手动式喷雾器综合试验台设计

唐敬轩，孙　星，吴俭敏，董　祥，王锦江，朱立成

(中国农业机械化科学研究院，北京　100083)



手动式喷雾器综合试验台设计

唐敬轩，孙星，吴俭敏，董祥，王锦江，朱立成

(中国农业机械化科学研究院，北京100083)

摘要：喷雾器产品质量关乎农作物质量安全，也关乎操作人员健康安危。鉴于我国农业目前仍以小农户经营为主，生产规模不大，因此使用中还是以手动式喷雾器等小型喷雾器为主。为对手动式喷雾器的主要性能参数进行可靠评估，现参照相关国家或行业标准，设计了专门的试验台。该试验台通过PLC驱动电动伺服缸和电动推杆实现模拟手臂对手动喷雾器进行打压、喷雾，并由上位PC通过通讯端口获取过程参数值，全程监测试验设备的各项试验参数并将其保存到试验数据库中。

关键词：喷雾器；试验台；综合性能；上下位机控制

0引言

喷雾是目前植保中防治病虫害最常用的手段，喷雾器是我国最常用的植保机械之一[1]。近年来，国内涌现出了一批设计更加合理、生产工艺更加可靠的手动式喷雾器产品；但鉴于喷雾器本身的技术含量、生产条件、投资规模等要求均不高，还是存在许多生产条件差、生产设备简陋的厂家生产的偷工减料、以次充好的喷雾器流入市场[2]。因此，需要设计一个试验台，针对手动式喷雾器的各项性能参数进行可靠评估。

本文所研究的手动式喷雾器试验台可对截流阀可靠性、喷雾性能、稳压性能、气泵容积效率及整机可靠性等性能进行评估[3-6]。其外部采用铝合金框架并配有有机玻璃，喷雾室单独隔离，避免水雾在实验室中扩散；喷雾器的加压与喷杆的按压也是由电缸伸缩控制，喷头部分安装有喷雾量流量计量装置；采用上下位机工作方式，数据的采集与处理由下位机完成，试验完成后再自动上传至上位机，用户可以通过程序提供的历史查询功能调出以往被测设备的试验记录并将其自动生成试验报表输出打印。该系统功能齐全、适用范围广、性能稳定、工作可靠、精度高、使用维修方便，适用于相关科研院所、生产企业和质量监督检测部门对手动式喷雾器类产品进行设计开发、研究试验及产品质量检测试验等领域。

1系统结构设计

1.1流量计量方法的选择

喷雾器的截流阀可靠性、喷雾性能、稳压性能等性能，主要是以试验过程中的系统压力和喷雾流量作为依据。在实际应用中，需要根据不同的产品、试验环境、人员等因素，选择合适的流量测量方法。目前，常用的测量方法有：称重法、容积法、压差装置和流量计法等[7]。

1)称重法：称重法分静态称重法与动态称重法，区别在于液体向容器内注入和向容器外排出是交替进行还是瞬时进行。称重法水流量标准装置结构示意图，如图1所示[8]。称重法得到的是一定时间内的液体流量的平均值，此法是流量测量的最精确方法。但需要注意，相对称重误差及由于被称量的液体受大气压力的作用而产生的反作用力和液体密度的影响。

图1　称重法水流量标准装置结构示意图

2)容积法：容积法精度接近称重法，得到的也是注满标准容器的这段时间内的流量平均值。容器的校准是逐次通过称重确定水的容积，进而测出液位高度；但需要注意容器的校准及容器的泄漏问题，必要时应作泄漏修正。

3)压差装置法：压差装置包括孔板、喷嘴和文丘里管等。采用压差装置法需要满足最小直管段长度要求，并安装整流栅。

4)流量计法：流量计法是当前普遍采用的测量流量的方法，包括涡轮流量计和电磁流量计。流量计直接给出电信号，方便集成于一个系统，并且直观、准确、高效。但是，电磁流量计的安装与调试较复杂，且要求更严格。涡轮流量计如果管道流速不均将造成测量误差，直管段要求高。

根据以上分析，结合实际情况，本试验台决定采用称重法，并利用电控阀门实现容器进水和排水交替进行，确保稳定性与精确度。

1.2机械结构设计

综合试验台结构示意图，如图2所示。试验台整体外部为全封闭铝合金框架结构，前后均安装双开门，门体为有机玻璃，关上门后通过磁铁固定。试验台操作过程中，关闭前后门，喷雾室相对封闭，避免水雾在实验室中扩散。

1.滑轨　2.药箱夹具　3.电动推杆　4.电动伺服缸

试验台框架内部分为两部分。第1部分配有喷雾器的药箱夹具，采用滑轨移动，将喷雾器放置在药箱夹具上，移动到所需位置后，用手轮锁定喷雾器药箱夹具。药箱夹具的夹紧是通过电动推杆控制完成。药箱夹具的前后左右可调，使得该试验台适用于不同类型规格的药箱。喷雾器的加压动作则采用一垂直安装的伺服电缸和1只铰链式连杆机构来实现。第2部分是喷杆支架，喷杆固定好后通过另一只电动推杆的伸缩实现按压喷雾。因采用称重法测量流量，试验台内放置有1台可调零称重仪，其底部有挂钩并悬挂有一个特制容器；喷杆的喷头从容器侧面的开口伸入，按压喷雾时喷头将水喷到挡板上再流到容器里，可防止称重仪受到冲击；容器下装有电控阀门，阀门关闭时可以通过计算喷出的水量与时间的关系，算出流量；阀门打开时可以将容器内的水排入试验台排水口。

2硬件系统设计

2.1硬件系统构成

系统硬件结构框图，如图3所示。系统硬件采用的是“PC+PLC”上下位机式控制模式。在配套的电控柜上，可方便地切换为“手动”状态或“自动”状态。

图3　系统硬件结构框图

上位机采用台式计算机作为系统的控制中枢，用于直接发出操控指令来控制试验进程；同时，在显示器上显示各种参数变化，与计算机配套的打印机可用于试验报告的打印。

下位机采用PLC将上位机命令解释成相应时序信号直接控制相应设备，并不时读取设备状态数据，转化成数字信号反馈给上位机。PLC控制示意图如图4所示。

试验过程中，系统压力和喷雾流量的测量由对应传感器完成。上位机直接通过RS232通讯端口(或经过USB转RS232的通讯转换器)与传感器进行通讯，上位机设定的速度、行程等参数通过通讯，由PLC驱动电动伺服缸和电动推杆加以实现。因此，选配的压力测量仪表和喷雾流量测量仪表都必须是带有RS232接口的单参数或多参数复合式程控仪表。

图4　PLC控制示意图

2.2伺服电缸的选择

以常见背负式喷雾器为例，假设摇杆手柄处(即活塞作用点)到喷雾器摇杆转动支点的距离为L1，摇杆转动支点到喷雾器连杆孔的距离为L2，背负式喷雾器活塞活塞行程为L3=55mm。

通过测量，算出L1/L2=6，则电缸行程为6L3=330 mm，则应选用行程为350mm的电动伺服缸。

由于背负式喷雾器和最大工作压力为0.4MPa，现取0.5MPa。根据标准可知，背负式喷雾器工作液泵的活塞直径最大为3.5cm，则最大压力为

(1)

以常见压缩式喷雾器，由于结构上的特点，打压手柄只做上下直线运动，因此打压手柄的上下运动行程即为带动其上下运动气缸的活塞行程。因驱动手柄运动的电动伺服缸行程必须大于300mm，则应选用行程为350mm的电动伺服缸。

由于压缩式喷雾器最大工作压力为0.4MPa，取0.5MPa。根据标准可知，压缩式喷雾器工作液泵的活塞直径最大为3.5cm。则最大压力为

(2)

根据标准可知，背负式喷雾器操作摇杆，最大频率不超过35次/min，故选用电动伺服缸(型号RMG50，额定推力500N，最大行程800mm，最高速度1 000mm/s)。

2.3称重仪的选择

选择电子称重仪应该从称重仪的绝对精度(分度值e)上去考量是否符合称量的精度要求[9]。在《JJG98．90非自动天平试行检定规程》中有规定，最大允许误差与检定标尺的分度值“e”为同一数量级。

除了看称重仪精度，还应看最大称量值是否满足量程的需要。通常在最大载荷的数值上留出少许余量即可，不是越大越好。

本试验台记录喷雾器的喷雾量并计算喷雾量偏差，测定时间不少于1min，且需要多次试验求平均值。根据实际精度与量程需要，最终选用奥豪斯自动外部校准称重仪(型号CAV8101，量程0～8 100g，精度为±0.1g，操作温度范围10～30℃)。该称重仪内置下秤钩(见图5)，满足了本试验台特殊的称量要求。

2.4压力表的选择

在选择压力表时，首先需要确定被测压力是否存在负压：如果存在负压需要选用真空表；如果既有正压也有负压则选用压力真空表；如果只有正压，就选用压力表[10]。此外，还需要考虑测压介质、测量范围、精确度及种类型号等因素。

根据标准可知，在进行截流阀可靠性试验时，需将试验压力调整为(0.3±0.02)MPa。其他试验项目中，压力应为正常喷雾压力或使用说明书规定的工作压力，如果在使用说明书中没有规定，则试验压力为(0.3±0.02)MPa。故选用压力表(型号JYB-KO-PW2G-ZG，量程0～2.0MPa，精度±0.5 MPa)。

图5　称重仪下称钩

3软件系统设计

根据硬件设计和检测试验要求，设计了相应的控制软件。软件可以根据用户实际需要安装在电脑相关文件夹下，点击安装后的程序图标即可打开应用程序主界面。

3.1调试及初始化

程序首次使用或者长时间放置不用后再次使用时需要校准调试，调试内容主要包括截止阀、伺服缸及放水阀。调试过程中，可以读取查看当前系统压力值，打开或关闭称重仪并读取查看当前测试质量。调试过程分为手动方式和自动方式，界面打开后默认显示为自动方式。

截止阀调试中改变动作频率值可以实时改变截止阀往复开闭的频率。伺服缸调试中根据实际测量值输入往复运动距离并输入需要的动作频率值，输入后在手动模式下进行初始化。

调试结束后，试验前应在产品测试选项下，进行一些必要的试验参数设定，包括称重仪的开闭、截止阀与放水阀的手自动切换及截止阀往复开闭的频率等。如果需要后期数据报表输出，还应提前录入试验相关信息(如试验编号、送检单位、试验日期、试验人员、试验地点等)及产品信息(如机器型号、机器类别、制造商、 药箱容积、净质量、备注等)。软件输入界面如图6所示。

3.2软件试验设计

本试验试验类型包括截流阀可靠性试验、喷雾量测定试验、喷雾性能试验、稳压性能试验、整机可靠性试验及气泵平均容积效率试验6种。其中，部分试验根据标准有自己的算法设计。

截流阀可靠性试验中，根据标准GB/T24679.1-2009第5.3节所规定的试验方式进行，即将试验压力调整为0.3MPa±0.02 MPa，满行程操作截流阀，在开关频率为(15±5)次/min的状态下累计操作25 000次，检查并记录截流阀泄漏情况。程序对应操作界面如图7所示。

图6　产品信息数据输入界面

图7　截流阀可靠性试验程序界面

在喷雾量测定试验中，根据GB/T24679.1-2009第5.3节及JB/T6661-2006第6.12节所规定的试验方式进行，即喷雾机随机提供的每一种、每一个喷头的喷雾量都应该测定，测量误差应不超过1%。试验压力为正常喷雾压力或使用说明书规定的工作压力，如果在使用说明书中没有规定，则试验压力为(0.3±0.02)MPa。记录喷雾器的喷雾量，根据说明书中给定的额定喷雾量，计算喷雾量偏差；测定时间不少于1min，试验重复3次，取平均值。程序对应操作界面如图8所示。

图8　喷雾量测定试验程序界面

喷雾性能试验中，根据JB/T6661-2006第6.3节所规定的试验方式进行，即在套管和软管之间接入压力表，按使用说明书中规定的操作频率，操作喷雾器使之喷雾。当使用说明书中没有规定操作频率时，应不超过30次/min。同时，进行如下观察检查：

1) 喷雾器能否达到规定的工作压力或使用说明书规定的工作压力；

2) 雾流是否连续均匀，雾化是否良好。观察时间为1min，试验中允许对机具进行一次调整，但不允许更换零件。对应操作界面如图9所示。

图9　喷雾性能试验程序界面

稳压性能试验中，根据标准JB/T6661-2006第6.5节所规定的试验方式进行，即在喷雾器出水接头处安装压力表和截流阀，关闭截流阀，升压至规定的试验压力(可略高出该压力，但高出量不超过0.1MPa)；然后回调压力至规定的试验压力，计时，观察各处有无渗漏，到5min时记录压力下降量。试验中允许对机具进行一次调整，但不允许更换零件。对应操作界面如图10所示。

图10　稳压性能试验程序界面

整机可靠性试验中，根据标准JB/T6661-2006第6.13节所规定的试验方式进行，即将喷雾器安装在试验台上，进入工作状态，在压力范围内进行喷雾60h。程序对应操作界面如图11所示。试验结束后计算有效度K[4]，则有

(3)

式中TZ—纯工作时间；

Tg—故障排除时间。

图11　整机可靠性试验程序界面

气泵平均容积效率试验中，根据相关标准JB/T9782-1999所规定的试验方式进行，即往药液箱内加入额定容量的清水，在出水接头处装上压力表和截流阀；关闭截流阀，抽动气泵塞杆，使活塞以额定行程往复运动，充气至最高工作压力；记录塞杆的往复次数及压力表读数，并计算打气筒平均容积效率[3](测定3次取平均值)，有

(4)

式中C—平均容积效率(%)；

P1—充气后药液箱内的绝对压力(MPa)；

P2—大气压力(MPa)；

V1—药液箱内储气的容积(cm3)；

V2—气泵理论容积，即活塞行程与面积之积(cm3)；

N—塞杆往复次数(次)。

程序对应操作界面如图12所示。

图12　气泵平均容积效率试验程序界面

3.3试验数据处理

试验完毕后，关闭试验运行界面退回到测试系统主界面，在菜单栏“数据处理”子菜单中可以选择“历史查询”和“报表输出”。若用户需要即时输出当前试验结果的报表，直接点击“报表输出”选项即可打开试验报表的打印预览界面，同时报表将以“ YY-MM-DD HHmm”.xlsx的格式自动保存到应用程序根目录下。

点击“历史查询”选项则进入到历史查询对话框，在该界面中用户可以通过试验起止时间、试验类型模糊查询时间段中的试验记录，如图13所示。在查到所需要的试验记录后将其试验编号录入到试验编号输入框中后点击“保存”按钮将数据保存为试验报表形式。点击“打印”按钮即可打印当前查询保存的试验报表。

图13　历史查询程序界面

4结论

1)试验台已经过试验验证，性能稳定可靠，试验项目齐全，为手动式喷雾器的研究提供了一种更加全面、合理的试验平台。

2)试验台规模小、集成度高、操作简便。

3)试验台设计合理，减少了水雾的扩散，并将排水进行了处理。

4)程序数据处理功能完善，可以查看历史数据，也可进行报表输出。

5)控制软件采用模块化设计，便于软件维护与升级。

参考文献：

[1]王洪明, 汪友祥, 曾文进. 喷雾器可靠性试验台设计[J]. 农机化研究，2010，32(12)：92-95.

[2]杨新春.我国背负式喷雾机(器)产品现状与困惑[J]. 农业机械，2006(8)：41-42.

[3]GB/T 9782-1999，植保机械通用试验方法[S].

[4]GB/T 6661-2006，喷雾器[S].

[5]DG/T 012-2006，手动喷雾器[S].

[6]GB/T 24679.1-2009，植物保护机械 背负式喷雾器 第1部分：试验要求和方法[S].

[7]宋力, 宋莹. 流量的测量方法[J].山东农机，2004(3)：20-24.

[8]史振东，贾玉荣，谷祖康. 虹吸原理在质量法水流量标准装置中的应用[J].中国计量，2013(8)：70-71.

[9]刘猛, 马文齐. 如何选择电子天平[J].商品与质量·学术观察，2013(5)：67.

[10]冯喜萍.一般工作用压力表的选择和简易校验[J].硅谷，2009，20：45.

Design of the Manual Sprayers Synthetic Test-bed

Tang Jingxuan， Sun Xing， Wu Jianmin， Dong Xiang， Wang Jingjiang， Zhu Licheng

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract：The product quality of the sprayer has the direct relation with the safety of the crop produce, but also with the operator. Given that China's agriculture is still dominated by small farmers, and the scale of production is small, so manual sprayers and other small sprayer is the most commonly used. In order to assess the main performance parameters of the manual sprayers, has referenced to relevant national and trade standards, and design the dedicated test-bed. Electric servo cylinder and linear actuator are driven by Programmable Logic Controller, simulating the arm and pressing the manual sprayers, meanwhile the computer will acquire procedure parameter and save that, to monitor the equipment.

Key words：sprayer; test-bed; comprehensive performance; upper and lower computer control

文章编号：1003-188X(2016)03-0149-06

中图分类号：S491

文献标识码：A

作者简介：唐敬轩(1991-)，男，河北定州人，助理工程师，(E-mail)tangjingxuan612@163.com。通讯作者：吴俭敏(1960-)，男，南京人，研究员。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203025)

收稿日期：2015-03-06