可拆卸式IPX5—6 级防水检测系统的设计及研制

广东省农业技术推广中心

□ 郑凯仁

近年来，我国农业航空产业特别是植保无人机获得快速发展，因其具有作业效率高，不受地形、地势限制，可定点悬停精准作业等优势，成为农机市场的热点产品。在植保无人机作业或转场运输中，常常受到户外恶劣环境或雨雾天气等因素影响，其防水结构不到位就会导致进水或雾化，从而严重影响植保无人机性能甚至失控坠落。因此，防水性能的优劣，成为衡量其安全性和质量好坏的重要指标。这就要求在设计制造过程中要采取有效措施，确保植保无人机具有一定的防水能力。

一、设计研制背景

现行植保无人机行业标准DG/T 247—2021 明确规定，植保无人机防水等级应达到IPX5以上，试验方法按GB/T 4208—2007《外壳防护等级（IP 代码）》执行，并将防水等级划分为 10个等级，目的是进行如下三方面防护：（1）防止人体触及外壳内的危险部件防护；（2）对固体异物进入外壳设备内的防护；（3）对水进入外壳内对设备造成有害影响的防护。现阶段，各企业对于植保无人机防水性能设计要求IPX5 防水等级，但也有部分机型是在鱼塘等高温高湿环境下作业，防水性能要求更高，达到IPX6 以上。

现有IPX5 和IPX6 防水等级箱体多是用于检测小型电子产品或者元器件，其试验段空间尚小，对试件体积限制较多；水流量一般采取手动控制，自动化程度低且不易自动调节；对于植保无人机这种外形尺寸较大的电子设备，不能提供模拟淋雨环境。针对现有技术存在的以上问题，亟需设计一种新的可以测试植保无人机防水性能的检测系统，用以弥补现有技术不足。

二、设计要求

根据农业机械推广鉴定大纲DG/T 247—2021《植保无人驾驶航空器》条款4.2.1.8 中明确规定，其防水试验检测方法为：植保无人驾驶航空器（也称为“植保无人机”）防水等级应达到IPX5。按照GB/T 4208—2007 的规定方法对整机进行试验，产品应处于通电状态，试验结束后，机具应能正常工作；根据GB/T 4208—2007标准要求，研发一套能够满足植保无人机防水等级IPX5 以上的检测设备。经过验证，IPX5和IPX6 的防水等级试验可集成在一套防水箱体内，整套设备须满足以下条件。见表1。

表1 GB/T4208—2007 规定IPX5、IPX6 的试验

同时，考虑到植保无人机尺寸偏大、现有防水箱体的空间偏小、对样品体积限制较大等实际情况，并且植保无人机尺寸以后有可能越来越大，这对于防水箱体的要求来说，要么防水箱体足够大，要么防水箱体可以拆卸并根据实际需求向四周扩展箱体大小。

该试验设备在在设计时，对现有防水箱体不足和植保无人机尺寸偏大的实际情况作了综合分析，具体如下：

1.试验用箱体应能根据实际植保无人机大小进行拆卸与安装，箱体由玻璃墙（可拆卸）和玻璃门（可拆卸）组成，玻璃墙和玻璃门之间采用可拆卸的铆接结构，箱体要有良好的密封性，能防止水分泄漏，同时试验用箱体内部的排水与进水装置应合理布置。

2.试验台可根据植保无人机等试件的大小调整试验台的高度和旋转速度，以保证喷嘴与试件表面之间的距离符合试验要求。

3.该系统在进行喷水试验时，有最大喷水量的覆盖面，试验用喷头架应能自由移动，可根据需求进行上下、左右位置的灵活调节。

4.该系统的喷嘴应有大小调节装置，保证试验用水压满足试验要求。

三、系统概述

1.系统结构

可拆卸式IPX5—6 级防水检测系统主要由箱体、喷嘴装置、试验台、水流量调整与测量系统、控制系统等主要组成，如图1 所示。该系统是将IPX5和IPX6 的防水等级试验集成在一个箱体内，系统测量范围为，IPX5：喷嘴内径6.3mm，流量12.5L/min；IPX6：喷嘴内径12.5mm，流量100L/min，水流量准确度为±5%。

图1 外观设计图

该系统组成部分如下：

①可拆卸可移动箱体：由玻璃墙（可拆卸）、玻璃门（可拆卸）和底部栅格网组成，箱体在满足良好密封性的同时，也可根据需求扩展大小；

②喷嘴装置：喷头架上有两个内径大小分别为φ6.3mm和φ12.5mm 的喷嘴，喷嘴置于喷头架上，喷射角度和喷头架可根据需要机械调节,从而实现所有可能方向向对置于试验台上的植保无人机喷水；

③试验台：位于箱体内，可根据植保无人机大小机械调整试验台高度和通过PLC 控制系统调节转盘速度；

④试验水输入和排出：主要由水箱、抽水泵和排水口组成，能够满足试验过程中试验用水的循环使用；

⑤水流量调整与测量系统：由PLC 可编程控制器、水泵电机、流量变送器和变频器等组成，可将喷嘴出水的流量应调整到能提供指定的流量速率；

⑥控制系统：采用PLC 控制，通过控制水压、水流量、转盘速度等参数实现各种操作和控制。

2.箱体设计

目前，IPX5 和IPX6 的防水等级箱体多用于考核电工电子产品在运输或使用环境中可能受到的淋水影响，由于植保无人机尺寸偏小，箱体有效试验空间尚小，对试件体积限制较多。现阶段常见植保无人飞机外形尺寸一般为长2 m，宽2.0 m，高0.8 m。针对目前情况，考虑到试验台与喷头距离要2.5m—3m 之间，防水箱体试验空间至少为5.0m×2.0m×0.8m 的长方体。为了测试操作方便，满足更宽测试范围，本系统设计的箱体由玻璃墙、玻璃门和底部不锈钢地板、塑料栅格网组成，其外形尺寸为5.8 m ×4.7 m ×3.0 m，箱体有效容积为81.78m³。其中玻璃门的门洞尺寸为2.4m×2.2m（长×高）,便于将尺寸较大的植保无人机（被测物体）置于箱体内的试验台上，同时为了保证有可能尺寸更大，特将玻璃墙、玻璃门为可以拆卸的铆合结构，可根据实际需要，箱体可拆卸并进行快速组装，其外形大小可以向上下和左右扩展，满足将来测试扩展需要。

3.喷嘴装置设计

根据GB/T4208 的要求，IPX5 和IPX6 的喷嘴喷水口是一个内表面光滑无故障的圆锥体，内径大小分别为φ6.3mm和φ12.5mm 的喷嘴，喷嘴结构如图2 所示：

图2 喷嘴结构图

虽 然 国 标GB/T 4208—2007 规定了喷嘴产生的水流从机壳（植保无人机）的所有可行方向喷溅。但标准没有对喷嘴装置与试品的喷射角度、方向做很多明确的规定要求。而实际上，植保无人机外壳是不规则形状的，外壳孔隙与接缝可能是上、下、左、右任意方向。因此，在测试过程中，喷嘴的喷射角度、方向、距离与植保无人机外壳测试面的不规则会导致产生很大的进水差异，影响到试验结果。要解决这个问题，就要在箱体内固定喷嘴的位置和方向，同时试验台应能根据需求调整转速，实现植保无人机（被测物体）所有方向喷溅的可能。经过不断测试和调整，确定在距试验台2.5m—3m 方向，设置一个移动喷嘴架的喷嘴装置，有两个喷嘴，内径大小分别为φ6.3mm和φ12.5mm，对应着IPX5 和IPX6 的防水等级试验，该喷嘴架可以通过调整架子上的螺栓高度来调整喷嘴高度，也可通过调整喷嘴与喷嘴架的螺丝来调整喷嘴的喷射角度。

4.试验台设计

试验台根据试验标准要求设计安装。试验台位于箱体内，底部设置四个万向轮，轮子上有设置锁死机构，可在箱体内移动停止，保证喷嘴与放置在试验台的水平距离符在2.5m—3m 之间。同时试验台高度可根据实际需要，机械升降试验台的高度。试验台转盘为直径1000mm 不锈钢，转盘转动采用PLC 可编程控制器输出，由电机带动涡轮减速旋转,从而控制转盘的旋转速度。转盘调速输出范围是0—100r/min，可根据需求在控制柜上调节转盘的转速，从而实现植保无人机（被测物体）所有方向的喷溅可能。

5.试验水输入和排出设计

试验水输入和排出设计主要考虑试验过程中用水保证，主要由水箱、抽水泵和排水口等组成。储水箱用来储存试验用水。试验运行前，自来水经进水阀由进水口流入水箱。水箱内壁上装有两个测量水位的电浮子，分别表示“最高”控制水位和“缺水”控制水位。试验过程中，试验用水由水泵自水箱抽水口抽出后送往喷嘴处向植保无人机喷水进行试验。同在储水箱侧壁靠近箱底部位设有排水口，排水口与箱体底部有一定的倾斜角度，确保试验结束后和清洁水箱时能顺利排放污水。

6.水流量调整与测量系统

水压调整与测量控制系统由PLC 可编程控制器、水泵电机、流量变送器和变频器等组成，以程序自动控制为主。按试验条件要求，喷嘴出水的压力应调整到能提供指定的流量速率，这主要由水泵电机来保障，通过PLC 控制系统对水流量传感器进行采集，对来自通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，通过变频器对水泵电机进行控制，从而实现对水流量控制。变频器是对水泵电机进行转速控制的单元，其跟踪控制器送来的控制信号改变水泵电机的转速控制，从而实现对水流量的控制，满足试验要求。水流量调整与测量系统的功用是对进入喷嘴前的水流进行局部分流，并靠调节分流水量的大小，使之达到试验规定要求。水流量由安装在喷嘴前管道中的流量计来测量完成，对应实测数值可在流量计上显示。

7.控制系统设计

控制系统主要采用PLC 控制器控制，PLC 控制器是可拆卸式IPX5—6 级防水检测系统的核心，系统所有输入、输出控制点都接入PLC 中并通过编程来实现各种操作和控制。PLC控制系统的组成包括 CPU 模块、I/O 模块、电源模块等，同时为了便于日后检测系统的升级换代，保留了外部设备端口，例如监控显示设备及通信联网接口等。

PLC 可编程控制器及 I/O接口模块安装在控制柜内。PLC控制系统的核心是中央处理单元CPU。CPU 从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定任务产生相应的控制信号，去指挥有关控制电路。PLC 的对外功能，主要通过各种 I/O 接口模块与外界联系。

该系统共有两个 I/O 模块：模块1 是输入接口，用于接收各种告警信号；模组2 是输出接口，用于各种控制信号发送，以实现对水流量控制、试验台旋转、IPX5 试验喷水、IPX6 试验喷水以及报警等各种功能控制。同时，如果出现故障等问题，PLC 控制器会启动辅助功能，发出警告或应急停机等。

四、测试结果分析

该系统主要针对植保无人机的防水性能进行测试。喷嘴内径、与外壳最大距离、测试时间等条件按表 1 要求设定，本次防水性能测试主要考核以下内容：

①进行IPX5 防水等级试验时，喷头喷出来的水流量是否在（12.5±0.625）L/min 范围内；

②进行IPX6 防水等级试验时，喷头喷出来的水流量是否在（100±0.625）L/min 范围内；

在进行IPX5 或IPX6 防水等级试验时,水流量参数的测量方法采用称重法，用计量过的电子天平收集水流量在设定值12.5L/min（IPX5 防水等级测试）、100L/min（IPX6 防水等级测试）时一分钟内喷头喷射水的容积。防水性能测试如表2所示：

表2 防水性能测试

测试数据显示， 进行IPX5 和IPX6 防水等级试验时，喷头喷出来的水流量均在（12.5±0.625）L/min、（100±0.625）范围内，符合试验要求。在进行不同水流量值时，水流量准备度的测试结果在-2.8%—3.7%，满足水流量准确度±5 的要求，该指标符合试验要求。该系统可通过改变不同水流量值，模拟不同环境测试条件，对植保无人机或其它中大型设备的外壳各方向不同程度的溅水，检测该设备的外壳防水能力。同时，本系统的玻璃门和玻璃墙为独立单元设计，可根据实际需求向四周扩展箱体的尺寸，从而满足当测试条件改变，或植保无人机外形尺寸改变时的测试需求。

五、结论

本文研制的可拆卸式IPX5—6 级防水检测系统，其箱体的有效容积较大，结构设计合理，各项技术指标均满足试验要求，人工控制、自动化程度较高。而且本系统的玻璃门和玻璃墙壁为独立单元设计，可以根据实际需求快速拆卸并向四周扩展尺寸。当测试条件改变，可以满足植保无人机外形尺寸改变时的测试需求。可拆卸式IPX5—6 级防水检测系统研制成功，为考核植保无人机的环境适用性和产品可靠性提供了科学的试验手段。