小型自动喷雾型林区苗圃喷药机的设计

丁在兴　闫家政　胡哲铭　王晨　董佳斌　侯卫萍

摘要    针对目前国内喷药机械主要还是以手动机械为主的现状，在保证作业安全的前提下，对小型机械进行改进，采用一种喷雾型喷头，通过可编程控制器（PLC）和红外测距传感器控制，实现自动喷药。通过三维建模和动态分析对机械进行受力分析，通过实验检测的方法不断进行改进，从而得到结构简单、适应地形能力强、工作效率高的小型自动喷雾型林区苗圃喷药机械。

关键词    小型自动喷雾机;可编程控制器;喷头结构;模型构建;林区苗圃

中图分类号    S224.3        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）19-0165-02

Design  of  Small  Automatic  Spray  Type  Spraying  Machine  for  Nursery  in  Forest  Area

DING Zaixing 1    YAN Jiazheng 1    HU Zheming 1    WANG Chen 2    DONG Jiabin 1    HOU Weiping 1 *

（1 College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin Heilongjiang 150040; 2 College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin Heilongjiang 150040）

Abstract    In view of the current situation of domestic spraying machinery was mainly manual machinery， under the premise of ensuring the safety of operation， the small machinery was improved. A spray nozzle was adopted， which is controlled by PLC and infrared distance sensor to realize automatic spraying. Through three-dimensional modeling and dynamic analysis， mechanical analysis was carried out， and continuous improvement was made by means of experimental detection， so that small automatic spraying forest nursery spraying machine with simple structure， strong adaptability to topography and high working efficiency was obtained.

Keywords    small automatic spray machine; PLC; nozzle structure; model construction; nursery in forest area

在林区苗圃育苗的过程中，喷药治虫必不可少，但是我国所使用的喷药机械中手动机械占比很大[1]，并且存在喷药效率低、农药利用率低等问题。因此，研究设计小型自动喷雾型喷药机可以提高喷药效率、降低喷药成本、提高农药利用率等，对林区苗圃育苗自动化具有重要的实际意义。

目前，我国喷药机械种类少，基本以背负式手动喷药机械为主，而且专用施药机械匮乏，大多都是用同一机具进行不同植物的病虫草害防治。喷药机械的关键性部位是喷头，我国在这方面的技术含量低，大部分为径向进液式圆锥雾喷头，这种喷头雾化效果不高，不能均匀喷洒农药，使用时屡屡发生药害和环保事故。

小型自动林区苗圃喷药机专门用于苗圃育苗，其具有小型机械的灵活性，通过设计控制系统达到在苗圃内自动喷药的目的;同时，利用文丘里效应对喷头进行设计改进，以提高药液的利用率。

1    小型自动喷雾型林区苗圃喷药机整体结构设计

1.1    系统组成

本文設计的小型自动喷雾型林区苗圃喷药机由喷药模块、运动模块、电源模块和控制系统等构成，其中电源模块采用蓄电池供电，控制系统由可编程控制器（PLC）、红外测距传感器和远程控制模块等组成，运动模块由2个电机提供动力，喷药模块由液泵、药箱、喷头、机械臂、液压杆、旋转台和软管等构成。通过控制系统对各个模块进行控制调整，实现控制行走、自动喷药的功能。

1.2    工作原理

本文设计的小型自动喷雾型林区苗圃喷药机通过红外测距传感器来判定喷药机与树木枝叶间的距离，并传递信号给控制系统。根据传递的信号，控制系统对液泵以及控制阀门下达命令。当达到适当的喷药距离，则开启阀门;未到适当距离，则关闭阀门。通过控制液泵，根据不同的距离对药液施以不同的压力，以达到药液的最佳喷射初速度。当药液受压力作用流入喷管后，雾化片将药液转化为雾状，以在喷药时增加药液的覆盖率。当喷药达到额定限量时，控制系统关闭阀门，残余在喷管中的药液沿胶管回到药液箱。至此，一次喷药过程结束，如图1所示。

1.3    控制系统设计

控制系统由可编程控制器（PLC）控制[2]，其通信端口与远程控制模块相连，通过其接收信号，控制小车的移动。通过接收红外测距传感器和电子眼信号，进而控制喷药。本文对可编程控制器采用模块化编程方法，对小型自动喷雾型林区苗圃喷药机设立3个模块：接收远程控制模块信号，控制运动模块转向电机和直行电机正反转，并通过内置调速器调速;根据红外测距传感器感测车体与苗圃植株的距离，并与预先设定值比较，当达到适当距离时启动液泵，进而控制药液喷射;在药箱底部放置压力传感器，感测药液压力，通过AD模数转换器将数字信号传给可编程控制器，并与预先设定压力值比较，当压力值低于预先设定的压力值时，可编程控制器关闭液泵，不再喷药。

2    喷药模块设计

2.1    喷药机构的设计

此小型自动喷雾型林区苗圃喷药机采用一种气液两相雾化喷头，在喷药机上安装红外测距传感器，使小车和雾化喷头与植株保持一定的距离，同时减少农药的浪费以及其对环境的污染。

气液两相流雾化喷头是基于文丘里效应（图2）进行设计的，通过增加气液两相的相对速度差来增大气压动力，使药滴在气压的作用下破碎得更细，提升雾滴的弥散性，可适应多种植株[3]。喷头与滑道滑动配合，滑道与机械臂旋转配合，通过螺栓固定，机械臂由液压杆控制。喷头通过软管与液泵相连。液压杆安装在旋转台上，使喷头可以在水平面内多角度旋转和移动，可适应多个方位（图3），从而满足不同植株喷药的需要。根据喷药机与植株距离的远近，以及枝叶的密集程度，通过控制液泵工作功率，可改变药液的喷射量和喷射速度，使药液得到充分利用，并尽量减少药液对环境和人体造成的伤害。

2.2    管道的设计

材料选取上，选取易得、价廉、无毒、无公害的可降解、可回收或不被农药中化学物质腐蚀的材料。此外，由于喷药机载重较小，管道材料应较为轻便。

管道设计上，管道应分为2路，一路为多余药液流回药箱;另一路经控制阀到喷头，经2次雾化后形成雾滴喷向林木。根据林木高度的不同，管道应具有一定的伸缩弹性。

3    建模分析

3.1    三维模型建立

小型自动喷雾型林区苗圃喷药机主要用于对林区苗圃的虫害防治。由于乔木幼苗期的高度主要集中在5～20 cm，故在实际喷药作业时药液管道高度应达到20 cm，喷洒最大半径为150 mm。旋转台回转范围为0°～360°，喷头回转范围为0°～360°且垂直方向旋转范围为0°～180°。喷头的起升方式为液压杆举升，并满足承受机械自重载荷和喷药的要求。

根据小型自动喷雾型林区苗圃喷药机的实际要求按照1∶1的比例通过pro/e软件进行模型的建立，喷药机整体为金属框架结构，在安装动力装置、传动装置和供药系统时均有相应的安装控件。为避免部分特征和小结构特征影响网格的质量，故在实体建模时对模型进行简化，从而减少分析精度降低等问题。pro/e软件具有良好的模型建立和仿真受力分析的功能，在pro/e中建立满足设计要求的喷药机模型，从而便于对喷药机的实际工作情况和受力情况等进行分析，如图4所示。

3.2    车架受力分析

该喷药机工作部分用于喷洒农药，对虫害进行防治。工作部分的车架需要支承各个模块，并承受外部载荷作用。根据使用要求，选用材料为合金钢。根据受力分析可知，喷药机模型中喷洒农药过程中所受外载荷最大为200 N，所以在受力分析时对车架支撑部分处施加固定约束和外载荷，模拟车架实际工作过程中的工作情况。由图5可知，其变形量最大为0.33 mm，此车架满足使用要求。

4    结语

小型自动喷雾型林区苗圃喷药机可适应不同环境、不同地形，克服了目前以背负式药箱人工手动操作为主的喷药缺陷[4-5]，实现了作业的自动化、机械化，提高了工作效率;同时，对喷头进行相应的改进，减少了药液在空气中的漂移，提高了农药利用率，有效解决了人工喷洒过程中效率低、工作强度大的问题。

5    参考文献

[1] 张玲，戴奋奋.我国植保机械及施药技术现状与发展趋势[J].中國农机化，2002，23（6）：34-35.

[2] 王卓鑫，刘娟，闫家政，等.搅拌式锯链疲劳试验装置研究[J].哈尔滨轴承，2019，40（1）：29-32.

[3] 李雪，陆岱鹏，王士林，等.一种农用气液两相喷头的设计与喷雾特性仿真[J].江苏农业学报，2019，35（3）：722-728.

[4] 李进海，王昱潭，杨术明，等.温室自走式自动喷雾机的研制[J].河南农业科学，2016，45（7）：137-142.

[5] 陈来荣，冀荣华，赵亚青，等.温室无人自动喷雾系统设计[J].湖北农业科学，2011，50（3）：587-589.

作者简介   东北林业大学2019年国家级大学生创新创业训练计划项目（201910225010）。

通信作者

收稿日期   2020-06-10