張義勝，宮玉敏，侯心愛，刁培松，張銀平，黃道跟，郭 剛

(1.淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所,山東 淄博 255086；2.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000;3.山東魯虹農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，山東 曲阜 273100)

0 引言

植物保護(hù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要工作。農(nóng)作物病蟲害防治是勞動(dòng)強(qiáng)度最大的田間勞動(dòng)[1]，藥物防治是確保農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)增收的重要措施[2]，而植保機(jī)械的自動(dòng)化水平成為降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高植物保護(hù)成效的關(guān)鍵。

目前，我國(guó)大田作物生長(zhǎng)期的追施肥、病蟲害防治等田間管理機(jī)械的研制尚處于起步階段，主要存在的問(wèn)題是可靠性差、故障率高、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能差等[3]。其中噴霧設(shè)備比較落后，很多地方還在使用背負(fù)式的手動(dòng)噴霧設(shè)備或者是高壓噴槍，不僅藥量大、用藥不均勻，而且還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境[4]。農(nóng)藥過(guò)量使用會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)成本增加、農(nóng)產(chǎn)品殘留超標(biāo)、作物藥害、環(huán)境污染等問(wèn)題，直接威脅農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[5]。

傳統(tǒng)噴藥方式采用人工式噴藥，不僅工作強(qiáng)度大、噴藥不均勻，且可能出現(xiàn)重噴、漏噴等情況，無(wú)法保證噴霧質(zhì)量，對(duì)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生一定的污染，使作物產(chǎn)生抗藥性，增加作物感染寄生蟲的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，丘陵山區(qū)地帶占國(guó)土面積的10%[7]。廣大山區(qū)或丘陵地區(qū)種植地塊面積小，道路狹窄，大型植保機(jī)械不方便進(jìn)入土地作業(yè)。

為滿足市場(chǎng)需求，克服傳統(tǒng)噴藥方式存在的缺點(diǎn)，研制了3WP-200型智能植保機(jī)器人。

1 植保機(jī)器人結(jié)構(gòu)及工作原理

3WP-200型智能植保機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo)如下：

遙控四輪自走式；

最小離地間隙≥15 cm；

輪距65～70 cm；

行進(jìn)速度2.4～9.6 km·h-1；

遙控距離≤1 000 m；

藥箱容量200 L；

藥泵流量≥6 L·min-1；

工作壓力0.2～0.3 MPa；

大田除草作業(yè)寬度6～8 m；

葡萄專用作業(yè)高度≤2 m；

果樹型作業(yè)高度≤6 m。

如圖1所示，為3WP-200型智能植保機(jī)器人結(jié)構(gòu),由動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)4部分組成。

動(dòng)力系統(tǒng)由5.5 kW汽油發(fā)電機(jī)和交直流轉(zhuǎn)換器組成，也可更換為蓄電池。動(dòng)力系統(tǒng)最后輸出直流電，分別為行走系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向電機(jī)、四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、噴霧系統(tǒng)中的藥泵、噴槍電機(jī)、控制系統(tǒng)、控制器等提供電力。

控制系統(tǒng)由控制器和遙控器組成。機(jī)器人作業(yè)時(shí)，工作人員通過(guò)遙控器遠(yuǎn)程操作，控制器通過(guò)天線接收到信號(hào)后，向各系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)指令，控制植保機(jī)器人的前進(jìn)、后退、停止、轉(zhuǎn)向和作業(yè)。

行走系統(tǒng)由四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向電機(jī)組成。每個(gè)行走輪上方安裝有轉(zhuǎn)向電機(jī)，每個(gè)行走輪中心安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，完成植保機(jī)器人的行走及轉(zhuǎn)向工作。

噴霧系統(tǒng)由藥泵、藥液箱、噴灑裝置組成。噴霧系統(tǒng)開關(guān)由遙控器控制，藥泵為農(nóng)用3缸柱塞泵，藥泵將藥液箱中藥液輸送到噴灑裝置。

植保機(jī)器人采用后置式噴灑裝置，配置噴槍擺動(dòng)噴灑、噴頭裝載于垂直噴桿噴灑、噴頭裝載于橫向噴桿噴灑三種結(jié)構(gòu)型式，分別滿足果樹、葡萄架、大田農(nóng)藥噴灑需求。

1.保護(hù)罩；2.藥液箱；3.機(jī)架；4.驅(qū)動(dòng)輪；5.藥泵；6.控制系統(tǒng)；7.前車架總成；8.發(fā)電機(jī)；9.噴槍擺動(dòng)噴灑裝置；10.保護(hù)架；11.藥泵進(jìn)口；12.壓力調(diào)節(jié)閥門；13.藥泵出口a；14.藥泵出口b；15.整流穩(wěn)壓模塊；16.換熱器圖1 噴槍擺動(dòng)噴灑植保機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2 三種噴灑裝置結(jié)構(gòu)

2.1 噴槍擺動(dòng)噴灑裝置

如圖2所示,噴槍擺動(dòng)噴灑裝置由擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)護(hù)罩、電機(jī)、減速機(jī)、噴灑裝置固定板、噴灑機(jī)構(gòu)組成。

如圖3所示，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)總成由螺栓、電機(jī)擺動(dòng)拉桿、連接桿、關(guān)節(jié)軸承、螺母、噴灑機(jī)構(gòu)及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連接桿等組成。

藥泵兩個(gè)出水口分別連接到兩個(gè)噴槍，兩個(gè)噴槍固定在擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上。電機(jī)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)左右往復(fù)擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)噴槍一邊噴灑，一邊左右擺動(dòng)。兩個(gè)噴槍通過(guò)搖擺可以實(shí)現(xiàn)180°無(wú)死角全方位噴灑，噴槍噴霧距離大、覆蓋面廣，可用于果樹植保作業(yè)，作業(yè)高度在6 m以內(nèi)。

電機(jī)采用直流小型齒輪減速電機(jī)，功率40 W，額定電壓24 V，轉(zhuǎn)速3 000 r·min-1。減速機(jī)減速比120∶1，即減速機(jī)最高輸出轉(zhuǎn)速為25 r·min-1。調(diào)整輸入電壓的大小，可改變輸出轉(zhuǎn)速的大小,即改變擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)頻率。

1.擺動(dòng)機(jī)構(gòu)；2.電機(jī)護(hù)罩；3.電機(jī)；4.減速機(jī)；5.固定板；6.噴灑機(jī)構(gòu)圖2 噴槍擺動(dòng)噴灑裝置結(jié)構(gòu)圖

1.擺動(dòng)拉桿；2.連接桿；3.關(guān)節(jié)軸承；4.關(guān)節(jié)軸承；5.連接桿；6.銷軸；7.銷軸圖3 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)總成

1.彎頭；2.噴頭；3.軟管卡子；4.軟管1；5.軟管2；6.接頭；7.軟管3；8.軟管4；9.三通；10.卡箍；11.豎管底部固定段；12.豎管底部T型連接段；13.進(jìn)水軟管；14.橫桿；15.噴頭固定卡子圖4 噴灑裝置(垂直安裝)結(jié)構(gòu)圖

2.2 噴頭裝載于垂直噴桿噴灑裝置

如圖4所示,噴灑裝置替換為桁架式，即噴桿垂直安裝，噴桿上均勻設(shè)置12個(gè)噴頭，藥泵兩個(gè)出口分別與垂直噴桿噴灑裝置兩個(gè)進(jìn)水口連接軟管連接，藥液通過(guò)12個(gè)噴頭進(jìn)行噴施。

垂直噴桿噴灑裝置適用于對(duì)獼猴桃、葡萄、西紅柿、黃瓜等爬藤果蔬進(jìn)行噴灑作業(yè)，作業(yè)高度在2 m以內(nèi)。

2.3 噴頭裝于橫向噴桿噴灑裝置

如圖5所示,噴桿橫向安裝時(shí)，噴桿上均勻設(shè)置12個(gè)噴頭，藥泵兩個(gè)出口分別連接到橫向噴桿噴灑裝置兩個(gè)進(jìn)水連接軟管，藥液通過(guò)12個(gè)噴頭噴向植物。橫向噴桿噴灑裝置可以進(jìn)行大田、葉菜類的噴霧作業(yè)，作業(yè)寬度為6～8 m。

1.彎頭；2.軟管；3.噴頭；4.三通；5.噴頭固定卡子；6.斜拉桿；7.進(jìn)水軟管；8.T型固定架；9.卡箍；10.軟管卡子；11.橫桿圖5 噴灑裝置(橫向安裝)結(jié)構(gòu)圖

3 噴灑量測(cè)試

2020年9月14日，在淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所院內(nèi)，對(duì)3WP-200型智能植保機(jī)器人2#樣機(jī)進(jìn)行了噴灑量初步測(cè)試。測(cè)試按照T/CAMA 22-2019《噴桿式植保機(jī)器人》、GB/T24677.2-2009《噴桿噴霧機(jī)試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。測(cè)試項(xiàng)目為噴槍噴灑量、噴桿噴頭噴灑量、噴桿上各噴頭噴霧量變異系數(shù)、噴頭防滴性能測(cè)量等。試驗(yàn)地塊平整，試驗(yàn)介質(zhì)為常溫下不含固體懸浮物的清水。

三種噴灑裝置試驗(yàn)壓力均設(shè)定額定工作壓力為0.3 MPa。

3.1 噴槍噴灑量測(cè)定

測(cè)定工作開始之前，首先對(duì)噴槍進(jìn)行檢查，確認(rèn)出口無(wú)堵塞現(xiàn)象時(shí)，方可進(jìn)行測(cè)定。

噴槍的數(shù)量為2個(gè)，總的清水排量為20 L,記錄測(cè)試時(shí)間，然后計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)噴槍的噴灑量。測(cè)試次數(shù)為3次。噴槍流量檢測(cè)場(chǎng)地見圖6，測(cè)定結(jié)果見表1。

圖6 噴槍流量檢測(cè)

表1 噴槍流量檢測(cè)結(jié)果

3.2 噴桿噴頭噴灑量測(cè)定

測(cè)定工作開始之前，首先對(duì)噴頭進(jìn)行檢查，確認(rèn)出口無(wú)堵塞現(xiàn)象時(shí)，方可進(jìn)行測(cè)定。

由于噴桿橫向安裝及垂直安裝，噴頭噴灑量一致，因此只記錄噴桿橫向安裝時(shí)噴頭噴灑量。

噴桿橫向安裝，噴頭的數(shù)量為12個(gè)?？偟那逅帕繛?0 L,記錄測(cè)試時(shí)間，然后計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)噴桿噴頭的噴灑量。測(cè)試次數(shù)為3次，測(cè)定場(chǎng)地見圖7，測(cè)定結(jié)果見表2。

圖7 橫向安裝噴桿噴頭噴灑量測(cè)定

表2 噴頭流量檢測(cè)結(jié)果

3.3 噴桿噴頭噴霧量變異系數(shù)測(cè)定

噴桿上各噴頭的噴霧量變異系數(shù)按照GB/T24677.2-2009中5.3的規(guī)定執(zhí)行。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，植保機(jī)器人在額定工作壓力下噴霧時(shí)，噴桿上各噴頭的噴霧量變異系效應(yīng)不大于15%。

試驗(yàn)前，按噴頭制造廠提供的壓力和流量指標(biāo)對(duì)噴頭進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后方可在植保機(jī)上裝配。

試驗(yàn)壓力為額定工作壓力0.3 MPa，測(cè)定噴桿上每個(gè)噴頭的噴霧量，噴頭的數(shù)量為12個(gè)。用塑料袋盛接霧流，袋口密封嚴(yán)實(shí)，避免霧滴飛濺或外流。測(cè)定時(shí)間1 min，試驗(yàn)次數(shù)三次，按式(1)～(3)[8]計(jì)算噴霧量變異系數(shù)。

(1)

(2)

(3)

式中q1、……、qn—各噴頭噴霧量，L·min-1；

n—噴頭數(shù)量，個(gè)；

∑q—噴頭的總噴霧量，L·min-1；

S—標(biāo)準(zhǔn)差，L·min-1；

CV—噴霧量變異系數(shù),%。

這里只記錄噴桿橫向安裝的測(cè)試數(shù)據(jù),測(cè)定結(jié)果見表3。計(jì)算結(jié)果表明，各噴頭的噴霧量變異系數(shù)為7.8%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 噴頭噴霧量變異系數(shù)測(cè)定結(jié)果

噴頭噴霧量的大小取決于工作壓力的大小和噴頭的結(jié)構(gòu)尺寸。當(dāng)噴頭有堵塞現(xiàn)象時(shí)，影響噴霧量的大小，進(jìn)而影響噴頭的噴霧量變異系數(shù)。

3.4 噴桿噴頭防滴性能的測(cè)量

噴桿噴頭防滴性能測(cè)量按照GB/T 24677.2-2009中5.4的規(guī)定執(zhí)行。

植保機(jī)在額定工作壓力下進(jìn)行噴霧，停止噴霧5 s后計(jì)時(shí)，觀察出現(xiàn)滴漏現(xiàn)象的噴頭數(shù)，計(jì)數(shù)各噴頭1 min內(nèi)滴漏的液滴數(shù)，出現(xiàn)滴漏現(xiàn)象的噴頭數(shù)量應(yīng)不大于噴頭總數(shù)的10%，且單個(gè)滴漏噴頭滴漏的液滴數(shù)應(yīng)不大于10 滴·min-1。測(cè)定結(jié)果記入表4。測(cè)定結(jié)果表明，第一次測(cè)試時(shí)，1號(hào)噴頭滴漏5 滴·min-1；第二次測(cè)試時(shí)，6號(hào)噴頭滴漏2 滴·min-1；第三次測(cè)試時(shí)，11號(hào)噴頭滴漏5 滴·min-1；三次測(cè)試噴頭滴漏總數(shù)為12 滴·min-1，噴頭滴漏的平均值為1，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 噴頭滴漏的液滴數(shù)測(cè)定結(jié)果

4 結(jié)論

(1)3WP-200型智能植保機(jī)器人，噴灑裝置后置設(shè)計(jì)，配置噴槍擺動(dòng)噴灑、噴頭裝載于豎向噴桿噴灑、噴頭裝載于橫向噴桿噴灑三種結(jié)構(gòu)型式，一機(jī)多用，分別滿足果樹、葡萄架、大田農(nóng)藥噴灑需求,大大提高了機(jī)具的適用性。

(2)使用3WP-200型智能植保機(jī)器人，一人操作便可輕松完成整個(gè)噴藥工作，極大地提高了植保作業(yè)效率,減輕農(nóng)戶的勞動(dòng)強(qiáng)度。噴灑均勻，減少用藥量，降低作業(yè)成本，避免了藥液在空氣中彌散造成人員中毒的危險(xiǎn)，減輕對(duì)土壤污染。

(3)試驗(yàn)表明，噴槍噴灑量、噴桿噴頭噴灑量、噴桿上各噴頭噴霧量變異系數(shù)、噴頭防滴性能的測(cè)量等指標(biāo)均符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(03)