背负式可控制喷头座开合的树木涂白机

陈安锐 都基毅 卢蓓 罗华

研究背景

在美丽城市建设的过程中，越来越多地将园林绿化融入建设美好宜居城市理念之中，如大面积采用乔木作为城市景观植物。为确保路边行道树和公园景观树等乔木植物免遭病虫害侵袭，目前普遍采用人工给树干涂白的方法。但人工涂白效率低、耗时长、需要大量劳动力，且现有辅助涂白工具体积较大、实用性不强。为此，我希望设计一款能快速、高效对树干进行涂白的背负式涂白机，既能快速涂白，减少劳动力，又能让涂白剂附着更均匀，减少人工粉刷涂白剂的用量。同时，还可以避免工人粉刷涂白剂时长时间吸入刺激性气体。

研究思路

采用文献法、调查法、观察法、访谈法等研究方法，收集各种树木涂白的相关资料，明确设计的适用范围；对目前现有的树干涂白工具或机器装置进行调查、分析；构思、查新、设计作品结构，制作模型或成品；对模型实用性进行测试。

设计制作

结构组成

这款背负式可控制喷头座开合的树木涂白机主要由左右活动圆弧喷体、喷头支座、背负式电动调速喷雾器3部分组成（图1）。其中，左右活动圆弧喷体包括喷嘴、三通接头和弯管；喷头支座包含限位齿轮、带有减速机构的12 V每分钟60转的马达、座壳和“Y”型三通头；背负式电动调速喷雾器包含蓄水箱、泵机、12 V 6 A蓄电池、控制电路和喷管。左右活动圆弧喷头开合利用带有限位装置的齿轮啮合传动机构控制，通过减速电机和控制开关控制活动圆弧随意调节开合弧度，以实现对不同直径树木涂白的作业需求。

设计方案与改进

第1代背负式可控制喷头座开合的树木涂白机

工作原理 操作者背着喷壶，手握喷杆，当喷头座靠近树干涂白高度时，将半圆形喷头座靠近树干5 10 cm，按下喷杆上开关按键。喷壶内喷泵机启动，涂白剂通过泵机吸入，经过喷杆输液管到达喷头座，由喷头座上的“Y”型三通头流入两侧软管，进入左右圆弧喷体，最后从6个喷头喷出，操作者握住喷杆沿着树干由上而下移动，涂白剂均匀喷附树干，完成涂白。

设计思路 左右活动圆弧喷体分别为2个半径300 mm的1/4圆弧PVC管，开合时可形成一个直径为600 mm半圆。活动圆弧上共安装了6个可调节铜喷头。左右圆弧喷头用普通螺栓连接安装在喷头支座上，通过调节六角螺母可控制左右活动圆弧喷头开合。喷头支座经过自制三通管与背负式电动调速喷雾器相连。三通管进口处连接背负式电动调速喷雾器，2个出口分别与左右活动圆弧喷头连接。

实地测试与后期改进

根据设计思路，确定设计各部件相应参数，利用3D打印机完成原型，制作完成第1代背负式可控制喷头座开合的树木涂白机，并进行了实地涂白效果测试。涂白测试设定为不同工具在相同树种、相同种植时间、相同种植环境下完成一棵树干涂白的时间对比实验。根据测试结果及问题分析不断改进完善设备，先后将圆弧喷体直径改为400 mm；将喷头座上的6个喷头每2个喷头与喷头座圆心设计成60°夹角并均匀分布成整圆；将手动调节喷头座开合改进为电动控制喷头座左右活动圆弧开合；将原有减速电机驱动齿轮啮合结构改进为舵机驱动控制左右，升级换代开发了第2代、第3代，直至較为满意的第4代背负式可控制喷头座开合的树木涂白机。

第4代背负式可控制喷头座开合的树木涂白机（图2）

工作原理 操作者背着喷壶，手握喷杆，按下喷杆上开关控制左右圆弧喷头座开合。该喷头座可以在舵机控制下，根据树木直径大小，随意调节左右圆弧喷头座开合弧度。按下喷杆上喷液开关，喷壶的喷机启动，涂白剂通过泵机吸入，经过喷管到达喷头座，由喷头座上的Y型三通头流入两侧软管，进入左右圆弧喷体，最后从6个喷嘴喷出。操作者握住喷体沿树干由上而下移动，喷浆均匀吸附树干，完成涂白。喷涂完毕，长按开关，喷头座便可打开移出。

设计思路 控制左右活动圆弧开合的齿轮啮合传动机构保留，将减速电机改为舵机控制活动圆弧喷头座开合；同时设计鸭式头，以适应喷洒不同种类液态物质需要。

测试结果 改进后的第4代背负式可控制喷头座开合的树木涂白机涂白效率为人工涂白的3 4倍，基本达到预期设计效果，整体结构简洁美观，操作简单，控制灵活稳定，大大降低了人工劳动强度，提高了工作效率。测试效果见图3。

创新点

喷头支座安装简易，并可连接大多数喷洒器。

设计不同结构的喷头，可根据不同种类的液态物质更换不同的喷头。

舵机控制齿轮啮合传动机构，根据树木不同直径可以随意调节喷头座弧度。

铰链结构设计新颖，运动自如，精度准确无卡滞。

三通阀连接分流，保证液体流通顺畅，保持压力。

用途广泛，可浇花、喷洒农药等，工作效率高，雾化效果好，喷洒均匀。

项目进一步完善的设想

当树木直径较小时，喷头支座两端的二通喷头喷出的液体会溅到操作者身上，希望在下一步的改进中能解决这个问题。

现在使用的喷头孔洞较小，喷涂动力不足，下一步希望能寻找到一款体积小、重量轻且动力足的喷泵，提高喷涂效率。

可在涂白机上使用传感器，当涂白机感应到树干后左右圆弧喷头座能自动打开；当传感器感应到树干某一部分未涂白时，喷头可自动调节角度对准这部分涂白。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目小学组技术类一等奖。

专家评语

该项目通过对比实验，确定设计各部件相应参数，完成了“可控制喷头座开合的树木涂白机”原型制作并进行实地效果测试。试用达到了设计目标，成品较好。设备在实际喷洒油漆的时候，有很多油漆浪费，说明该机器在效率方面还有待改进。建议针对不同直径的树木，对如何全包裹喷洒油漆再作改进。同时，在喷洒的浓度和速度方面加以改进，以减少喷洒液体的损失。■