智能果园植保机的设计与试验研究

刘艳芬,黄士超

(青岛农业大学 机电工程学院,山东 青岛 266109)

0 引言

水果是我国主要的特色经济作物,其田间管理过程中存在作业环节多、用工量大、生产成本高等突出问题,成为制约水果全程机械化生产的主要瓶颈[1-3]。目前,我国植保机械的发展还不完善,与发达国家相关方面还存在一定差距[4-5],主要包括:雾化效果差,药液利用率不高;相关机械类型单一,缺少某些专门化防治机械;风机、喷头、液泵等关键零部件远未达到发达国家同类型产品的质量和寿命,仍需改进和创新[6-11]。为了研发雾化效果好的高效植保机,部分发达国家在20世纪40年代就采用风力雾化,而我国自20世纪80年代才引进了此项技术。该技术利用高速风机产生的气流将药液雾化并输送至靶标,有效减少了雾滴的偏移靶向浪费,实现了低量药液下的高效喷雾[12-16]。

针对自动喷雾的研究,国内目前有傅泽田等通过试验探讨了喷嘴类型、布置高度及喷雾压力等因素对雾滴分布均匀性的影响特点,并对转子喷头雾滴的初速度和空间轨迹进行了研究,从而找出雾滴的飘移原因,定量分析了雾滴的分布特性[17]。邱白晶等从探测技术、控制技术及系统集成3方面对变量喷雾技术进行了综合评述,指出了变量喷雾后续的发展方向[18]。近年来,我国喷雾技术发展迅速,相应的机械设备也受到了重视,但与发达国家相比,我国的植保机械及零部件喷头仍存在种类少、品质劣等问题[19]。

本文基于液压控制、自动控制原理,设计开发了具有启停、速度控制、药量调整等动态管理功能的自走式喷雾智能果园植保机,对可升降轴风送喷雾技术、液力驱动无级变速履带式行走技术等进行研究,并获得良好的田间试验反馈。

1 设计原理及机构

果园植保机的作业环境较差,宜采用履带式行走系统。果园植保机主要由液压电控,风送喷药和无线遥控等部分组成,如图1所示。

1.药箱 2.智能、电液控制系统集成 3.降温风扇 4.机架 5.驱动轮 6.承重轮 7.履带 8.张紧装置 9.风机 10.喷头和挡药板 11.升降装置 12.电控柴油机 13.换向阀及一系列阀体图1 果园植保机整机结构示意图Fig.l The whole machine structure

本机是集电控、液压、机械和无线遥控技术为一体的果园植保机,采用液压驱动行走代替了传统的齿轮箱传动,电控变量柴油机作为原动机拖动齿轮串泵工作;齿轮串泵经电磁换向阀及一系列阀体与履带驱动轮后的液压行走马达相连,经履带驱动轮、托链轮、导向轮、承重轮等轮系使履带动作。通过与电磁换向阀等阀体相连的电控系统来控制液压行走系统的一系列动作,并通过电控系统中的脉冲宽度来调节喷药的脉冲宽度,从而实现喷药量控制。液压升降系统由垂直方向的液压缸带动,升降系统可带动风机、挡药板与喷头进行上下移动。风机由变量液压马达提供动力,可通过改变液压马达的转速来改变风机的转速,进而改变风送喷药的力度。药箱设有液位计实时显示药量,为调节喷药量提供参考依据。履带内设有张紧装置,可根据需要对履带进行张紧。

采用遥控手柄进行作业,未设置驾驶位,可用手柄控制该机风送喷药部分的升降、机器转弯和变速。采用基于双控串联的液压泵与马达,可实现整机的无级变速行走。同时,研究了基于电子与控制相结合的比例控制技术,研制了具有扭矩、弯矩均量化的动力传递机构和基于履带的速比动态约束行走系统,实现了泵、风机、传动与行走参数的有机结合。

2 主要部件设计

2.1 液压系统设计

整机的液压回路包括锁紧回路、卸荷回路、缓冲回路和调速回路。通过如图2所示的液压系统,可实现整机的无级变速行走、转向控制、风机的转动与风送喷药部分的升降。

图2 整机液压系统图Fig.2 Hydraulic system diagram of the machine

图2中,液压系统的驱动由串泵N1和发动机自带的齿轮串泵N3组成,串泵为闭式系统,由串泵N1自带的一个齿轮泵N2为其补充损失的液压油。

履带行走系统是由串泵N1提供动力,左右行走马达均与一个二位二通的手动紧急制动开关S1并联,S1按下时,串泵N1的出油口与进油口短接,使串泵N1卸荷。齿轮泵N2通过管路C与三阀(节流阀、单向阀、溢流阀)并联的复合阀相连,溢流阀用于限定供油的压力,单向阀保证液压油不会大量倒流,节流阀用于流量控制,三阀并联起到保压、调压、泄压的作用,可以保护液压元件和增强油路的稳定性。油路在连接左右两个行走马达时先分别连接了一个冲洗阀块,用于闭式系统中,由一个三位三通电液换向阀和一个溢流阀串联组成,是依靠高压端的压力推动阀芯,将低压端的液压油送回油箱,同时保持低压压力。其主要用于将闭式系统中的热液压油释放出来,达到降温和清洁的作用。苹果植保机的前进、后退和制动是由遥控直接控制串泵实现的。

液压升降系统是由发动机自带的齿轮串泵提供动力,液压油先通过中位机能为H型的二位四通电磁换向阀S2,与其并联的溢流阀G1的限压为10MPa,再经过OMP50型的水泵马达后,输入中位机能为H型三位四通电磁换向阀S3,再经液控单向阀G2,串联1个由单向阀和节流阀并联的复合阀G3,输入到液压缸中。此回路可起到锁紧及缓冲调节的作用,升降油缸上升时复合阀G3相当于一个普通单向阀,下降时液压油经油路D进入油缸,当油路D内压力过大时,液控单向阀受控打开,油液可通过复合阀G3内的节流阀缓慢回流,改变压力重新达到平衡,此时油缸带动风送系统缓慢下降,改变节流阀参数可调节油缸下降速度。若停止供油,则液控单向阀G2关闭,回路处于锁紧状态。通过遥控控制电磁换向阀可以改变液压缸的运动方向,实现苹果植保机喷药高度的调整,其中的溢流阀G1还起到过载保护的作用。风机马达的动力来源也是发动机自带的齿轮串泵,经过中位机能为H型的二位四通电磁溢流阀S4,与其并联的溢流阀G4限压为17MPa,再经过风机齿轮马达,由遥控控制电磁换向阀来控制风机的转动。

2.2 风力箱设计

2.2.1 喷药装置的设计

喷头是将药液雾化并将其均匀喷射的部件。喷头雾化的基本原理为:将气体与药液混合后,高速运动的气体将药液冲散成小液滴而雾化;药液雾化后,经过装置的动力喷射到有一定距离的农作物上。

在喷头种类的选择上,要考虑到抗漂移、均匀性及覆盖性。雾粒的直径过大,虽然抗漂移性能增强,但覆盖性较差;雾粒直径过小,易随风飘散,不易控制。常用喷头有离心喷头和扇形压力喷头两种:离心喷头是利用电动机旋转产生的离心力将药液甩出,由于药液不受压力而抗漂移性差,不适合用于作物较高的场合;扇形压力喷头通过液压装置给药液施压,带有一定压力的药液通过喷头喷射出去,因此抗漂移性较强。

喷药装置主要由喷药装置主体、储气装置及扇形喷头3部分构成,如图3所示。装置主体底部有1个进液孔,用来通入配置好的药液,与扇形喷头接触的地方有一气液进入孔和气液混合腔,被混合的气液由此处进入到扇形喷头;储气装置与主体装置在内部形成一个空腔,空腔与进液、进气、扇形喷头联通;扇形喷头与装置主体通过螺纹连接。

配置好的药液通过进液孔进入到有装置主体和储气装置所形成的空腔,进气口进入由风箱输入的高压空气。其中,药液的流量由电控系统的脉冲宽度控制。药液与高压气体在空腔中混合,高压气体带动药液由气液进入孔进入气液混合腔,最后由扇形喷头雾化喷出。

2.2.2 风力箱流场分析

风力箱内部结构如图4所示。喷药装置通过螺纹连接固定在挡药板内,并向上倾斜一定的角度,风机位于喷药装置的下部,为喷出的药液提供风送动力。

通过计算流体力学分析方法(CFD)进行分析。流体连续性方程即质量守恒方程,单位时间内流出风力箱的气体净总质量总和应等于同时间间隔风力箱内因密度变化而减小的质量,故其流动连续性方程的微分形式为

(1)

其中,vx、vy、vz为x、y、z等3个方向的速度分量(m/s);ρ为流体密度(kg/m3);t为时间(s)。

湍流时的雷诺方程为

(2)

(3)

使用Ansys Fluent软件对风力箱内部进行流场分析。此次设计的风力箱进风口半径为0.275 m,对风力箱内部流体几何进行建模,如图5所示。风力箱内部流场属单向流的湍流模型,在Viscous Models中选择K-epsilon(2eqn)模型,调整边界条件Velocity Magnitude为7 m/s,Turbulent intensity为5,Turbulent Length Scale为0.5,分析在进口风速7m/s状态下的风力箱流场。迭代次数为1 000的计算结果如图5所示,展示了气体在风力箱内的速度分布。

图5 流场分析Fig.5 Flow field analysis

图5中,在进风口处风速约为7 m/s;在拐角位置风速骤升,最高为13.5m/s;在风力箱出口0.4-～1.1m高度处,风速多为3.43-～5.44m/s。因此,为提高雾化效果、增强喷雾稳定性,将喷药装置安装在0.8m高度处。

2.3 电控变量柴油机的选择

本机应用的是型号为4L22B的电控柴油发动机,可通过遥控控制发动机各缸的喷油量进而控制发动机的转速,起到相当于油门的作用;通过控制发动机转速来控制动力输出的大小,进而来控制各泵的转速来控制各液压马达的转速。

3 田间试验与结果

3.1 试验基本条件

田间性能试验在山东省烟台市栖霞市臧家庄镇义庄范家村进行,如图6所示。试验地位于山东省胶东半岛腹地,北纬37°05′～37°32′,东经120°33′～121°15′,主要地形为丘陵山地。栖霞属暖温带东亚大陆性季风型半湿润气候,四季交替分明,多年平均气温11.4℃,年均日照总时数为2 659.9 h,平均无霜期209天,平均地面温度13.6℃;年平均降水量为700mm左右;土壤类型为砂质壤土,土层深厚、土壤疏松肥沃。

图6 智能果园植保机田间试验Fig.6 Field test of intelligent orchard plant protection machine

果园为矮砧密集种植模式,苹果品种为红富士。试验喷洒药液为1:3:(200～240)倍式波尔多液。试验重复3次,试验结果取平均值。

3.2 试验结果

智能果园植保机试验结果,如表1所示。

表1 智能果园植保机试验性能结果Table 1 Experimental performance results of the Intelligent orchard plant protection machine

试验表明:智能果园植保机作业质量完全满足果园植保的农艺要求。表1中,作业幅宽为6.26m,标准差为0.13,变异系数为2.1,完全满足果园植保机作业幅宽不少于6.0m的要求,且作业合格率为100%。喷雾量、喷洒均匀性、智能化响应时间和生产效率的结果均符合果园植保机的作业要求。

4 结论

1)田间试验表明:整机采用履带式行走系统,机器行走平稳,通过性和适应性强,比轮式行走系统更适宜于果园植保作业。

2)该机采用液压装置驱动,大幅提升了植保机的控制精度,且喷药量、喷药高度可实时调制,具有机动性强、灵活度高、操控简单、作业效率高等优点。作业幅宽为6.26m,喷雾量为0.82L/min,喷洒均匀性变异系数为6.24,智能化响应时间为1.9s,生产效率为0.73hm2/h,完全满足果园植保机的设计要求。

3)智能果园植保机作业效果完全满足果园植保的农艺要求,有效解决了果园植保耗费大量人力的问题,大大降低了作业成本。