3WP-200型智能植保机器人喷洒装置性能试验分析

张义胜，宫玉敏，侯心爱，刁培松，张银平，黄道跟，郭 刚

(1.淄博市农业机械研究所,山东 淄博 255086；2.山东理工大学，山东 淄博 255000;3.山东鲁虹农业科技股份有限公司，山东 曲阜 273100)

0 引言

植物保护是农业生产的重要工作。农作物病虫害防治是劳动强度最大的田间劳动[1]，药物防治是确保农业稳产增收的重要措施[2]，而植保机械的自动化水平成为降低劳动强度，提高植物保护成效的关键。

目前，我国大田作物生长期的追施肥、病虫害防治等田间管理机械的研制尚处于起步阶段，主要存在的问题是可靠性差、故障率高、机械结构复杂、性能差等[3]。其中喷雾设备比较落后，很多地方还在使用背负式的手动喷雾设备或者是高压喷枪，不仅药量大、用药不均匀，而且还会严重污染环境[4]。农药过量使用会带来生产成本增加、农产品残留超标、作物药害、环境污染等问题，直接威胁农业可持续发展[5]。

传统喷药方式采用人工式喷药，不仅工作强度大、喷药不均匀，且可能出现重喷、漏喷等情况，无法保证喷雾质量，对环境也会产生一定的污染，使作物产生抗药性，增加作物感染寄生虫的风险[6]。

我国作为农业生产大国，丘陵山区地带占国土面积的10%[7]。广大山区或丘陵地区种植地块面积小，道路狭窄，大型植保机械不方便进入土地作业。

为满足市场需求，克服传统喷药方式存在的缺点，研制了3WP-200型智能植保机器人。

1 植保机器人结构及工作原理

3WP-200型智能植保机器人主要技术指标如下：

遥控四轮自走式；

最小离地间隙≥15 cm；

轮距65～70 cm；

行进速度2.4～9.6 km·h-1；

遥控距离≤1 000 m；

药箱容量200 L；

药泵流量≥6 L·min-1；

工作压力0.2～0.3 MPa；

大田除草作业宽度6～8 m；

葡萄专用作业高度≤2 m；

果树型作业高度≤6 m。

如图1所示，为3WP-200型智能植保机器人结构,由动力系统、控制系统、行走系统和喷雾系统4部分组成。

动力系统由5.5 kW汽油发电机和交直流转换器组成，也可更换为蓄电池。动力系统最后输出直流电，分别为行走系统的转向电机、四轮驱动电机、喷雾系统中的药泵、喷枪电机、控制系统、控制器等提供电力。

控制系统由控制器和遥控器组成。机器人作业时，工作人员通过遥控器远程操作，控制器通过天线接收到信号后，向各系统发出相应指令，控制植保机器人的前进、后退、停止、转向和作业。

行走系统由四轮驱动机构和转向电机组成。每个行走轮上方安装有转向电机，每个行走轮中心安装有驱动电机，完成植保机器人的行走及转向工作。

喷雾系统由药泵、药液箱、喷洒装置组成。喷雾系统开关由遥控器控制，药泵为农用3缸柱塞泵，药泵将药液箱中药液输送到喷洒装置。

植保机器人采用后置式喷洒装置，配置喷枪摆动喷洒、喷头装载于垂直喷杆喷洒、喷头装载于横向喷杆喷洒三种结构型式，分别满足果树、葡萄架、大田农药喷洒需求。

1.保护罩；2.药液箱；3.机架；4.驱动轮；5.药泵；6.控制系统；7.前车架总成；8.发电机；9.喷枪摆动喷洒装置；10.保护架；11.药泵进口；12.压力调节阀门；13.药泵出口a；14.药泵出口b；15.整流稳压模块；16.换热器图1 喷枪摆动喷洒植保机器人结构图

2 三种喷洒装置结构

2.1 喷枪摆动喷洒装置

如图2所示,喷枪摆动喷洒装置由摆动机构、电机护罩、电机、减速机、喷洒装置固定板、喷洒机构组成。

如图3所示，摆动机构总成由螺栓、电机摆动拉杆、连接杆、关节轴承、螺母、喷洒机构及摆动机构连接杆等组成。

药泵两个出水口分别连接到两个喷枪，两个喷枪固定在摆动机构上。电机做旋转运动，带动摆动机构左右往复摆动，进而带动喷枪一边喷洒，一边左右摆动。两个喷枪通过摇摆可以实现180°无死角全方位喷洒，喷枪喷雾距离大、覆盖面广，可用于果树植保作业，作业高度在6 m以内。

电机采用直流小型齿轮减速电机，功率40 W，额定电压24 V，转速3 000 r·min-1。减速机减速比120∶1，即减速机最高输出转速为25 r·min-1。调整输入电压的大小，可改变输出转速的大小,即改变摆动机构的摆动频率。

1.摆动机构；2.电机护罩；3.电机；4.减速机；5.固定板；6.喷洒机构图2 喷枪摆动喷洒装置结构图

1.摆动拉杆；2.连接杆；3.关节轴承；4.关节轴承；5.连接杆；6.销轴；7.销轴图3 摆动机构总成

1.弯头；2.喷头；3.软管卡子；4.软管1；5.软管2；6.接头；7.软管3；8.软管4；9.三通；10.卡箍；11.竖管底部固定段；12.竖管底部T型连接段；13.进水软管；14.横杆；15.喷头固定卡子图4 喷洒装置(垂直安装)结构图

2.2 喷头装载于垂直喷杆喷洒装置

如图4所示,喷洒装置替换为桁架式，即喷杆垂直安装，喷杆上均匀设置12个喷头，药泵两个出口分别与垂直喷杆喷洒装置两个进水口连接软管连接，药液通过12个喷头进行喷施。

垂直喷杆喷洒装置适用于对猕猴桃、葡萄、西红柿、黄瓜等爬藤果蔬进行喷洒作业，作业高度在2 m以内。

2.3 喷头装于横向喷杆喷洒装置

如图5所示,喷杆横向安装时，喷杆上均匀设置12个喷头，药泵两个出口分别连接到横向喷杆喷洒装置两个进水连接软管，药液通过12个喷头喷向植物。横向喷杆喷洒装置可以进行大田、叶菜类的喷雾作业，作业宽度为6～8 m。

1.弯头；2.软管；3.喷头；4.三通；5.喷头固定卡子；6.斜拉杆；7.进水软管；8.T型固定架；9.卡箍；10.软管卡子；11.横杆图5 喷洒装置(横向安装)结构图

3 喷洒量测试

2020年9月14日，在淄博市农业机械研究所院内，对3WP-200型智能植保机器人2#样机进行了喷洒量初步测试。测试按照T/CAMA 22-2019《喷杆式植保机器人》、GB/T24677.2-2009《喷杆喷雾机试验方法》等标准进行。测试项目为喷枪喷洒量、喷杆喷头喷洒量、喷杆上各喷头喷雾量变异系数、喷头防滴性能测量等。试验地块平整，试验介质为常温下不含固体悬浮物的清水。

三种喷洒装置试验压力均设定额定工作压力为0.3 MPa。

3.1 喷枪喷洒量测定

测定工作开始之前，首先对喷枪进行检查，确认出口无堵塞现象时，方可进行测定。

喷枪的数量为2个，总的清水排量为20 L,记录测试时间，然后计算单位时间内喷枪的喷洒量。测试次数为3次。喷枪流量检测场地见图6，测定结果见表1。

图6 喷枪流量检测

表1 喷枪流量检测结果

3.2 喷杆喷头喷洒量测定

测定工作开始之前，首先对喷头进行检查，确认出口无堵塞现象时，方可进行测定。

由于喷杆横向安装及垂直安装，喷头喷洒量一致，因此只记录喷杆横向安装时喷头喷洒量。

喷杆横向安装，喷头的数量为12个。总的清水排量为20 L,记录测试时间，然后计算单位时间内喷杆喷头的喷洒量。测试次数为3次，测定场地见图7，测定结果见表2。

图7 横向安装喷杆喷头喷洒量测定

表2 喷头流量检测结果

3.3 喷杆喷头喷雾量变异系数测定

喷杆上各喷头的喷雾量变异系数按照GB/T24677.2-2009中5.3的规定执行。根据标准要求，植保机器人在额定工作压力下喷雾时，喷杆上各喷头的喷雾量变异系效应不大于15%。

试验前，按喷头制造厂提供的压力和流量指标对喷头进行检验，合格后方可在植保机上装配。

试验压力为额定工作压力0.3 MPa，测定喷杆上每个喷头的喷雾量，喷头的数量为12个。用塑料袋盛接雾流，袋口密封严实，避免雾滴飞溅或外流。测定时间1 min，试验次数三次，按式(1)～(3)[8]计算喷雾量变异系数。

(1)

(2)

(3)

式中q1、……、qn—各喷头喷雾量，L·min-1；

n—喷头数量，个；

∑q—喷头的总喷雾量，L·min-1；

S—标准差，L·min-1；

CV—喷雾量变异系数,%。

这里只记录喷杆横向安装的测试数据,测定结果见表3。计算结果表明，各喷头的喷雾量变异系数为7.8%，符合标准要求。

表3 喷头喷雾量变异系数测定结果

喷头喷雾量的大小取决于工作压力的大小和喷头的结构尺寸。当喷头有堵塞现象时，影响喷雾量的大小，进而影响喷头的喷雾量变异系数。

3.4 喷杆喷头防滴性能的测量

喷杆喷头防滴性能测量按照GB/T 24677.2-2009中5.4的规定执行。

植保机在额定工作压力下进行喷雾，停止喷雾5 s后计时，观察出现滴漏现象的喷头数，计数各喷头1 min内滴漏的液滴数，出现滴漏现象的喷头数量应不大于喷头总数的10%，且单个滴漏喷头滴漏的液滴数应不大于10 滴·min-1。测定结果记入表4。测定结果表明，第一次测试时，1号喷头滴漏5 滴·min-1；第二次测试时，6号喷头滴漏2 滴·min-1；第三次测试时，11号喷头滴漏5 滴·min-1；三次测试喷头滴漏总数为12 滴·min-1，喷头滴漏的平均值为1，符合标准要求。

表4 喷头滴漏的液滴数测定结果

4 结论

(1)3WP-200型智能植保机器人，喷洒装置后置设计，配置喷枪摆动喷洒、喷头装载于竖向喷杆喷洒、喷头装载于横向喷杆喷洒三种结构型式，一机多用，分别满足果树、葡萄架、大田农药喷洒需求,大大提高了机具的适用性。

(2)使用3WP-200型智能植保机器人，一人操作便可轻松完成整个喷药工作，极大地提高了植保作业效率,减轻农户的劳动强度。喷洒均匀，减少用药量，降低作业成本，避免了药液在空气中弥散造成人员中毒的危险，减轻对土壤污染。

(3)试验表明，喷枪喷洒量、喷杆喷头喷洒量、喷杆上各喷头喷雾量变异系数、喷头防滴性能的测量等指标均符合有关标准要求。

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