劉暢，趙夫超，朱林林，張智

（安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽安慶 246003）

0 引言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大棚種植的普及使得傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴灑出現(xiàn)了諸多問(wèn)題，例如：普通的農(nóng)藥噴霧機(jī),無(wú)論是肩背式還是車(chē)架式均由汽柴油機(jī)提供動(dòng)力，而在密閉的大棚里作業(yè)極易造成燃油機(jī)尾氣（CO）中毒現(xiàn)象；噴嘴離操作人員太近，即使佩戴口罩也無(wú)法避免操作人員吸入有害的農(nóng)藥?kù)F化劑，嚴(yán)重?fù)p害身體健康；每次作業(yè)都需要加燃油，生產(chǎn)成本增加等不利因素都制約著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

筆者通過(guò)觀察和研究，利用機(jī)電技術(shù)設(shè)計(jì)出一款新型農(nóng)藥噴灑機(jī)，該新型噴灑機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于使用直流電機(jī)作為動(dòng)力，利用動(dòng)力分配裝置兼顧噴灑、攪拌和設(shè)備移動(dòng)的功能?？蓪?shí)現(xiàn)多噴頭、大面積噴灑和隔離式操作。既提高了生產(chǎn)效率，又節(jié)約了成本，還保障了使用者的健康。

1 基本設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)包括固定裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和噴灑裝置。固定裝置主要用于承載支撐及有效整合驅(qū)動(dòng)裝置和噴灑裝置。該新型農(nóng)機(jī)的各機(jī)構(gòu)均由直流電動(dòng)機(jī)提供原動(dòng)力，電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與3 個(gè)不同作用的機(jī)械離合器連接，實(shí)現(xiàn)3種不同的動(dòng)力分配，分別驅(qū)動(dòng)噴灑機(jī)行進(jìn)、農(nóng)藥的均勻攪拌和農(nóng)藥的噴灑。

2 設(shè)備組成和工作原理

下面結(jié)合圖1 對(duì)該新型農(nóng)藥噴灑機(jī)作進(jìn)一步說(shuō)明。

由圖1、圖2 可見(jiàn)，該新型農(nóng)藥噴灑機(jī)由固定裝置（車(chē)底座）、驅(qū)動(dòng)裝置和噴灑裝置3 個(gè)主要部分組成：固定裝置、噴灑裝置都與驅(qū)動(dòng)裝置上的直流主電機(jī)相連接；設(shè)備的固定裝置包括底座，底座上設(shè)有驅(qū)動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向輪通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向手柄連接，驅(qū)動(dòng)軸兩端設(shè)有2 只塑料驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)軸的一端設(shè)有從動(dòng)輪，從動(dòng)輪經(jīng)傳動(dòng)帶與主動(dòng)輪相連接，主動(dòng)輪的一端通過(guò)移動(dòng)離合器與直流主電機(jī)相連接，移動(dòng)離合器用于斷開(kāi)和接合由主電機(jī)傳送過(guò)來(lái)的動(dòng)力。

圖1 主體結(jié)構(gòu)示意圖

該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置是設(shè)備的核心，它不但能提供機(jī)構(gòu)行進(jìn)的動(dòng)力，而且還同時(shí)提供農(nóng)藥攪拌和噴灑的分動(dòng)力；驅(qū)動(dòng)裝置包括普通蓄電池，蓄電池經(jīng)過(guò)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)和直流主電機(jī)相連接；噴灑裝置包括農(nóng)藥混合桶、緩沖罐和噴嘴。農(nóng)藥混合桶內(nèi)設(shè)置有攪拌器，攪拌器與攪拌離合器相連，農(nóng)藥混合桶的上方設(shè)有加藥口，下方設(shè)置有排污口；農(nóng)藥混合桶經(jīng)過(guò)濾器、單向閥、液壓泵與緩沖罐相連接，液壓泵上設(shè)有泵離合器；農(nóng)藥噴嘴經(jīng)球閥與調(diào)節(jié)軟管相連接，而緩沖罐經(jīng)設(shè)有旋塞閥的導(dǎo)管與調(diào)節(jié)軟管相連接。

使用本設(shè)備時(shí)，先將蓄電池充足電，再閉合啟動(dòng)旋鈕，然后將需要噴過(guò)的農(nóng)藥通過(guò)加藥口加入農(nóng)藥混合桶，并以同樣方式加入適量的水至農(nóng)藥混合桶里，啟動(dòng)攪拌離合器促使攪拌器工作，將農(nóng)藥混合桶的農(nóng)藥和適量水進(jìn)行充分混和，待充分混合后即可斷開(kāi)攪拌離合器；啟動(dòng)泵離合器并打開(kāi)單向閥，液壓泵開(kāi)始工作，農(nóng)藥混合桶里的混合藥水經(jīng)過(guò)濾器后由液壓泵送到緩沖罐里，打開(kāi)旋塞閥和球閥，混合藥水隨即經(jīng)調(diào)節(jié)軟管到達(dá)噴嘴，實(shí)現(xiàn)噴灑；啟動(dòng)移動(dòng)離合器，直流主電機(jī)通過(guò)主動(dòng)輪、傳動(dòng)帶、從動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)固定裝置向前移動(dòng)，操作轉(zhuǎn)向手柄和轉(zhuǎn)向輪控制向前移動(dòng)的方向，實(shí)現(xiàn)一邊移動(dòng)一邊噴灑。

本設(shè)計(jì)還有另外幾個(gè)亮點(diǎn)：（1）噴灑機(jī)構(gòu)上設(shè)置有多個(gè)噴嘴，日常使用過(guò)程中，可根據(jù)使用面積及植物株桿高度，通過(guò)調(diào)節(jié)軟管適當(dāng)調(diào)節(jié)噴嘴的高度，最終達(dá)到藥水噴灑均勻、適量的目標(biāo)，充分實(shí)現(xiàn)藥水的使用價(jià)值；（2）通過(guò)攪拌離合器的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)攪拌徹底并提高自動(dòng)化程度；（3）通過(guò)過(guò)濾器的設(shè)置，一方面可有效提高藥水的純度，過(guò)濾的雜質(zhì)可以定時(shí)通過(guò)排污口排出，另一方面提高噴嘴的使用效率，同樣可達(dá)到噴灑均勻和效率高的目的。當(dāng)噴灑結(jié)束時(shí)，先斷開(kāi)移動(dòng)離合器，固定裝置停車(chē)；再斷開(kāi)泵離合器，讓液壓泵停止工作，最后關(guān)閉旋塞閥和球閥。

圖2 轉(zhuǎn)向輪結(jié)構(gòu)示意圖

3 行進(jìn)控制與防護(hù)改進(jìn)

本產(chǎn)品與市場(chǎng)上銷(xiāo)售的噴灑機(jī)另一個(gè)不同之處就在于人機(jī)隔離機(jī)構(gòu)和自動(dòng)行進(jìn)機(jī)構(gòu)。目前常用的噴灑機(jī)除了是熱機(jī)驅(qū)動(dòng)外必須有駕駛員操作，而且駕駛室均為敞開(kāi)式，即使某些產(chǎn)品噴嘴離駕駛員較遠(yuǎn)也難免會(huì)受到農(nóng)藥的侵害。本設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)裝置上加裝一個(gè)有機(jī)玻璃罩，與起重機(jī)的駕駛室類(lèi)似，這樣便可以解決農(nóng)藥噴灑時(shí)附著人體的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)的初級(jí)產(chǎn)品仍是由操作者手動(dòng)操作行進(jìn)機(jī)構(gòu)，但設(shè)計(jì)者在行進(jìn)機(jī)構(gòu)上預(yù)留了空間，用于今后在改進(jìn)時(shí)加裝自動(dòng)行進(jìn)控制設(shè)備，將可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和無(wú)人操作。

基本設(shè)計(jì)思路是：利用車(chē)載芯片控制一部轉(zhuǎn)向操作控制器，用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在車(chē)載控制板上賦予PID 調(diào)節(jié)功能，通過(guò)角度和速度檢測(cè)及反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)車(chē)速和偏向角度。

具體的實(shí)施方法是：將直流電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器減速增矩后的轉(zhuǎn)向力矩傳遞給噴灑機(jī)的轉(zhuǎn)向軸，改進(jìn)后的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由一對(duì)傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)鏈組成，電機(jī)和減速器組合為一個(gè)整體，減速器的輸出軸上安裝一個(gè)直齒齒輪，該齒輪和轉(zhuǎn)向軸上安裝的齒輪通過(guò)鏈條傳動(dòng)，傳動(dòng)比為1.6:1。電機(jī)和減速器通過(guò)支架固定在底座上。用角位移檢測(cè)裝置檢測(cè)出轉(zhuǎn)向輪的偏角，與設(shè)定的目標(biāo)航向比較求出航向偏差，通過(guò)PD 調(diào)節(jié)器的比例和微分調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)向軸的輸出，不斷調(diào)整轉(zhuǎn)向輪的角度，從而達(dá)到自動(dòng)行進(jìn)的控制要求。

4 試制與應(yīng)用

該農(nóng)藥噴灑機(jī)的設(shè)計(jì)由于設(shè)備零部件均為市場(chǎng)易購(gòu)得的標(biāo)準(zhǔn)件和常用件，現(xiàn)已試制出產(chǎn)品模型，試運(yùn)行的效果良好，但一些技術(shù)環(huán)節(jié)仍需改進(jìn)和調(diào)整。目前已有多家廠商與設(shè)計(jì)者初步達(dá)成協(xié)議，規(guī)模化生產(chǎn)將指日可待。2013 年11 月，該設(shè)計(jì)（不包括自動(dòng)行進(jìn)部分）已成功申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，并已授權(quán)公示。此種新型農(nóng)業(yè)設(shè)備具有制造成本低、工作效率高、無(wú)污染等特點(diǎn)。

［1］周俊，姬長(zhǎng)英.農(nóng)用輪式移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)研究［D］.南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2002.

［2］張智剛，羅錫文，李俊嶺.輪式農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005（1）：77-80.

［3］陳文良，謝斌，宋正河，等.拖拉機(jī)電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006（10）：122-125.

［4］李紅偉.農(nóng)業(yè)機(jī)械速度控制方式研究［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，37（9）：214-216.

［5］楊欣，賈金霞，佟金.農(nóng)業(yè)機(jī)械典型部件裝配關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18（1）：156-159.

［6］郜立煥，楊毅，柴玉東.一種靜液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變量泵控制裝置［J］.液壓與氣動(dòng)，2008（7）：70-72.