布在半圆形的边缘部分，拓宽了药液辐射面，同时在高速气流的二次雾化作用下形成扇形展开的持续不断的雾化工作带，提高雾流的分布均匀性、穿透性及叶子的受药率，实现弥雾无死角。配合5个高压喷头的总流量，满足液滴喷射距离，高压水泵选用24 V直流水泵，最大电流2.2 A，功率30 W，转速470r/min，最大流量8.18×10-5cm3/s，最高压力130MPa，吸程5m。

图5　弥雾系统

风机型号的选择关系到二次雾化的效果和药液的利用率。风速和风压过高极易吹散雾化带，造成叶子受药率降低；风速和风压过低则无法雾化药滴，药滴快速滴落地面，空中保持时间较短，二次雾化效果较差。

果园用弥雾风机参数符合公式如下公式，即

Q=NVHLK

(1)

其中，N为出风口个数(1个)；V为弥雾速度(2m/s)；H为果树高度(2m)；L为弥雾机距果树的距离(30cm)；K为气流损失系数(1.6)。

代入以上参数，可确定风量为1.92m3/h，即为6 925m3/h。

为达到最好的二次雾化效果，出口风速Cc设定为25m/s,转速n为2 200r/min,效率为80% 。

动压计算公式为

(2)

出口静压损失计算公式为

Pst=0.2Pd=108Pa

(3)

风压计算公式为

P=Pst+Pd=642Pa

(4)

所需功率为

(5)

考虑到作业效率受天气环境，以上计算结果[10-11]均需留有余量，故选择风机型号为SF4-2，转速为2 800r/min，风量为11 000 m3/h，功率为1.5kW。

2.3　电源系统

图6为微型自走式电动果园弥雾机电源系统示意图。整机采用铅酸蓄电池供电，总电压为60V，单块电池参数为6V/200mAh。DC模块实物图如图7所示。其采用稳定的buck降压拓扑[12]，由芯片UC3845及外围器件搭建而成[13]，其参数为输入48～62V，输出24V，最大输出电流10A。经过调试和样机测试，DC辅助电源满足后级转向电机、水泵和遥控器的功率需求；同时带有限流保护，过载时及时断电保护用电设备[14]。

图6　电源系统示意图

图7　DC降压模块

3性能试验

3.1　试验结果

试验样机如图8所示。样机在山东农业大学试验田进行性能试验。试验对象为苹果园，果园果树较矮，行距在1.3m左右，株距在0.8m左右，因树枝交叉严重，作业空间高度仅为1.8m左右。试验结果如表1所示。

表1微型自走式电动果园弥雾机性能试验检验结果

Table 1Performance test results of the micro self-propelled electric sprayer in orchard

检验项目技术要求检验结果整机动力/kW≥3.53.5农药搭载量/kg≥90100喷头喷射距离/m≥22.5雾滴直径/μm≤7050~60弥雾范围/m2≥45

续表1

3.2　试验结果分析与讨论

1)整车结构简单、体型微小，在低矮密果园中行走灵活，作业时通过性和越障能力良好。

2)二次弥雾系统工作良好，药液喷射雾面达5m2，雾滴直径为50 ~ 60μm，药滴的空中保持时间较长，叶子的受药率大幅提高。

3)整车采用蓄电池为动力，低碳节能，作业危险系数降低。

4)远程信号发射与接收稳定，可靠性较高达91%，既避免了果农农药中毒，又保障了施药作业的高效率完成。

4结论与展望

微型自走式电动果园弥雾机整机结构简单、体积微小，适用当前果园低矮密植模式。该机采用环保能源电动力，搭载二次弥雾系统，利用先进的远程遥控技术，实现了科技和农机的结合，提高了作业的效率和安全性。通过理论和试验证明：该机可良好地完成果园弥雾作业，具备操作简单、作业可靠、适用范围广的特点。随着越来越多的低矮密植果园的出现，电动力微型遥控植保机械具有广阔的推广应用前景。但因动力搭载的限度，作业续航时间较短，应进一步探究电池总容量和作业时间的最优配置问题[15]。

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Design and Experiment of the Micro Self-propelled Electric sprayer in Orchard

Rong Nannana, Wang Ranrana, Guo Pengjuna, Li Yudaob

(a.College of Mechanical and Electronic Engineering；b.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machineries and Equipments, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018,China)

Abstract：In the face of low high density orchard for the current model, the traditional large equipment can not adapt to work in the closed environment. A new self-propelled sprayer was developed.The equipment based on advanced electric car after the bridge drive system,equipped with Air-secondary mist systemand use the remote control technology,farmers can complete the drug spraying operations without rntering into the Garden . The prototype testing proved that the whole operation is designed to achieve the desired situation. The Transmission efficiency reached to 85% and the stability of reached to 91%.

Key words：orchard; sprayer; electric power; remote control

中图分类号：S491

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0092-04

作者简介：荣喃喃(1990-)，女，山东济宁人，硕士研究生，(E-mail)xinxinxiangrong05@163.com。通讯作者：王冉冉(1979-)，男，山东淄博人，副教授，硕士生导师，(E-mail)wranran@163.com。

基金项目：山东省青少年教育科学规划项目(15BSH073)

收稿日期：2015-09-28