果园风送喷雾机的改进设计与喷雾高度调控模型构建

翟长远，徐 莎，John Long，李瀚哲，张 波，朱瑞祥

(1 西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2 农业部农业物联网重点实验室, 陕西 杨凌 712100；3 Department of Biosystems and Agricultural Engineering, Oklahoma State University,Stillwater,OK,USA 74078)

果园中最主要的管理作业是病虫害防治，其工作量约占果树管理总工作量的30%左右[1-3]，而喷药作业质量和效果的优劣对保证果品质量、提高产值和降低生产成本等都有直接影响[4-7]。风送喷雾是联合国粮农组织推荐的一种先进高效的施药技术，风送喷雾机是该技术最重要的装备，由于雾滴被风机吹出的气流强制性的吹向靶标，可有效地抵御自然风的干扰，提高雾滴穿透能力[8-9]。

国外学者针对风送喷雾技术及以风送喷雾装备为基础的对靶喷雾装备开展了大量研究。早在2005年，Giles等[10]研发了基于超声传感的对靶喷雾机，并在不同季节进行了一系列田间试验，结果表明对靶喷药能节省15%～45%的农药。随后多位研究者针对橄榄园、葡萄园、梨园和苹果园研究了风送喷雾技术，并研发了果园对靶风送喷雾机，田间试验结果表明风送对靶喷雾机在减少靶标外喷雾的同时还能增加果园靶标膛内药液的沉积量[11-17]。随后国内的科研人员对于风送喷雾技术也做了大量的研究，内容主要集中在喷雾参数和外部环境对风送喷雾效果的受影响[18-23]、风送喷雾机果园对靶喷雾探测及控制方法、对靶喷雾机的设计[24-27]和针对我国果园实际情况的风送喷雾机创新性研制等方面[28-30]。本课题组徐莎等[30]设计了喷雾高度可调的果园风送喷雾机，该喷雾机可以根据实际喷雾需求通过改变风箱角度调节喷雾宽度，大大增强了喷雾机的通用性，但尚存在风箱调节机构不支持电动调控且调节精度不高、体积偏大、通过性差、传动设计不太合理、功耗较高等缺点，还有进一步改进完善的必要。为此，本研针对果园风送喷雾机第一代样机存在的问题进行改进设计，通过试验获得喷雾重心高度和喷雾宽度的调节范围，并探寻喷雾重心高度、喷雾宽度和风箱角度之间的数学关系，旨在为喷雾高度可调式对靶风送喷雾机的改进和研发提供理论支持。

1 果园风送喷雾机的改进设计

1.1 第一代果园风送喷雾机样机

第一代果园风送喷雾机样机整机结构主要包括机架、药箱、行走轮、传动系统、风送系统和药液输送系统等部分[30]，其实物如图1所示，主要结构参数见表1。

图1 第一代果园风送喷雾机实物图Fig.1 Photo of first generation prototype air-assisted sprayer

表1 第一代果园风送喷雾机的结构参数Table 1 Structural parameters of first generation prototype sprayer mm

1.2 果园风送喷雾机的改进设计

针对第一代果园风送喷雾机风箱角度不支持电动控制且调节精度不高、体积偏大、通过性差、传动设计不太合理、功耗较高等问题，进行了结构、尺寸和材料等方面的改进设计，并完成了新型果园风送喷雾机研发。

1.2.1 喷雾机传动机构的改进 在第一代风送喷雾机传动机构的设计中，采用前后2个传动箱、1个传动主轴和1组带传动实现主要动力传递。前传动箱由1对锥齿轮和传动轴组成，后传动箱由6个直齿轮组成(其中包括3个过度齿轮)，整个传动系统理论计算功率为5.25 kW 。为了降低整个传动系统的功耗，减小喷雾机体积，对传动系统进行改进，改进前后喷雾机传动方案对比如图2、3所示。

A.后传动箱侧视图; B.传动机构俯视图。1.前传动箱；2.带传动装置；3.三缸柱塞泵；4.传动主轴；5.左离心风机；6.左导流风箱；7.后传动箱；8.右离心风机；9.喷头；10.右导流风箱A.Side view of back gearbox；B.Top view of transmission mechanism.1.Front gear box；2.Belt transmission unit；3.Triplex plunger pump；4.Main transmission shaft；5.Left centrifugal fan；6.Left bellow；7.Back gear box；8.Right centrifugal fan；9.Nozzle；10.Right bellow图2 改进前果园风送喷雾机一代样机的传动机构Fig.2 Transmission mechanism of the optimized air-assisted sprayer before optimization

A.侧视图；B.俯视图。1.三缸柱塞泵；2.左离心风机；3.带传动装置；4.左导流风箱；5.传动箱；6.右离心风机；7.喷头；8.右导流风箱；9.动力输入轴A.Side view；B.Top view.1.Triplex plunger pump；2.Left centrifugal fan；3.Belt transmission unit；4.Left bellow；5.Gear box；6.Right centrifugal fan；7.Nozzle；8.Right bellow；9.Power input shaft图3 改进后果园风送喷雾机的传动机构Fig.3 Transmission mechanism of the optimized air-assisted sprayer after optimization

由图2、3可见，与改进前的传动机构相比，改进后果园风送喷雾机的整个风送系统进行了前置，舍弃了第一代喷雾机的中圆锥齿轮传动箱和传动主轴，缩短了整个动力传递路线，并在后传动箱中减少了1个过渡齿轮，改进后传动系统的理论功耗为4.83 kW，较改进前降低了8%，节约了材料，降低了传动机构的质量。

1.2.2 喷雾机导流风箱固定方式的改进 针对风箱调整角度精度较差的问题，对风箱固定方式进行了改进，结果如图4所示。

第一代风送喷雾机的设计中，导流风箱通过法兰盘套筒安装在风机轴的端盖上并可绕其转动，法兰盘上安装有紧固螺栓和螺母，在后传动箱的上端边沿焊接有弧形槽吊耳，在导流风箱转动的过程中，法兰盘上的紧固螺栓在弧形槽中运动，当导流风箱旋转至工作位置时，旋紧螺母，固定导流风箱。在实际操作过程中，由于导流风箱自身较重，在旋转的过程中较难准确地控制风箱旋转的角度。改进后的风箱旋转机构蜗杆固定在传动箱的两侧，蜗轮固定在导流风箱的法兰盘上，在调整导流风箱的喷雾角度时，旋转蜗杆即可，且蜗轮蜗杆传动机构具有自锁的特点，故在旋转的过程中可减少由导流风箱自重而引起的摆动，使导流风箱的角度调整更加精确。

1.2.3 喷雾机通过性能的改进 风送喷雾机一代样机的药箱长度决定了喷雾机长度尺寸，其导流风箱的高度决定了整个喷雾机的高度尺寸。一代样机所选药箱体积为200 L，安装尺寸长×宽×高为1 000 mm×500 mm×500 mm，采用纵向安装方式，并设计了较长的传动主轴以实现动力由前传动箱向后传动箱的传递。这不仅加长了整个喷雾机的整机尺寸，提高了传动主轴对结构设计和材料的要求，而且增加了整个喷雾机的功率损耗。改进后的果园喷雾机，药箱容量为150 L，其安装尺寸长×宽×高为700 mm×500 mm×500 mm，另外为了缩小喷雾机整体体积，药箱采用横向安装的方式，与原有的设计相比，改进后喷雾机的长度缩减了500 mm。此外，喷雾机一代样机导流风箱和药箱之间预留的安装空隙为200 mm，在整个喷雾机样机完成整机装配之后，导流风箱与药箱之间仍有空间，对这一部分结构也进行改进，使得喷雾机在不影响各个部件安装的情况下结构更加紧凑合理。喷雾机改进后的长度尺寸为1 450 mm，较改进前的2 150 mm缩小了700 mm，减小了32.6%。

一代果园风送喷雾机的性能试验表明，喷雾机的转弯半径较大，转向性能较差。为进一步提高喷雾机在果园中的作业效果，对其进行了改进。本研究所设计的果园风送喷雾机是由小型山地履带拖拉机牵引并提供工作动力，在履带式拖拉机车身长度和转向角固定的条件下，果园风送喷雾机的转向半径取决于铰接点至喷雾机行走轮固定轴的距离，故为了减小喷雾机的转向半径，需缩小铰接点至喷雾机行走轮固定轴的距离。改进前的一代样机铰接点至喷雾机行走轮固定轴的距离为1 600 mm，而改进后的距离为1 100 mm，转弯半径减小了15.6%。

为了保证果园风送喷雾机一代样机的整体高度，选用了直径为350 mm的行走轮，行走轮固定轴安装于机架下方。性能试验结果表明，喷雾机一代样机在越过较大障碍物时仍存在一定的困难。改进后的果园风送喷雾机选用了直径为500 mm的充气轮胎，但为了不改变喷雾机机架的离地间隙，将行走轮的固定轴固定于喷雾机机架上方，根据车轮直径变化可以计算出改进后的喷雾机越障能力提高了42.9%。

1.2.4 改进后的喷雾机整机及其试验 改进后的果园风送喷雾机结构参数如表2所示，喷雾机实物图见图5。

表2 改进后果园风送喷雾机的结构参数Table 2 Structural parameters of the sprayer after optimization mm

图5 改进后的果园风送喷雾机实物图Fig.5 Photo of the optimized air-assistant sprayer

风箱旋转会改变风箱组的横向尺寸，进而会影响整个喷雾机的尺寸。为了获得旋转角度对喷雾机尺寸影响关系，测量了不同旋转角度下喷雾机风箱组宽度和喷雾机高度，结果如表3所示。从表3来看，旋转角度对风箱组宽度有一定影响，旋转角度为最大值30°时风箱宽度最宽，为0.95 m，但仍然小于喷雾机轮距1.0 m；风箱旋转角度对喷雾机高度基本没有影响。

表3 风箱旋转角度对果园风送喷雾机尺寸的影响Table 3 Air-assistant sprayer size alteration at different bellow angles

2 喷雾高度调控模型

为给喷雾高度自动调控的对靶喷雾机提供控制模型支持，需要获得沉积分布重心高度、喷雾宽度和风箱角度之间的数学模型。针对改进后的果园风送喷雾机，在西北农林科技大学机械与电子工程学院拖拉机实验室前进行了风送喷雾垂直沉积分布试验。雾滴收集采用比利时AAMS植保机械公司生产的AAMS垂直雾滴分布测量仪，该仪器在耐腐蚀的合金框架上的树状结构中安装了20个收集器，收集器按照自上而下的高度顺序依次编号，每个收集器长0.2 m、宽0.22 m，1号收集器对应的沉积分布高度为0.7～0.9 m，2～20号收集器依次分别沿垂直轴间隔0.2 m交替分布在吸收墙两侧的横向支架上，收集器均设有底座和拦截液体排出口，其与沿测量仪延伸的收集管相连，每个收集器连接到与之编号相对应的100 mL量杯内，以便于读取试验结果，标准测量装置的总高度为4 m，总质量为80 kg。合金框架上的树状结构在标准配置的1.70 m长轨道上可以往复直线运动。

针对行距5 m左右的现代果园，将雾滴分布测量仪平行布置于风箱左侧，使用8.8 kW履带式拖拉机为喷雾机提供动力，开启全部左侧喷头，调节回流管道上的流量调节阀，使喷雾管道上的喷雾压力稳定在0.5 MPa。调节导流风箱的旋转角度分别为0°，15°和30°，进行果园风送喷雾机的垂直沉积分布试验，每次测量计时30 s，读取各个量筒的沉积量，结果如图6所示。试验过程中风速为0.2～0.8 m/s，温度为19～20 ℃。

图6 不同风箱角度果园风送喷雾机喷雾量的垂直沉积分布Fig.6 Vertical deposition distribution at different bellow angles of air-assistant sprayer

图6显示，在不同风箱角度下，果园风送喷雾机喷雾沉积的垂直分布均以中间沉积量大,两端沉积量较少，该喷雾机适宜于纺锤型果树果园的喷雾作业。随着风箱角度的增大，喷雾沉积高度提高，使用Matlab软件，通过Gaussian高斯曲线拟合获得风箱角度为0°，15°和30°时喷雾量的沉积分布方程分别为：

(1)

(2)

(3)

式中：DPT0、DPT15和DPT30分别为风箱角度为0°，15°和30°时的喷雾沉积量，mL；h为高度，m。

确定喷雾沉积量自下而上累积达到喷雾总量50%的高度，对果园风送喷雾机喷雾的沉积分布描述具有重要意义，本研究将该高度定义为沉积分布重心高度。由公式(1)、(2)、(3)可求得风箱角度为0°，15°和30°时的沉积分布重心高度分别为1.14，1.55和2.20 m。以沉积分布重心高度为中心，通过积分可以获得风送角度为0°，15°和30°时，70.7%的药量垂直分布分别集中于0.72～1.56，1.15～1.94和1.71～2.69 m高度。对不同风箱角度喷雾沉积分布重心高度和喷雾宽度进行拟合，结果(图7)得到其数学模型分别为：

H=0.035θ+1.1，

(4)

W=0.045θ+1.3。

(5)

式中：H为喷雾重心高度，m；θ为风箱角度，(°);W为喷雾宽度,m。喷雾沉积分布重心高度和喷雾宽度拟合直线的R2值分别为0.982和0.996，可见拟合效果良好，该模型可为喷雾高度和宽度的智能调控提供理论支持。

图7 果园风送喷雾机风箱角度与喷雾沉积分布重心高度和喷雾宽度的关系Fig.7 Center and width of deposition at different bellow angles of air-assistant sprayer

3 结 论

1)改进后的果园风送喷雾机较改进前理论功耗减少8%，长度尺寸减小了32.6%，导流风箱的旋转角度调节更加精确。

2)风箱旋转角度对风箱组宽度有一定的影响，旋转角度为最大值30°时风箱宽度最宽，为0.95 m，但仍然小于喷雾机轮距1.0 m；风箱旋转角度对喷雾机高度基本无影响。

3)喷雾垂直沉积分布试验结果表明，在导流风箱与铅垂线分别成0°，15°和30°的条件下，喷雾沉积量重心高度分别为1.14，1.55和2.20 m，70.7%的药量垂直分布分别集中于0.72～1.56,1.15～1.94和1.71～2.69 m高度内。

4)获得了沉积重心高度、喷雾宽度与风箱角度之间的数学模型，2个模型均为线性方程，其R2值分别为0.982和0.996，可为喷雾高度智能调控提供理论支持。