3WP-200A型智能植保机器人喷枪设计与试验*

张义胜，侯心爱，宫玉敏，孙建新，蒋鑫

(淄博市农业机械研究所，山东淄博，255086)

0 引言

水果是我国主要特色经济作物，田间管理过程中存在作业环节多、用工量大、生产成本高等突出问题[1-2]。据统计目前果园每年喷施农药8～15次，其工作量约占管理工作总量的30%[3-5]，因此果园植保机械尤为重要。目前，我国很多地方还在使用背负式的手动喷雾设备，不仅药量大、用药不均匀，而且还会严重污染环境[6-10]。喷枪喷洒是植保作业的主要方式之一。喷枪的性能，尤其是雾化性能，很大程度上决定了药液的喷洒质量[11]。射程是喷枪的重要性能指标，决定植保机的作业效率，是喷枪设计的一个重要参数[12]。喷枪射程设计计算，目前还没有一个用理论方法推导的分析计算式。喷头射程计算，国内外使用的都还是一些用数理统计方法推得的经验公式[13]。国内外许多学者对喷头射程的计算方法进行了大量研究并取得了一定成果：冯传达[13]、Edling[14]、干浙民等[15]在总结大量试验研究基础上，提出了多种无风条件下的喷头射程计算的经验公式。根据市场需求，本文设计了一种双摆动喷枪喷洒装置。由于喷头和喷枪结构原理相似，喷枪的射程采用了喷头射程计算经验公式，并对喷枪的射程进行了试验。

1 整机参数及喷洒装置结构

针对丘陵山区果园农药喷洒作业，设计一种3WP-200A型智能植保机器人。采用后置式双摆动喷枪喷洒结构。

1.1 整机参数

3WP-200A型智能植保机器人整机参数见表1。

表1 整机参数Tab. 1 Machine parameters

1.2 喷洒装置结构

双摆动喷枪喷洒装置结构如图1所示，由摆动电机、减速机、摆动机构、左喷枪、喷枪固定板、右喷枪组成。喷洒装置通过喷枪固定板，用螺钉安装在植保机器人的后部，两个喷枪左右对称布置。摆动电机固定在喷枪固定板上，在摆动电机的输出端安装四连杆摆动机构，从而带动喷枪左右摆动。

图1 喷洒装置结构示意图

1.3 喷洒装置工作原理

喷洒装置安装在植保机器人的后部，采用双摆动喷枪喷洒方式。在植保机行走过程中，左右对称布置的两个喷枪，在摆动机构总成的带动下，一边左右摆动，一边向两侧果树喷洒农药。喷枪最大摆动范围为90°，即从水平位置摆动到垂直位置。药泵的两个出口分别连接到两个喷枪的进口。雾化后的药液经过喷枪出口喷出，喷向两侧的果树。根据植保机行走的速度，调整摆动电机输入电压，得到不同的摆动电机输出转速，从而得到不同的喷枪摆动频率，以保证药液喷洒均匀性和农药喷洒量需求。调整药泵压力的高低、更换喷枪出口直径，可以改变农药喷洒量的大小和射程。

2 喷枪设计

2.1 喷枪基本参数

喷枪基本参数见表2。

表2 喷枪基本参数Tab. 2 Basic parameters of airbrush

2.2 喷枪结构

喷枪由调节杆、调节螺母、固定螺母、压盖、密封垫圈、药液进口、枪体、出口连接段、阀瓣、节流板、压盖等组成，如图2所示。

图2 喷枪结构

调节杆下部与调节螺母联结；调节杆中部外圆加工外螺纹，外螺纹与枪体内螺纹配合；调节杆顶部与阀瓣联结；转动调节螺母，带动调节杆转动；调节杆中部外螺纹转动，从而带动调节杆轴向移动。节流板中心加工一个小孔，用于药液通过。固定螺母用于固定调节杆轴向位置。压盖用于压紧密封垫圈，防止药液泄漏。阀瓣外圆与出口连接段内孔间隙配合，在调节杆的带动下，上下移动。阀瓣外圆上加工了两条螺旋槽，药液通过枪体内孔和螺旋槽后，得到一次雾化，经节流板上的孔流出后，再次得到雾化，喷向果树。阀瓣顶部有一个尖头，转动调节杆，调节阀瓣尖部与节流板孔的间隙，可以调节药液出口的面积，从而调节药液的喷洒压力、喷洒高度和雾化程度。调节杆的位置调整完毕，用固定螺母锁紧固定。在转动调节杆时，不可将节流板孔堵死，否则的话，药泵一经开动，管路系统压力升高，容易造成药泵、喷枪、管路等部件的损坏。

2.3 喷枪设计

喷枪主体材料由不锈钢制作，密封垫圈材料由耐腐蚀橡胶制作。

2.3.1 进口直径

喷枪进口管直径选择与泵出口管直径一致，为6 mm。喷枪进口为内螺纹结构，与泵出口管的外螺纹联结。

2.3.2 出口直径

喷枪出口直径(节流板内径)的计算可参考高压水射流清洗机喷枪喷嘴孔径计算公式[16]。

(1)

式中：d——喷枪出口直径，mm；

Q——药液流量，L/min；

μ——喷枪流量系数，0.4～0.6；

P0——药液进口压力，MPa。

喷枪流量系数是经验常数，由于喷枪过流部分能量损失较大，流量系数是比较低的，μ=0.4～0.6[17]，这里取0.4；药液流量指的是雾化状态的药液流量，取额定流量0.8 L/min；药液进口压力，取工作压力0.4 MPa。

由式(1)计算得，喷枪出口直径d=1.23 mm，取d=1.2 mm。

2.3.3 阀瓣直径

根据结构需要，阀瓣外圆直径设计为16 mm，在阀瓣外圆上加工两条螺旋槽，其作用是使药液得到雾化，螺旋槽截面形状为半圆，圆半径为1 mm。两条螺旋槽的截面合在一起，为直径2 mm的圆，其面积略大于喷枪出口面积。

2.3.4 结构长度

根据结构设计需要，参考同类型喷枪的结构长度，确定喷枪的结构长度为190 mm。

2.3.5 枪体直径

枪体的材料选用304无缝钢管，根据结构需要，枪体的外径设计为15 mm。承受内压管子理论壁厚公式，钢管的理论壁厚

(2)

式中：Ps——钢管设计压力，MPa；

D——钢管外径，15 mm；

φ——焊缝系数，0.4～0.6；

σ——钢管材料的许用应力，300 MPa。

焊缝系数φ是为了考虑确定许用应力安全系数时未能考虑到的因素。焊缝系数与管子的结构、焊接工艺、焊缝的检验方法有关[18]。本次设计枪体的材料为304无缝钢管，φ=1。钢管的设计压力Ps这里按照5 MPa 计算，目的是扩大喷枪的压力应用范围。由式(2)计算得，钢管理论壁厚s为0.124 mm，根据结构设计的需要，最终确定钢管的壁厚为2 mm。

3 喷枪射程计算

3.1 进出口药液流速

本文中，药液的密度按照水的密度计算。药液流速计算公式为

(3)

式中：v——药液流速，m/s；

A——药液流经面积，m2。

药液流经面积

(4)

喷枪出口直径为1.2 mm，由式(4)计算得，喷枪出口药液流通面积A1=1.130 97×10-6m2。由式(3)计算得，喷枪出口药液流速v1=11.787、13.263、14.74 m/s。

喷枪进口直径为6mm，由式(4)计算得，喷枪进口药液流通面积A0=2.827×10-5m2。由式(3)计算得，喷枪进口的药液流速v0=0.472、0.531、0.59 m/s。

3.2 药液出口压力

根据伯努力方程，喷枪进出口截面的流体，符合下列关系

P=P0+5×10-7ρ(v02-v12)-P1

(5)

式中：P——药液出口压力，MPa；

ρ——药液的密度，1 000 kg/m3；

P1——药液压力损失，MPa。

流通管路、喷枪进出口高度差及喷枪过流部分产生压力损失，经试验，压力损失值在0.2 MPa左右，这里取P1为0.2 MPa。在工作压力为0.4、0.45、0.5 MPa时，由式(5)计算得，喷枪药液出口压力分别为0.131、0.163、0.192 MPa。

3.3 射程计算

如图3所示，应用物理学及理论力学的基本概念，可以得出喷枪定向喷洒时，药液流在垂直平面内的运动的方程式[13]。

(6)

(7)

vy=v1sinα-(g+ay)t

(8)

式中：X——药液飞行的水平距离，m；

Y——药液飞行的垂直高度，m；

α——喷枪的喷射角，(°)；

t——药液飞行的时间，s；

ax、ay——空气阻力产生的药液水平、垂直方向上加速度，m/s2；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

vy——药液垂直方向上分速度，m/s。

当药液飞行至最高点时，vy=0，由式(8)得

式中：t1——药液飞行到最高点需要时间，s。

药液飞行的最大高度

药液在最高点时，飞行的水平距离

药液从最高点降落至地面需要时间

式中：h——喷枪出口至地面距离，m。

药液空中飞行的总时间

tz=t1+t2

药液飞行的最大水平距离

如图3所示，喷枪药液出口压力P分解为水平方向的压力Px和垂直方向的压力Py，计算公式为

Px=Pcosα

Py=Psinα

根据经验公式，空气阻力产生的药液流在水平、垂直方向上的加速度[13]

(9)

(10)

药液流在上升和下降过程中，二者因空气阻力产生的药液流在垂直方向上的加速度值是不同的，为了方便计算，这里近似地把二者数值看作是相同的。同时，这里采用的是经验公式，其计算误差，在实际应用中是允许的。由于喷枪是摆动的，如图3所示，公式中的X、Y、X1、Y1、Xz的数值坐标均以喷枪出口位置为原点。

图3 左喷枪药液计算喷射轨迹

根据式(3)～式(10)，表3列出了喷枪喷射角为0°～90°，药液出口压力为0.131、0.163、0.192 MPa时，定向喷洒水平距离和高度的计算结果。根据计算结果，图3绘出了在喷枪不同的喷射角时，药液定向喷洒的曲线轨迹。由于左右喷枪是对称的，图3只绘出了左喷枪药液定向喷洒的曲线轨迹。由于喷枪是摆动的，喷洒的轨迹是动态的，药液的实际落点是喷洒轨迹与树冠的交点。图3中，X、Y的坐标原点O设置在左右喷枪的中心线与地面的交点。由图3可以看出，工作压力为0.4～0.5 MPa时，药液喷洒果树适应行距为7～9 m，喷洒果树高度为6.66～9 m。

4 喷枪射程试验及分析

4.1 试验内容

在工作压力为0.4、0.45、0.5 MPa，喷射角为0°～90°时，测试喷枪定向喷洒水平距离Xz和高度h+Y1。

4.2 试验介质和方法

试验介质，清水；试验条件，无风天气；试验方法按照规范GB/T 24677.2—2009[19]、T/CAMA 22—2019[20]进行。调节阀瓣尖部与节流板孔的间隙，使喷射出的药液达到雾化状态。每个角度测试3次，取其平均值。

表3 喷枪射程计算结果Tab. 3 Calculation results of spray gun range

4.3 试验结果与分析

试验结果见表4。从表4可以看出，工作压力为0.4、0.45、0.5 MPa时，喷枪定向喷洒最大高度分别为5.834、6.099、8.061 m，低于理论计算值，与计算值的平均误差分别为13.59%、14.56%、13.56%。喷枪定向喷洒最大水平距离分别为9.922、11.669、13.236 m，低于理论计算值，与计算值平均误差分别为7.56%、14.27%、14.48%。结合计算和试验结果，考虑到风力、平均喷灌强度、水滴打击强度等因素的影响，药液实际喷洒高度大于6 m，喷洒果树最大行距为7～9 m。

5 结论

1) 根据喷枪参数要求设计了喷枪，确定了喷枪的进口直径为6 mm，出口直径为1.2 mm，结构长度为190 mm。该研究可为喷枪结构设计与优化提供参考。

2) 在不考虑风力，只考虑空气阻力的条件下，采用经验公式计算喷枪射程，并进行射程试验。综合考虑到风力、平均喷灌强度、水滴打击强度等因素的影响，喷枪工作压力为0.4～0.5 MPa时，喷洒果树最大行距为7～9 m，药液实际喷洒高度大于6 m，满足设计参数的要求。

3) 根据植保机行走速度快慢，调整喷枪摆动频率，以保证药液喷洒均匀性和喷洒量需求。试验表明，双摆动喷枪喷洒装置药液雾化效果好，喷洒均匀，环境污染低，市场前景广阔。

表4 喷枪射程试验结果Tab. 4 Results of spray gun range test